The Russian Arctic
Scientific and analytical journal
ISSN (Online): 2658-4255

+7 495 2294144
from 9:00 till 18:00
Request a call
101000, Moscow, Armenian lane., 9 build. 1, off. 319/44
English
  • Русский
About the Journal
  • General information
  • Peer-review
  • Publication Ethics
  • Editorial Board
  • Supervisory board
  • Authors
  • For authors
  • Submit an article
  • Author guidelines
  • Advantages
  • Documents
Articles
Latest issue
Archive
  • Library
  • Special issues
  • 2018
  • 2019
  • 2020
  • 2021
  • 2022
  • 2023
Indexing and archiving
Contacts
    The Russian Arctic
    About the Journal
    • General information
    • Peer-review
    • Publication Ethics
    • Editorial Board
    • Supervisory board
    • Authors
    • For authors
    • Submit an article
    • Author guidelines
    • Advantages
    • Documents
    Articles
    Latest issue
    Archive
    • Library
    • Special issues
    • 2018
    • 2019
    • 2020
    • 2021
    • 2022
    • 2023
    Indexing and archiving
    Contacts
      The Russian Arctic
      English
      • Русский
      • About the Journal
        • Назад
        • About the Journal
        • General information
        • Peer-review
        • Publication Ethics
        • Editorial Board
        • Supervisory board
        • Authors
        • For authors
        • Submit an article
        • Author guidelines
        • Advantages
        • Documents
      • Articles
      • Latest issue
      • Archive
        • Назад
        • Archive
        • Library
        • Special issues
        • 2018
        • 2019
        • 2020
        • 2021
        • 2022
        • 2023
      • Indexing and archiving
      • Contacts
      • +7 495 2294144
      101000, Moscow, Armenian lane., 9 build. 1, off. 319/44
      info@arctic-centre.com
      • Scientific and analytical journal
      • TEST
      • Articles
      • Influence of Geomagnetic Disturbances in the Polar Regions on the Reactive Power Transmissions Mode on the Airline

      Influence of Geomagnetic Disturbances in the Polar Regions on the Reactive Power Transmissions Mode on the Airline

      30 March 2020 1:07
      // Electrical Energy

      Aleksey A. Kuvshinov, Vera V. Vakhnina, Alexander Yu. Khrennikov, Aleksey N. Chernenko

      DOI:10.24411/2658-4255-2020-00002 

      html.png    PDF.png    XML.png

      For Citing: Aleksey A. Kuvshinov, Vera V. Vakhnina, Alexander Yu. Khrennikov, Аleksey N. Chernenko. Influence of Geomagnetic Disturbances in the Polar Regions on the Reactive Power Transmissions Mode on the Airline / A.A. Kuvshinov, V.V. Vakhnina, A.Yu. Khrennikov, А.N. Chernenko // Russian Arctic. – 2020. – №8. - P. 15-22

      Article received: 11.11.2019 –  Peer-review: 04.12.2019 – Approved: 23.03.2020 – Published: 30.03.2020
      Analytical expressions are obtained for determining reactive power at the beginning and at the end of an intersystem overhead line, taking into account the parameters of the magnetization branches of power transformers, which allow one to take into account the intensity of the influence of geomagnetic disturbances on power transmission modes. It is shown that an increase in the intensity of geo-induced currents can completely disrupt the transit of reactive power due to the multiple increase in the magnetization power of power transformers as a result of one-sided saturation of magnetic systems. A numerical example is given illustrating the possibility of terminating the transit of reactive power with sufficiently intense geomagnetic disturbances.

      Keywords: overhead line, power transformer, geo-induced currents, reactive power.

      Введение. Многолетние наблюдения отмечают около 2500 геомагнитных возмущений, идентифицируемых как «магнитная буря» и «сильная магнитная буря» в течение 11-летнего цикла солнечной активности [1-4]. Геомагнитные возмущения вызывают протекание геоиндуцированных токов (ГИТ) в заземленных обмотках высокого напряжения (ВН) силовых трансформаторов электрических сетей с номинальным напряжением 110 кВ и выше. Под воздействием ГИТ режим перемагничивания электротехнической стали силовых трансформаторов с бронестержневой и броневой конструкцией магнитной системы смещается в область технического насыщения [5,6]. Возникает одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора. В результате ток намагничивания приобретает практически однополярную форму и многократно превышает номинальный ток холостого хода [7]. Мощность намагничивания силового трансформатора также многократно возрастает, оказывая существенное влияние на баланс реактивных мощностей в воздушных линиях электропередачи [8,9]. В частности, ГИТ, вызванные в электроэнергетической системе Hydro-Quebec Канады геомагнитной бурей 22 октября 1999 г., послужили причиной увеличения потерь реактивной мощности с последующим развитием лавины напряжений [10,11].

      Таким образом, задача исследования механизмов влияния ГИТ, вызванных геомагнитными возмущениями, на режимы передачи реактивной мощности по воздушной линии является актуальной, причем особую актуальность данная задача приобретает для высокоширотных линий электропередачи.

      Расчетная схема межсистемной электропередачи. Расчетная схема (а) и схема замещения (б) межсистемной воздушной линии (ВЛ), связывающей две электроэнергетические системы ЭЭС1 и ЭЭС2, показаны на рис.1. Нейтрали обмоток высокого напряжения (ВН) силовых трансформаторов Т1 и Т2 заземлены. Геомагнитные возмущения инициируют возникновение на поверхности земли квазипостоянного геоэлектрического поля и соответственно разности потенциалов между заземляющими устройствами нейтралей обмоток ВН силовых трансформаторов Т1 и Т2, которая учитывается в расчетной схеме источником квазипостоянной ЭДС (eгит на рис.1,а). Под воздействием квазипостоянной ЭДС по обмоткам ВН силовых трансформаторов Т1 и Т2 и фазным проводам ВЛ протекают ГИТ по контуру, показанному на рис.1,а.

      На рис. 1,б представлена схема замещения, в которой силовые трансформаторы Т1, Т2 представлены упрощенной Г-образной схемой замещения, для количественных оценок вариаций режима передачи реактивной мощности под воздействием ГИТ. На схеме замещения использованы следующие обозначения:

      Xл - индуктивное сопротивление фазных проводов ВЛ;

      хT1, хТ2 - индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания силовых трансформаторов Т1, Т2 соответственно;

      хμ1, хμ2 – индуктивное сопротивление намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 соответственно;

      U1 ,U2  - напряжения на шинах ЭЭС1 и ЭЭС2 соответственно.


      а)


      б)

      Рис.1 – Расчетная схема (а) и схема замещения (б) межсистемной ВЛ

      Потери активной мощности в фазных проводах ВЛ и силовых трансформаторах Т1, Т2  не учитываются. ГИТ, протекая по заземленным обмоткам ВН, вызывают одностороннее насыщение магнитных систем силовых трансформаторов Т1 и Т2. Данное обстоятельство обуславливает уязвимость рассматриваемой ВЛ к воздействию ГИТ, результатом которого является многократное уменьшение индуктивных сопротивлений хμ1, хμ2 ветвей намагничивания силовых трансформаторов Т1 и Т2 из-за существенной нелинейности основной кривой намагничивания электротехнической стали магнитной системы [12]. Именно изменение индуктивных сопротивлений ветвей намагничивания силовых трансформаторов Т1 и Т2 является фактором, определяющим существенное влияние ГИТ на режимные параметры электропередачи.

      Потоки реактивной мощности по межсистемной воздушной линии. Комплексы токов электрических сетей ЭЭС1 (İ1) ЭЭС2 (İ2) определяются системой уравнений

                     

      где  – комплекс собственной проводимости ветви ЭЭС1 при отсутствии источника напряжения  – комплекс собственной проводимости ветви ЭЭС2 при отсутствии источника напряжения  – комплекс взаимной проводимости ветвей ЭЭС1 и ЭЭС2.

      Комплексы собственных и взаимной проводимостей будут определяться выражениями


      а модули собственных и взаимной проводимостей – выражениями


      Анализ выражений (2) позволяет заключить, что собственные y11 , y22 и взаимная  y12 , проводимости межсистемной электропередачи также зависят от величины ГИТ. Поэтому в условиях геомагнитных возмущений поддержания неизменными напряжений  на шинах ЭЭС1, ЭЭС2 недостаточно, как показывает выражение (1), для

      сохранения неизменными комплексов токов  и следовательно режима передачи активной и реактивной мощности по межсистемной электропередаче. На рис.2 представлены кривые, показывающие характер изменения эквивалентного индуктивного сопротивления ветвей намагничивания силовых трансформаторов Т1 и Т2 в зависимости от глубины насыщения магнитных систем под воздействием ГИТ, которая определяется величиной фазового угла насыщения.


      Рис.2 – Зависимость эквивалентного индуктивного сопротивления  ветви намагничивания одного силового трансформатора и двух однотипных силовых трансформаторов  от фазового угла насыщения магнитной системы

       В качестве количественного критерия глубины насыщения магнитной системы силового трансформатора использована величина фазового угла насыщения (φ), определяющего продолжительность однополярных бросков тока намагничивания на периоде напряжения при воздействии ГИТ [8]. С помощью выражений (1) можно определить величину реактивной мощности, выдаваемой ЭЭС1


      и величину реактивной мощности, поступающую в ЭЭС2


      где δ - угол между векторами напряжений ЭЭС1 и ЭЭС2.

      Сравнивая (3) и (4), видно, что ЭЭС1 выдает, а ЭЭС2 потребляет реактивную мощность, т.е. знаки Q1 и Q2 противоположны. Тогда потери реактивной мощности в индуктивных сопротивлениях электропередачи будут определяться алгебраической суммой

      ,                                     

      т.е. при  потери  покрываются за счет реактивной мощности ЭЭС1, а при  потери покрываются за счет потребления реактивной мощности из ЭЭС2.

      Анализ полученных выражений позволяет отметить, что неизменные значения режимных параметров не обеспечат в условиях геомагнитных возмущений сохранение режима передачи реактивной мощности.

      На рис. 3 представлены энергетические диаграммы баланса  реактивных мощностей  электропередачи при отсутствии и при различных уровнях геомагнитных возмущений и соответственно ГИТ. Энергетические диаграммы построены для случая работы ВЛ в натуральном режиме, когда мощность магнитного поля линии равна мощности электрического поля  т.е. линия не потребляют и не генерируют реактивную мощность. При отсутствии геомагнитных возмущений  , реактивной мощности Q1 ЭЭС1, определяемой выражением (3), достаточно для создания мощности намагничивания силовых трансформаторов Т1,Т2, соответственно и выдачи реактивной мощности Q2 в приемную ЭЭС2. По мере увеличения ГИТ возрастает мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 настолько, что наступает равенство

      ,

      т.е. вся реактивная мощность ЭЭС1 расходуется только на покрытие мощности намагничивания. В приемную ЭЭС2 реактивная мощность не отдается, т.е. Q2= 0  (рис.3,б).



      Рис.3 – Энергетические диаграммы потоков реактивной мощности в электропередаче при: 

       

       При дальнейшем увеличении ГИТ возможно увеличение мощности намагничивания силового трансформатора Т1 до уровня (рис.3,в)


      В этом случае для поддержания уровня напряжения U2 в конце линии мощность намагничивания силового трансформатора  Т2 должна покрываться потреблением реактивной мощности из приемной ЭЭС, т.е.


      которая должна обладать соответствующим резервом реактивной мощности.

      На рис.4 представлены графики изменения суммарной мощности намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 (кривая 1), реактивной мощности, выдаваемой ЭЭС1 (кривая 2) и потребляемой, а затем и выдаваемой ЭЭС2 (кривая 3) в зависимости от интенсивности геомагнитных возмущений, возрастание которой вызывает увеличение фазового угла насыщения (φ) магнитных систем силовых трансформаторов Т1, Т2. Зависимости построены с помощью выражений (3), (4) и (5) для слабо загруженной (P2*=0,1347) и сравнительно «короткой» линии электропередачи, которая имеет следующие параметры


      Представленные численные значения приведены к номинальным параметрам силовых трансформаторов. Индуктивные сопротивления ветвей намагничивания хμ1, хμ2 , силовых трансформаторов  Т1, Т2 указаны для режима нормального перемагничивания магнитных систем при отсутствии геомагнитных возмущений  Как видно, по мере увеличения ГИТ и соответственно фазового угла насыщения магнитной системы силовых трансформаторов Т1, Т2 многократно возрастает суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 (кривая 1) от значения  при  до значения  при  т.е. фактически до значения номинальной мощности силового трансформатора [13, 14].

      Дальнейшее увеличение интенсивности ГИТ и фазового угла насыщения от значения  до значения   сопровождается еще более резким увеличением суммарной мощности намагничивания, вплоть до значения  т.е. почти трехкратного значения номинальной мощности силового трансформатора. При  суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов возрастает только на 6%.


      Рис.4 – Энергетические характеристики электропередачи при воздействии ГИТ (1 – суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов; 2 – реактивная мощность, выдаваемая ЭЭС1; 3 – реактивная мощность, выдаваемая в (потребляемая из) ЭЭС2)

      Увеличение суммарной мощности намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 при возрастании интенсивности геомагнитных возмущений вызывает увеличение потребляемой из ЭЭС1 реактивной мощности (кривая 2) и уменьшение реактивной мощности, поступающей в ЭЭС2 (кривая 3). Наконец, при  выдача реактивной мощности в ЭЭС2 прекращается и практически вся реактивная мощность, выдаваемая ЭЭС1, расходуется на покрытие мощности намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 и только ≈ 19% на покрытие потерь реактивной мощности в продольных индуктивных сопротивлениях межсистемной электропередачи. Данная ситуация соответствует энергетической диаграмме, изображенной на рис.3,б.

      При  реактивная мощность начинает потребляться и из ЭЭС2. С этого момента возрастающая мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2, а также и потери реактивной мощности в продольных индуктивных сопротивлениях электропередачи начинает покрываться за счет потребления реактивной мощности как из ЭЭС1, так и из ЭЭС2 (см. также энергетическую диаграмму на рис.3,в). В частности, при  суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 на ≈ 60% покрывается потреблением реактивной мощности из ЭЭС1 и  на ≈ 40% потреблением реактивной мощности из ЭЭС2. Однако это возможно только при наличии соответствующих резервов реактивной мощности. В противном случае геомагнитные возмущения при достаточной интенсивности способны инициировать развитие аварийной ситуации типа «лавина напряжения».

      Заключение.  В неразветвленной схеме передачи электроэнергии поток реактивной мощности в приемную систему существенно зависит от интенсивности геомагнитных возмущений, поскольку увеличение ГИТ способно вызвать многократное увеличение мощности намагничивания силовых трансформаторов повышающей и понижающей подстанций до значений достигающих и даже превышающих собственную номинальную мощность. По мере увеличения ГИТ уменьшается пропускная способность воздушной линии, а поток реактивной мощности в приемную систему уменьшается вплоть до полного прекращения и последующей инверсии направления передачи.

      References:
      1. Zabolotnaya N.A. Indices of geomagnetic activity. - Reference manual. Ed. 2nd, revised., M.: Publishing house LKI, 2007, 88 pp.
      2. Tertyshnikov A.V. Possible corrections of dangerous heliogeophysical phenomena. - Heliogeophysical research, issue 5, 2013, p. 34-42.
      3. Messerotti M. The NOAA Space Weather Scale tables. –COST Action 724, Athens, October 11, 2005, p.1-4.
      4. NOAA Space Weather Scales [Electronic resource]. URL: http://www.swpc.noaa.gov/sites/default/files/images/NOAAscales.pdf (accessed: 11.21.2016).
      5. Coles R. L., Thompson K., Jansen van Beek G. A Comparison between the Rate of Change in the Geomagnetic Field and the Geomagnetically Induced Currents in a Power Transmission System. - Proceedings: Geomagnetically Induced Currents Conference, TR-100450, Electric Power Research Institute. Palo Alto. California, 1992.
      6. Kappenman J.G., Albertson V.D. Bracing for the Geomagnetic Storm. - IEEE Spectrum, 1990, 28, No. 3.
      7. Takasu N., Oshi T., Miyawaki F., Saito S., Fujiwara Y. An Experimental Analysis of Excitation of Transformers by Geomagnetically Induced Currents. - IEEE Transactions on Power Delivery, 1994, Vol. 9, No. 2.
      8. Vakhnina V.V., Kuvshinov A.A., Chernenko A.N. The effect of geomagnetic activity on the magnetization power of power transformers in electric networks. - Electro. Electrical Engineering, Electric Power Industry, Electrical Engineering Industry, 2016, No. 2.
      9. Vakhnina V.V. Reactive Power Compensation in Power Supply Systems of Industrial Enterprises: A Training Manual. - Tolyatti, TSU Publishing House, 2011.
      10. Kappenman J.G. Advanced Geomagnetic Storm Forecasting: A Risk Management Tool for Electric Power Operations. - IEEE Transactions on Plasma Science, Special Issue on Space Plasmas, 2000, Vol. 28, No. 6.
      11. Boteller D.H. Effects of geomagnetically induced current in B. C. Hydro 500 kV - System. - IEEE Trans. On Power Delivery, 1989, 4, No. 1, p. 818-823.
      12. Kuvshinov A.A., Vakhnina V.V., Selemir V.D., Karelin V.I. The capacity of intersystem power transmission in conditions of geomagnetic activity. - Electricity, 2016, No. 9.
      13. Khrennikov A.Yu. High-voltage electrical equipment in electric power systems: diagnostics, defects, damage, monitoring. Textbook, Master's program - M.: INFRA-M, 2019 - 186p., Ill.
      14. Khrennikov A.Yu., Kuvshinov A.A., Shkuropat I.A. Providing Reliable Operation of Electric Networks // Nova science publishers, New York, 2019, USA, p. 308, ISBN: 978-1-53615-422-1 https://novapublishers.com/shop/providing-reliable-operation-of-electric-networks/
         
      This in an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0)

      • Comments
      Loading comments...

      Back to list Next article
      Headings
      • Anthropology1
      • Biogeography1
      • Biology1
      • Ecology11
      • Economical Geography10
      • Electrical Energy15
      • Geoecology2
      • Geophysics0
      • Glaciology0
      • Health Care31
      • Нydrology4
      • Meteorology11
      • Oceanology24
      • Transport7
      • Arctic Notes3
      • News3
      Learn more
      • Technical solutions for the transmission of electricity at high voltage in arctic conditions
        Technical solutions for the transmission of electricity at high voltage in arctic conditions
        13 April 2023
      • Determination of the preventive heating current of a lightning protection cable with a built-in optical cable on a 110-220 kV overhead line to prevent the formation of ice-frost deposits
        Determination of the preventive heating current of a lightning protection cable with a built-in optical cable on a 110-220 kV overhead line to prevent the formation of ice-frost deposits
        30 March 2023
      • Project of The Building Intelligent Lighting System of The Arctic Zone University in The Digital Economy
        Project of The Building Intelligent Lighting System of The Arctic Zone University in The Digital Economy
        9 December 2022
      • Mathematical Model for Determination of EMF and Current Induced in the Loop of Lighting Protection Cable by Magnetic Fields of 220 KV Phase Currents
        Mathematical Model for Determination of EMF and Current Induced in the Loop of Lighting Protection Cable by Magnetic Fields of 220 KV Phase Currents
        16 February 2022
      • Integration Of Green And Renewable Energy Into The Intelligent Energy System Of The Arctic Territories Through Blockchain Tecnologies
        Integration Of Green And Renewable Energy Into The Intelligent Energy System Of The Arctic Territories Through Blockchain Tecnologies
        30 December 2021
      • Development of Electric Power Industry In The Arctic Regions of the Russian Federation, Taking Into Account the Use of Renewable Energy Sources
        Development of Electric Power Industry In The Arctic Regions of the Russian Federation, Taking Into Account the Use of Renewable Energy Sources
        23 July 2021
      • Optimization of The Electrical Complex Functioning Parameters of Water-Lifting Areas In Arctic Climate Conditions
        Optimization of The Electrical Complex Functioning Parameters of Water-Lifting Areas In Arctic Climate Conditions
        23 July 2021
      • Geodynamic Risk Assessments for Oil and Gas Industry of the Arctic Zone
        Geodynamic Risk Assessments for Oil and Gas Industry of the Arctic Zone
        13 April 2021
      • Problems of Energy Supply in the Arctic Regions (en)
        Problems of Energy Supply in the Arctic Regions (en)
        10 April 2020
      • Use of Amorphous Alloy Tape as a Heating Element in Heating and De-Icing Systems for Arctic Territories
        Use of Amorphous Alloy Tape as a Heating Element in Heating and De-Icing Systems for Arctic Territories
        10 April 2020
      • Research of Power Characteristics of Power Rectifiers Technological Equipment for Industrial Enterprises of the Northern Regions (en)
        Research of Power Characteristics of Power Rectifiers Technological Equipment for Industrial Enterprises of the Northern Regions (en)
        8 April 2020
      • Use Of Ship Power For Life Support Of Arctic Facilities
        Use Of Ship Power For Life Support Of Arctic Facilities
        27 March 2020
      • Formulation of Complex Optimization Problem of Constructing Microgrids in the Arctic Enclave Based on Multi-Agent Representation
        Formulation of Complex Optimization Problem of Constructing Microgrids in the Arctic Enclave Based on Multi-Agent Representation
        26 March 2020
      • Energy platforms using digital modular substations and power units for Arctic
        Energy platforms using digital modular substations and power units for Arctic
      Subscribe
      Лицензия Creative Commons
      © The Russian Arctic 2023. All rights reserved.
      Except where otherwise noted, content on this site is licensed under a Creative Commons «Attribution» 4.0 International license.

      Privacy Policy

      Contacts

      +7 495 2294144
      info@arctic-centre.com
      101000, Moscow, Armenian lane., 9 build. 1, off. 319/44
      We use cookies and collect personal data to provide you with the best user experience and to show you customized offers on our website. By continuing to browse our website, you agree to the use of cookies and the processing of personal data. To learn more