Как спасти энергосети от последствий магнитной бури

Магнитные бури способны выводить из строя силовые трансформаторы и оставлять без света целые регионы. Это давняя проблема, а самый громкий случай произошёл в 1989 году в канадской провинции Квебек: мощная геомагнитная буря на 9 часов оставила без электричества 6 миллионов человек. Полное отключение энергосистемы вызвали геоиндуцированные токи (ГИТ), которые наводятся в длинных линиях электропередачи и попадают в обмотки силовых трансформаторов. Эти токи имеют частоту намного ниже стандартных 50 герц, практически эквивалентны постоянному току и не предусмотрены в системах защиты российских электросетей.

В Тольяттинском госуниверситете это явление активно изучают. Год назад на Международной научно-практической конференции «Электротехника, электроника и управление в электротехнических системах: тренды, технологии, исследования» (ICEE-2025) доктор технических наук, профессор Вера Вахнина представила развёрнутый доклад о масштабах угрозы и необходимости защиты высоковольтных трансформаторов от геомагнитных воздействий. Сейчас учёные представили готовое техническое решение, разработанное при участии АО «Россети Научно-технический центр». На его основе можно спроектировать и собрать систему мониторинга ГИТ для энергосетей страны.

– Мы не просто говорим «нужно защищать трансформаторы», – поясняет один из авторов работы, главный научный сотрудник лаборатории «Моделирование электрофизических процессов» ТГУ, доктор технических наук Алексей Кувшинов. – Мы определили, в каких узлах электрической сети токи достигают опасных значений, какие трансформаторы уязвимы в первую очередь, какие датчики нужно устанавливать и какие критерии использовать, чтобы вовремя заметить насыщение магнитной системы. Это готовые требования для проектировщиков и энергетиков.

Учёные математически доказали, что опасность ГИТ зависит не только от силы магнитной бури, но и от топологии сети – того, как проложены линии электропередачи относительно направления геоэлектрического поля. На основе этого выделены критические узлы: тупиковые подстанции, а также узловые и проходные подстанции с резким изменением направления линий. Именно там необходимо устанавливать датчики в первую очередь.

После аварии 1989 года образцовой считается система мониторинга ГИТ в энергосистеме Hydro-Quebec. Однако учёные Тольяттинского госуниверситета доказали, что канадский подход не учитывает «фоновые» искажения тока в нейтрали трансформатора – в российских сетях они могут достигать сотен ампер, что маскирует картину и мешает вовремя заметить опасное насыщение. Специалисты предложили собственные критерии обнаружения опасного режима: появление чётных гармоник в фазных токах и рост шестой гармоники в токе нейтрали. Это позволяет надёжно отличить аномалию, вызванную магнитной бурей, от обычных эксплуатационных искажений.

Также в работе сформулированы требования к измерительному оборудованию. Датчики должны работать в частотном диапазоне от 0 до 0,1 герца, выдерживать токи короткого замыкания до 30 килоампер и при этом точно измерять слабые геоиндуцированные токи величиной от 10 ампер. Учёные ТГУ обосновали и выбор измерительных преобразователей прямого усиления – они более надёжны в российских условиях, чем компенсационные аналоги, используемые за рубежом.

– Силовой трансформатор – штучное изделие, – отмечает Алексей Кувшинов. – Если он выйдет из строя, замена может занять полтора года. Ущерб от аварии в Квебеке сегодня составил бы несколько миллиардов долларов. Наша система мониторинга позволяет диспетчеру видеть не просто абстрактные токи, а понятную индикацию: зелёный – всё нормально, жёлтый – внимание, красный – трансформатор в опасной зоне. Это даёт время на принятие решения: снизить нагрузку или отключить оборудование до того, как произойдёт повреждение.

Разработка учёных ТГУ может быть интегрирована с существующими автоматизированными системами управления электросетями. Она уже прошла апробацию на модели Объединённой энергетической системы Центра России и готова к внедрению на объектах напряжением 220 киловольт и выше.

Исследователи описали свою методику в статье, опубликованной в журнале «Электротехника» №2 за 2026 год. Это один из старейших российских научно-технических журналов в области электротехники и энергетики. Выходит в США на двух языках – русском и английском, индексируется в базе данных Scopus.