Методика оценки влияния вариаций геомагнитного поля на работу микропроцессорных релейных защит

Введение

Исследования, выполненные учеными в последние годы, позволяют утверждать, что оборудование электроэнергетических систем подвержено негативному влиянию геоиндуцированных токов, причиной которых являются геомагнитные возмущения и бури [1]. Геоиндуцированные токи, обусловленные высокой солнечной активностью, достигают значений, соизмеримых с рабочими токами, протекающими в ветвях электроэнергетических систем, и могут вызвать небезопасные перенапряжения и ухудшение электромагнитной обстановки [2]. Электромагнитные помехи влияют на работу устройств релейной защиты и автоматики, устройств высокочастотной связи, систем телеуправления и т.д., особенно современных микропроцессорных, что может вызвать их неправильное срабатывание [3,4,5]. Понимание процессов, вызванных геомагнитным воздействием, и их прогнозирование позволит предупреждать технологические нарушения в электроэнергетических системах, обусловленные неправильными срабатываниями чувствительного к электромагнитным воздействиям оборудования.

Объект и метод анализа

Структура технологических нарушений в энергосистеме Республики Хакасия

Был проведен анализ случаев неправильного срабатывания микропроцессорных устройств релейной защиты, установленных на объектах энергосистемы Республики Хакасия за период с 2013 по 2016 годы с использованием информации, предоставленной филиалом ОАО «СО ЕЭС» «Региональное диспетчерское управление энергосистемы Республики Хакасия»». За рассматриваемый период доля аварийных отключений вследствие неправильных действий микропроцессорных устройств релейной защиты составила: в 2013 году - 2,11% (5 отключений), в 2014 году - 3,97% (7 отключений), в 2015 году - 8,56% (19 отключений) и в 2016 году - 7% (14 отключений). Существенный рост числа таких отключений объясняется заменой на подстанциях старых типов релейных защит современными микропроцессорными, которые чувствительны к электромагнитным помехам, поступающим по цепям оперативного тока, вторичным цепям напряжения от трансформаторов тока чувствительным к вариациям геомагнитного поля.

Все аварийные отключения, обусловленные неправильными действиями микропроцессорных релейных защит, имели место при благоприятных погодных условиях и при отсутствии других очевидных причин. Среди ряда факторов, которые могли бы оказать влияние на надежность работы устройств релейной защиты, было выбрано влияние геомагнитных воздействий, обусловленных вариациями геомагнитного поля.

Анализ вариаций компонетов геомагнитного поля

Вариации геомагнитного поля делятся на периодические (вековые, годовые, суточные) и непериодические (импульсные вариации и бури). Неправильные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики вызываются именно магнитными бурями, которые возникают спорадически и проходят по всей земной поверхности либо одновременно, либо с запаздыванием до нескольких часов. Продолжительность магнитных бурь колеблется от нескольких часов до нескольких суток, а их интенсивность достигает несколько тысяч нТл [6].

Для составления и анализа магнитограмм были использованы основные компоненты геомагнитного поля: (горизонтальная составляющая напряженности), (магнитное склонение) и (вертикальная составляющая напряженности), представленные сайтом ФГБУН «Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова» Российской академии наук, зафиксированные Московской обсерваторией [7]. Компоненты и(горизонтальные составляющие вектора и полный вектор напряженности) были получены расчетным путем по известным величинам , , .

Колебания компонентов , и в течение года были сопоставлены с эталонными амплитудными границами характеристик геомагнитных бурь в соответствии с принятой в [6] классификацией. На основании анализа суммарной продолжительности геомагнитных бурь можно сделать вывод, что больше половины года планета Земля существует под воздействием геомагнитных бурь с высокой амплитудой изменения их характеристик, поэтому само по себе увеличение амплитуд компонентов геомагнитного поля не является основной причиной неправильного срабатывания устройств микропроцессорных релейных защит.

Нами было высказано предположение о том, что одной из причин неправильного срабатывания микропроцессорных релейных защит является резкое изменение компонентов геомагнитного поля.

Дифференцирование таблично-заданных функций

На основании закона Био-Савара-Лапласа напряженность является количественной характеристикой магнитного (а в нашем случае геомагнитного) поля и связана интегральной функцией с индуцированным (а в нашем случае геоиндуцированным) током в проводнике и пространственной ориентацией этого проводника (в нашем случае по отношению к поверхности Земли). Следовательно, в качестве обратной зависимости можно представить геоиндуцированный ток в проводнике дифференциальной функцией напряженности геомагнитного поля. С целью проверки высказанного предположения была определена и проанализирована скорость изменения (первая производная по времени) всех компонентов геомагнитного поля: , , , , и .

Численное дифференцирование компонентов геомагнитного поля, заданных в табличной форме, производилось на основе построения по узловым (табличным) точкам интерполяционного многочлена Лагранжа. Многочлен строился по трем точкам. Производная для сравнения определялась тремя способами: по правым, центральным и левым разностям с использованием формул с постоянным шагом табулирования. Сравнение производных, вычисленных разными способами, показало, что наиболее точный результат получается по приближенным формулам дифференцирования центральных разностей.

За рассматриваемый период с 2013 года по 2016 год нами было выполнено численное дифференцирование всех компонентов геомагнитного поля. Шаг табулирования варьировался в интервале от 5 до 30 минут с целью подбора его наилучшего значения. Сравнение полученных результатов показало, что как при малом, так и при большом шаге табулирования скорость изменения компонентов геомагнитного поля характеризуется множеством частых, но кратковременных (продолжительностью не более 1 минуты) «всплесков». При этом отсутствуют явно выраженные экстремумы, которые совпадали бы по времени с неправильными срабатываниями устройств микропроцессорной релейной защиты. Продолжительные и явно выраженные экстремумы были получены при задании шага табулирования на интервале от 10 до 15 минут. Например, при дифференцировании с шагом 10 минут все случаи неправильного срабатывания устройств микропроцессорной релейной защиты совпали с интенсивным и продолжительным нарастанием (или снижением) скорости изменения компонентов геомагнитного поля.

Анализ неправильного срабатывания релейных защит при вариациях геомагнитного поля

Условия неправильного срабатывания релейных защит

По результатам численного дифференцирования с шагом табулирования минут были сформулированы три условия, одновременное выполнение которых совпадает с неправильными срабатываниями устройств релейной защиты и автоматики:

1. Неправильные срабатывания микропроцессорных релейных защит происходят при значительном увеличение амплитуд одной или нескольких компонентов геомагнитного поля до значений, соответствующих их эталонным значениям при больших геомагнитных бурях в соответствии с [6].

2. Функция скорости изменения одной или нескольких компонентов геомагнитного поля (как скорость нарастания, так и скорость снижения) в период, предшествующий срабатыванию защиты, должна иметь экстремумы, которые превышают критическое значение функции на продолжительном интервале. геомагнитное поле микропроцессор релейный

3. Суммарная продолжительность экстремумов скорости изменения дифференцируемой компоненты геомагнитного поля должна быть не меньше принятого шага табулирования (в нашем случае 10 минут).

Пример выполнения условий неправильного срабатывания микропроцессорной релейной защиты представлен на рисунке 1.

Неправильное срабатывание микропроцессорной релейной защиты объекта произошло в 06 часов 21 минуту 28.11.2013 года. В это время по данным [7] была отмечена умеренная геомагнитная буря, характеризующаяся превышением компонентой эталонной для этого типа бурь величины 91 нТл. На рисунке 1 можно выделить три продолжительных, следующих друг за другом экстремума функции на интервале от 05 часов 35 минут до 06 часов 16 минут, которые превышали средневзвешенное значение функции 2,5 - 4,5 раза и имели продолжительность от 7 до 13 минут. Наибольшая скорость изменения компоненты была рассчитана в период с 05 часов 58 минут до 06 часов 16 минут, т.е. за три минуты до неправильного срабатывания защиты.

Рис. 1. Расчетные значения скорости изменения компонентов геомагнитного поля от 28.11.2013 г.

Плотность графика вариаций компонентов геомагнитного поля

Ввиду того, что условия 1, 2 и 3 были сформулированы как результат числового эксперимента и представлены в графическом виде, они дают лишь качественную зависимость между вариациями геомагнитного поля и неправильными срабатываниями релейной защиты. Для формирования аналитической зависимости, которая в своей дальнейшей разработке и развитии могла бы быть использована при прогнозировании неправильной работы релейной защиты, введем понятие плотности графика вариаций компоненты геомагнитного поля .

Обозначим символом любую заданную таблично компоненту геомагнитного поля. Тогда функция - это скорость изменения рассматриваемой компоненты , которая таблично представлена конечным множеством значений, каждое из которых соответствует конкретному моменту времени . Из рассматриваемого множества выделим значения функции , которые выше критического значения функции на интервале времени большем или равном шагу табулирования. Для этого интервала времени определим средневзвешенное в пределах принятого шага табулирования значение скорости.

Плотность графика вариаций компоненты геомагнитного поля будет иметь вид

(1)

Плотность графика вариаций компоненты геомагнитного поля лежит в пределах и оценивает продолжительность экстремума функции скорости вариаций рассматриваемой компоненты геомагнитного поля.

Таким образом, выражение (1) объединяет приведенные выше условия 2 и 3, которые характеризуют скорость изменения компонентов геомагнитного поля.

При и значительном увеличении амплитуды хотя бы одной компоненты геомагнитного поля (обязательно одновременное выполнение условия 1, т.е. значения компонентов геомагнитного поля должны соответствовать магнитной буре) возможна неправильная работа микропроцессорных релейных защит. При стремлении неправильная работа микропроцессорных релейных защит маловероятна.

Средневзвешенное значение функции, заданной таблично, можно определить на интервале времени следующим образом:

(2)

где - дискретные значения ( значений в пределах шага табулирования ) функции, заданной таблично.

Тогда выражение (1) на шаге табулирования примет вид:

(3)

Применительно к графику скорости изменения компонентов геомагнитного поля, приведенному на рисунке 1, выражение (3) для графика вариаций компоненты геомагнитного поля на интервале от 05 часов 35 минут до 06 часов 16 минут дает величину плотности вариаций .

Заключение

Авторами работы предпринята попытка связать неправильные срабатывания микропроцессорных релейных защит с вариациями геомагнитного поля.

Предложенная методика оценки влияния вариаций геомагнитного поля на работу микропроцессорных релейных защит основывается на определении интенсивности и продолжительности вариаций геомагнитного поля в период магнитных бурь.

Методика может быть положена в основу математических моделей и методов прогнозирования влияния геомагнитных вариаций на надежность работы устройств микропроцессорных релейных защит. Предполагаемый метод прогнозирования представлен на рисунке 2. Такое прогнозирование позволит предотвратить развитие тяжелых аварий и функциональных нарушений в электроэнергетических системах при ожидаемых всплесках геомагнитного поля.

Рис. 2. Расчетные значения скорости изменения компонентов геомагнитного поля от 28.11.2013 г.

Список литературы

[1] Авакян С.В. Влияние магнитных бурь на аварийность систем электроэнергетики, автоматики и связи [Текст]/ Воронин Н.А., Дубаренко К.А. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2012. - № 154-2. - С. 253-266.

[2] Водяников, В.В. Наведенные токи в линиях электропередач по данным геомагнитных вариаций / В.В. Водяников, Г.И. Гордиенко, С.А. Нечаев, О.И. Соколова, С.О. Хомутов, А.Ф. Яковец //Геомагнетизм и аэрономия. 2006. - Т.46, №6. - С. 853-858.

[3] Гуревич В.И. Проблема электромагнитного воздействия на микропроцессорные устройства релейной защиты. Часть 1. [Текст] //Компоненты и технологии. - 2010. - №2. - С. 80-81.

[4] Гуревич В.И. Проблема электромагнитного воздействия на микропроцессорные устройства релейной защиты. Часть 2. [Текст]//Компоненты и технологии. - 2010. - №3. - С. 91-93.

[5] Гуревич В.И. Проблема электромагнитного воздействия на микропроцессорные устройства релейной защиты. Часть 3. [Текст]//Компоненты и технологии. - 2010. - №4. - С. 91-96.

[6] Данные по составляющим магнитного поля Земли [Электронный ресурс] // Институт земного магнетизма, ионосфера и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова - Режим доступа: http://www.izmiran.ru/magnetism/lmki/magdata/magdata.

[7] Мировая сеть одноминутных геомагнитных данных [Электронный ресурс] // Институт земного магнетизма, ионосфера и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова - Режим доступа: http://serv.izmiran.ru/webff/magdb_all.html.

Размещено на Allbest.ru