В ТГУ разработан метод защиты силовых трансформаторов

Одним из известных источников природных электромагнитных воздействий являются геомагнитные бури, которые вызывают изменения в магнитном поле Земли. При этом в длинных проводах воздушных линий электропередачи индуцируются дополнительные токи – геоиндуцированные. Эти токи могут перегружать и повреждать оборудование, особенно силовые трансформаторы, приводя к авариям и сбоям в работе электросетей.

Проблемами защиты электросетей от последствий электромагнитных явлений в Тольяттинском госуниверситете занимается научный коллектив кафедры «Электроснабжение и электротехника» института химии и энергетики. Руководит кафедрой доктор технических наук, профессор Вера Вахнина.

– По данным ПАО «ФСК ЕЭС», в 2010-2022 гг. в электрических сетях высокого напряжения (220 кВ и выше) происходило около 1,5–3,5 тысяч аварий в год, нанося ущерб на сумму от 340 до 760 млн рублей ежегодно. При этом среднее за год время ликвидации аварийного режима довольно существенно выросло, в частности, в 2011 году оно составляло 7 часов 35 минут, в 2020 году – уже 15 часов 40 минут. Вероятно, несмотря на ввод нового оборудования, увеличивается доля оборудования старого, отработавшего нормативный срок эксплуатации, и это одна из причин такой неприятной статистики, – поясняет Вера Вахнина.

Кроме того, последствия аварийных отключений в высоковольтных электрических сетях могут усиливаться из-за природных электромагнитных воздействий – повышенной геомагнитной активности, разрядов молний. Они вызывают на поверхности земли геоиндуцированные токи (ГИТ) низких частот, которые втекают в гальванически связанные с землёй протяжённые электрические сети.

– Их частота намного меньше номинальной частоты переменного тока 50 Гц, принятой в России, то есть ГИТ практически эквиваленты постоянным токам, защита от которых электросетевого оборудования в нашей стране не предусмотрена. Возникнув в проводах электросетей, такие токи способны вызвать перегрузку и повреждения силовых трансформаторов, что приводит к аварии, – говорит Вера Вахнина. – При этом масштабные отключения электричества могут происходить даже при геомагнитных возмущениях умеренной интенсивности.

В 1989 году в Канаде из-за геомагнитной бури более чем на 9 часов отключилась энергосистема Гидро-Квебек, и миллионы людей остались без электричества. После этого случая в Северной Америке начали активно следить за ГИТ и принимать защитные меры – устанавливать на силовых трансформаторах специальные устройства – блокираторы для предотвращения протекания ГИТ.

Исследования учёных Тольяттинского госуниверситета показали высокую вероятность развития системной аварии при повышенной геомагнитной активности не только для высокоширотных регионов, но и для электроэнергетической системы Центра России. Выяснилось, что применяемые в электрических сетях переменного тока современные микропроцессорные устройства релейной защиты от перегрузок и коротких замыканий при протекании геоиндуцированных токов не срабатывают. Специалисты ТГУ уверены: в России давно пора принять соответствующие стандарты и внедрить методы защиты трансформаторов от геомагнитных бурь.

В своём исследовании учёные выяснили, от каких факторов зависит величина ГИТ и как именно такие токи влияют на работу силовых трансформаторов, после чего разработали новые технические решения по их защите, основанные на современных достижениях силовой электроники и микропроцессорной техники. 

– Для предотвращения аварий мы предлагаем, во-первых, создать по всей России сеть геофизического мониторинга, чтобы внимательно с отслеживать и регистрировать геомагнитную активность и связанные с ней токи. Во-вторых, на нейтралях трансформаторов в наиболее уязвимых местах электрической сети нужно установить специальные защитные устройства, – отмечает Вера Вахнина. – Как показала авария в Северной Америке, повреждение высоковольтных трансформаторов – это не только отключение электричества. В запасе таких трансформаторов нет, а время изготовления каждого – примерно 1,5 года, то есть, это очень серьёзная проблема. По нынешним ценам ущерб от аварии в Гидро-Квебеке составил бы несколько миллиардов долларов.

Работу таких трансформаторов также необходимо поставить на особый контроль, уверены специалисты, а выявление уязвимых мест в электросети они предлагают проводить с помощью компьютерного моделирования. Кроме того, необходима интеграция систем мониторинга и защиты с автоматизированными системами управления электросетями (АСУ ТП), чтобы быстро реагировать на опасные ситуации.

– Всё это позволит улучшить эффективность работы электросетей и значительно повысит надёжность их защиты, – уверена Вера Вахнина.

Результаты этой работы профессор ТГУ представила на Международной научно-практической конференции «Электротехника, электроника и управление в электротехнических системах: тренды, технологии, исследования» (ICEE-2025), организованной Консорциумом содействия развитию науки и технологий (AST Consortium) при участии международных партнёров. Представленные на конференции исследования будут включены в сборник материалов по её итогам и опубликованы в британском периодическом научном журнале «Journal of Physics: Conference Series» (индексируется в Scopus и Web of Science).

Также статья войдёт в книгу Recent Trends and Innovation in Electrical Engineering, Applied Electronics, and Control in Electrical Systems, которую планирует издать по материалам научно-практической конференции международное издательство Springer.