Новини електротехніки №4 (82), магнітосферні впливу

магнітосферні впливу

Валентин Сушко,
доцент кафедри ТОЕ і РЗА, Чуваська ГУ

Дмитро Косих, керівник відділу розробки пристроїв, ВАТ «ВНІІР»

геомагнітний шторм
Загроза національній безопасностіУкаіни

Погрозами для сучасної цивілізації до теперішнього часу вважалися:

третя світова війна із застосуванням ядерної зброї (можлива в будь-який момент);
падіння на Землю великого небесного тіла типу астероїда «Апофіс» (поки ця подія не може бути попереджено людством, але очікується не раніше 2033. г.).

Нещодавно була озвучена нова загроза - геомагнітний Супершторм по сторічного сценарієм [1-3], в результаті якого в значній кількості країн можуть вийти з ладу ЕЕС через пошкодження основних трансформаторів, а також частини генераторів і джерел реактивної потужності.

За своїми руйнівними наслідками ця загроза порівнянна з загрозою Третьої світової війни. Причому вони мають взаємний зв'язок і можуть доповнювати один одного.

Справа в тому, що третя світова війна може статися через переділ світових природних ресурсів. Деякі вважають, що вона вже йде (вторгнення США і країн НАТО в Іраку, сил НАТО - в Лівію, передбачуваний удар по Сирії), хоча поки і без застосування ядерної зброї.

ДМШ І ГЕОПОЛИТИКА

ДМШ по сторічного сценарієм завдасть удар перш за все по ЕЕС і інфраструктурі тих країн, які не готувалися до ефективного відбиття впливу ДМШ на їх ЕЕС, і може викликати в цих країнах руйнування інфраструктури, хаос і деморалізацію населення. Менше постраждають від ДМШ по сторічного сценарієм ті країни, які готувалися до відбиття руйнівного впливу ДМШ на їх ЕЕС, і, можливо, ті країни, територія яких знаходиться нижче 50 ° -40 ° паралелі північної та південної геомагнітної широти, де впливу ДМШ ослаблені [2 ], а також країни з нерозвиненою електроенергетикою.

Держави, які вкладають кошти в розробку заходів протидії ДМШ по сторічного сценарію, можуть отримати стратегічну перевагу перед тими країнами, які цього не роблять і тим самим значною мірою послаблять себе після впливу суперГМШ. Причому останні, якщо вони мають у своєму розпорядженні значними природними ресурсами, можуть стати легкою здобиччю перших навіть без застосування проти них ядерної зброї, тому що не зможуть організувати гідний опір в умовах, які виникнуть в результаті ДМШ.

Ще один важливий момент полягає в тому, що вартість військових дій із захоплення чужих природних ресурсів після суперГМШ для тих, хто задумав цей переділ, може бути в багато разів нижче, а власні втрати менше, ніж при веденні світової війни із застосуванням ядерної зброї.

Але в ряді держав цю ситуацію, можливо, не розуміють або не хочуть розуміти. У їх число входить і Україна.

МОЖЛИВІ НАСЛІДКИ ДМШ ДЛЯУкаіни

ЕлектроенергетікаУкаіни після її реформування є найбільш деградуючою галуззю в країні - так вважають численні експерти, підкреслюючи, що практично жодна з цілей, заявлених при реформуванні електроенергетики, які не досягнута.

В результаті впливу майбутнього ДМШ по сторічного сценарієм Україна може опинитися яка найбільше постраждала від знищення великої частини основного електроенергетичного обладнання, подальшого руйнування промислового потенціалу країни і систем життєзабезпечення. Наслідки екстремального ДМШ дляУкаіни поки не прораховувалися, тому що для цього потрібне проведення серйозної дослідницької роботи.

Як вказувалося в [3], офіційні структури вУкаіни взагалі не приділяють уваги проблемі впливу екстремального ДМШ на ЕЕС країни і на її інфраструктуру. Вплив наведених геомагнітних індукованих струмів (ДІП) при ДМШ не враховується ні в старих, ні в нових «Правилах розслідування причин аварій в електроенергетиці» в якості кваліфікованих причин, включених в правила з розслідування технологічних порушень.

Дослідження по впливу ДМШ на обладнання ЕЕС ведуться з 1986 р тільки в Кольському науковому центрі РАН в межах ЕЕС Північно-Заходу [3]. На жаль, результати досліджень та досвід роботи КНЦ РАН не використовуються для ведення робіт з протидії руйнівному впливу ДМШ на ЕНЕСУкаіни.

Таким чином, за всіма перерахованими пунктами аварійні і післяаварійні умови при впливі на ЕЕС екстремального ДМШ по сторічного сценарієм вУкаіни значно гірше, ніж в США.

Для США розрахункові втрати після ДМШ по сторічного сценарієм складуть, за даними Metatech Corporation, 365 вийшли з ладу найпотужніших ТР надвисокої напруги (СВН) [1, 5]. 130 млн осіб (близько 40% жителів) позбудуться електропостачання на термін до 8-10 років і мільйони людей загинуть в результаті руйнування інфраструктури країни. Відзначимо, що в даний час в США розглядається закон про заходи протистояння впливу геомагнітних штормів на електроенергетичні та трубопровідні системи.

ВУкаіни без тривалого електропостачання може залишитися, оціночно, не менше 60% населення, а термін відновлення електропостачання може вдвічі перевищити американський, тому що в країні немає власного виробництва надпотужних ТР. Можливе розморожування систем тепло- і водопостачання житлових будинків може поставити десятки мільйонів людей на грань гуманітарної катастрофи. ВУкаіни слід також врахувати можливість аварій на хімічних і металургійних виробництвах і вибухів на різних заводах через можливе повсюдного припинення газопостачання резервних джерел електропостачання.

Збиток від майбутнього ДМШ по сторічного сценарієм в США оцінюється в 1-2 трлн. доларів в перший рік і на повне відновлення всієї економіки протягом 4-10 років [5]. ВУкаіни збиток від майбутнього ДМШ може скласти 60 трлн руб тільки в перший рік.

ІНФОРМАЦІЙНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Особисті бесіди з рядом фахівців в області релейного захисту та автоматики енергосистем показали, що серед них є нерозуміння всієї небезпеки прийдешнього екстремального ДМШ. Деякі вважають сумнівним, що відносно слабкі наведення при ДМШ можуть спалити ТР. При цьому вони не беруть до уваги, що ТР в цій ситуації працює як специфічний магнітний підсилювач, у якого обмотка надвисокої напруги є обмоткою управління, по якій протікають ГИТ. Обмотка, наприклад, генераторного напруги є робочою обмоткою, по якій протікає намагнічує струм з амплітудою до 5-6 номінальних струмів.

ТР «спалюється» генератором, який в кінцевому рахунку пошкоджується і сам. Коефіцієнт посилення по струму такого «магнітного підсилювача» може доходити до декількох сотень, а генератор виявляється навантаженим опором, близьким до Zкз ТР.

НЕОБХІДНІ ЗАХОДИ

Головне завдання електроенергетики вУкаіни сьогодні - убезпечити найбільш потужні ТР від руйнування при суперГМШ. І це завдання, як видається, не така вже й складна, якщо космос дасть нам ще якийсь час. Треба терміново замінити захисту у 300-400 найбільш потужних ТР, змінивши логіку дії блокування від кидків струму намагнічування. Необхідно відрізнити кидок струму намагнічення від протікання ГИТ.

Для цього слід при перевищенні уставки по струму гармонік, фіксувати суммирующим таймером час дії цих гармонік на заданому відрізку часу. Як тільки час наявності даного рівня гармонік (2-й і 5-й) перевищить задану для ТР уставку (наприклад 50-60 с), блокування по гармоникам знімається і диференційний захист відключає ТР. Необхідно ввести змінну уставку блокування по току гармонік, щоб захист блочного ТР одночасно захищала від перегріву і руйнування генератор, тому що створення теплової моделі ротора і статора генератора і його захистів при перевантаженні парними і непарними гармоніками аж до 50-ї в даний час зустрічає великі труднощі.

Досвід минулих ДМШ показав, що генератори можуть частково або повністю пошкоджуватися раніше, ніж блокові ТР, в тому числі за рахунок вихрових струмів, викликаних високими гармоніками зворотного і прямої послідовності.

Ціна такого технічного рішення - 1-1,5 млрд руб. Більшу частину коштів для модернізації захистів ТР повинні, очевидно, заплатити приватним власникам електростанцій і мереж. Однак вони можуть блокувати будь-які вимоги СО ЄЕС, посилаючись на ст. 13 Закону «Про електроенергетику», який фактично віддає перевагу приватним інтересам в порівнянні з інтересами суспільства і держави в цілому. Так, приватні власники енергоактивів відмовляються надавати відомості про аварійність на своїх об'єктах, посилаючись на комерційну таємницю [8], що блокує можливість розробки протиаварійних циркулярів і роботи по забезпеченню надійності роботи ЕНЕС.

До приватним власникам енергоактивів закон «Про електроенергетику» не пред'являє вимог по відшкодуванню збитку при аварійному Недовідпуск електроенергії. Збиток від аварійного недоотпуск 1 кВт • год електроенергії за розрахунками, виконаними в Європі і США, в 86 разів перевищує ринкову вартість 1 кВт • год [5].

Інтереси приватних власників енергоактивів цілком спрямовані тільки на отримання максимального прибутку, причому часто на шкоду інтересам як населення, так і самої держави.

Наведемо лише два приклади.

Середня вартість 1 кВт • год електроенергії для населення вУкаіни перевищує ціну за кіловат в США більш ніж на 20%. При цьому зарплати вУкаіни і в США непорівнянні. Не будемо уточнювати наскільки, але співвідношення буде явно не на нашу користь.

Відповідь чиновників був простий: «У Китай ми поставляємо електроенергію за оптовою ціною, а населення Біла Церква краю платить за роздрібною ціною». Тобто роздрібна надбавка до оптової ціни становить не 20-25%, як це прийнято у всьому світі, а 350%. Такий підхід ми називаємо ринковими відносинами в електроенергетиці?

ТЕХНІЧНА СКЛАДОВА ВИРІШЕННЯ ПРОБЛЕМИ ПРОТИДІЇ ДМШ

До однієї з термінових заходів слід віднести найбільш доступну - установку моніторів, що вимірюють асиметрії напруги на шинах СВН між позитивним і негативним піками форми хвилі напруги. Це вимір еквівалентно вимірюванню друге гармонік в спотвореному сигналі напруги.

Є пряма кореляція між ГІТ і другий гармонікою в формі хвилі напруги [5]. Такий захід може використовуватися системними операторами, якщо неможливо терміново встановити датчики постійного струму в нейтралів ТР для зменшення навантаження в мережі на початку ДМШ. Надалі необхідно встановити датчики постійного струму в нейтралів ТР ВН і НВН.

Що застосовується в США включення резисторів 2-5 Ом в нейтрали ТР при загрозі ДМШ, шунтіруемой в нормальному режимі вимикачем навантаження [6], очевидно, ефективно при ДМШ десятирічного сценарію. Однак таке рішення неефективно при ДМШ по сторічного сценарієм, коли ЕРС, наведена на поверхні землі вздовж траси ЛЕП, може становити від декількох сотень до декількох тисяч вольт.

Що застосовується в США включення в нейтрали ТР конденсатора (необхідна для мережі з частотою 50 Гц ємність близько 80 мкФ) з швидкодіючим шунтуванням вимикачем з дросельної котушкою і резистором демпфірування в разі системних перехідних процесів є досить дорогим заходом і в зв'язку з цим в доступному для огляду майбутньому вУкаіни навряд чи здійсненним.

Крім того, при установці конденсаторів в нейтралів ТР необхідно виключити можливість ферорезонансу в мережі і лінійного гармонійного резонансу, а також передбачити в комутаційних схемах можливість їх відмов.

У якості одного із заходів протидії ГИТ можна розглянути використання між нейтраллю ТР з одного боку ЛЕП і землею іскрового проміжку з каліброваного вставкою і послідовно з ним включеного трансформатора струму для видачі команди на включення швидкодіючого шунтирующего вимикача нейтралі ТР на землю в разі пробою іскрового проміжку при перенапруженнях в мережі. У нормальних режимах (при відсутності загрози ДМШ) вимикач закорачивает нейтраль ТР на землю. Напруга пробою іскрового проміжку має бути відбудовано з коефіцієнтом запасу від напруги при протіканні найбільших ГИТ по обмоткам ТР.

ВУкаіни необхідно найближчим часом переглянути технічні вимоги до силових трансформаторів, генераторів, синхронних компенсаторів і іншими джерелами реактивної потужності, а також до реакторів поперечної компенсації зі сталевими сердечниками з урахуванням впливу на них ГИТ.

При розрахунку провідності верхніх шарів Землі і магнітотелуричних зондуванні на особливу увагу заслуговує зона Александріяой магнітної аномалії і району Александріяой АЕС, тому що напруженість магнітного поля Землі там в 4 рази перевищує середню, що загрожує високими рівнями наведених електричних полів при екстремальній ДМШ і загрозою аварії на Александріяой АЕС в разі згоряння її блокових ТР навіть при ДМШ по десятирічному сценарієм.