保护电力系统的电气设备免受高空(超过30公里)核爆炸(HEMP)冲击是一个具有挑战性的问题,直到最近还没有得到适当的重视。事实上,HEMP对人体没有直接影响,而爆炸产生的电磁脉冲对电网的电子和供电设备是一个强大的破坏性因素。由于电力工业是任何国家基础设施的基础,因此HEMP的这种特性对军方来说非常有吸引力。
已知HEMP由三个成分组成:E1、E2和Е3。由于核爆炸后电离层中发生了一整套复杂的物理效应,它们在性质和规格方面彼此有很大的不同。例如,E1分量代表一个短单脉冲(2.5/25 ns),在地面产生非常高的电场强度(50 kV/m),相反,E3分量是一个非常缓慢的振荡过程,频率小于0.1 Hz,电场强度低(高达85 V/km)[3],持续几分钟。E2组件在其影响方面非常类似于闪电,因此已经设想了该设备的保护。
本文讨论了电网电力设备对HEMP的E3组件的保护。
E3对电力设备的影响
在85v /km这样的低电场强度下,保护慢电磁振荡的问题似乎被夸大了,然而这只是乍一看是正确的。事实上,这些电磁振荡是在许多公里长的架空输电线路中引起的,并通过极低阻抗回路关闭,例如接地系统(图1)。因此,振幅为数十安培和数百安培的地磁感应准直流电(GIC)可能通过电力变压器的中性导体。这导致变压器铁心的快速饱和,从而降低其阻抗。同时,流经其绕组的工作电流会增加,导致变压器过热。在北半球(加拿大和美国),太阳风暴引起的地磁感应电流造成了类似的影响,导致强大的电力变压器线圈爆炸,耗资数百万美元。除了这种变压器的高成本,其他问题还包括这种设备的长期制造和复杂的运输到使用地点。这就是为什么这种变压器故障代表了电力系统的紧急情况,需要付出昂贵的努力来防止它们在未来发生。
的SolidGroundTMABB公司推出的装置是为了阻塞电力变压器中性导体中的GIC (图2).
图2显示该设备是一个昂贵的(超过30万美元[5])高压装置,需要足够的空间安装在变电站现场。最初,这种设备是为了在可能持续数小时的严重太阳风暴期间阻止GIC而开发的。后来,它被推广为阻断HEMP E3组分的主要药物[4,6],仅持续几分钟。然而,这种差异在技术文献中从未被提及。另外,开发人员(为了推广这种昂贵的设备)建议太阳风暴的GIC和HEMP诱导的GIC几乎没有区别,例如[7]:
- “…针对电力系统中GIC的缓解方案也适用于缓解核EMP E3事件”。
- 2008年EMP委员会报告指出,“为减轻E3威胁而采取的措施也将同时减轻来自自然环境的威胁”。
- “SolidGround™中性封堵装置(NBD)的EMP模型能够抵御更高的EMP E3水平……已经设计、测试并投入使用。”
E3分量场强:85v /km是一个接近最大值的值,这取决于多种外部因素(变压器的地理位置和架空输电线路,接地系统电阻、土壤特性、变压器铁芯的设计等),因此变压器中性导体中的GIC不一定等于数百安培。几十安培的电流通过,几分钟不足以让一个装有数吨钢、铜和油的大型电力变压器加热到危险的温度。
这是否意味着问题不存在,我们可以忽略大多数情况下E3组件影响的GIC ?这一结论是由著名的电力研究所(EPRI)[8]的作者得出的。但必须承认,EPRI关于HEMP对电网电气设备影响的结论遭到了相关专家的严厉批评。
然而,对电力变压器的HEMP保护进行重大投资的可行性仍然需要解决。应该记住;(i)高振幅GIC发生的概率仍然存在(在外部参数和条件的特定组合下);(ii)饱和磁芯的电力变压器是电力系统产生谐波的强大来源(图4).这些谐波会对电力系统中许多类型的电气设备产生负面影响,例如纵向和横向电容补偿的电容器组,继电保护装置等。
另一个问题是,当GIC冲击电力变压器时,电网中的无功功率会急剧损失,电压会进一步急剧下降。因此,电力系统的稳定性受到损害,可能导致其崩溃。
预测或评估特定电网在E3冲击下的行为是非常困难的,但在考虑可能的破坏时,采取预防措施是值得的。这些措施是什么?除了ABB提供的极其昂贵和笨重的设备,还有其他解决方案吗?
问题的建议解决方案
上述问题(保护电网电气设备不受HEMP E3分量的影响)的解决方案是基于太阳风暴时发生的GIC和高空核爆炸时发生的GIC的区别。该解决方案早在2011年作者就提出了[11,12]。它背后的想法涉及到电力变压器的短期自动断开(由hemp - protection继电器在感应中性导体中的GIC时实现),并在几分钟暂停后(即E3冲击结束时)进一步自动恢复运行。利用作者研制的专用电子继电器实现了该解决方案。该继电器适合大规模使用,便于在电力系统中实现。保护继电器包括设计为便携式电流互感器的GIC传感器,放在电缆上,接地变压器中性点和一个特殊的继电器,它对来自GIC传感器的信号作出反应。该设备还包括一个通过GIC模拟直接在安装点定期测试保护继电器可用性的测试仪。
不幸的是,市场上可用的GIC传感器的选择非常有限。生产这些设备的公司很少,例如:Dynamic Ratings (GIC-4), Weidmann electric Technology Inc. (InsuLogix), Advanced Power Technology (Eclipse HECT), Ohio Semitronics, Inc. (GIC-051D)。在分析技术规格和进行成本比较后,俄亥俄semitonics公司选择ic - 051d作为市场上所有可用设备中最合适的,同时也是最便宜的设备(约700美元),如图5。
该传感器放置在电缆上,接地变压器中性,并仅在0到50 A的情况下提供0到10 V输出电压,该电缆中发生任何方向的0 -1.5 Hz准直流电流(即它不响应50 Hz交流电流)。传感器可承受电缆中高达8ka的短路电流而不损坏。传感器的公差是全电流额定值的0.5%(本设计为0.25 A)。传感器连接到作者研制的改进可靠性保护继电器的输入端(图6)
电子继电器原型(图7),由作者自行构建并进行了测试。
在电网正常运行模式下,只有交流电能通过电缆接地电源变压器线圈的中性点“wye”连接。高空核爆炸将在电缆中产生一个直流电分量(E3分量),它在传感器输出端产生与GIC-051D传感器输入端电流成比例的电压。如果电流值超过20A,传感器的输出电压将高到足以打开晶闸管VS1。它的开启阈值被设定为常数,无法通过任何可能影响继电器可靠性的调谐元件进行调整。该阈值由R2电阻器值决定,并在继电器制造过程中设置。
晶闸管VS1的打开触发两个平行触点的电磁继电器(K1和K2)。第一对触点通过变电站的辅助继电器控制高压断路器的跳闸线圈(断开变压器),而第二对则分流可控硅VS1,保护其免受通过电流过热的影响,并防止在上述电缆的电流激增期间继电器的多次驱动和释放。几分钟后(即E3组件冲击结束后),变电站上的自动重合闸系统将使变压器恢复运行状态。该系统通过辅助定时器对GIC保护继电器的电源进行短时中断。这种短期的电源中断足以使GIC保护继电器恢复到初始状态,即进入待机模式。
印刷电路板两面涂有两层优质防水清漆,置于密封的铝容器中,保证了电路对HEMP E1组件的保护。传感器也放置在类似的屏蔽容器中。然后电路通过屏蔽电缆连接到外部电路。
继电器可用性定期测试测试仪
如上所述,电力变压器是供电系统的主要组成部分。因此,其保护系统的可靠性是至关重要的。为了确保GIC保护继电器的可用性,需要定期对其进行测试。专用便携式测试仪(图8而且9)是笔者自行研制和建造的,用于对变压器中性点接地线上的保护继电器进行定期的适用性测试。
该测试仪由1节6 V, 12 A/h电池供电。测试样机中电池的电流(约25 A)受两个100 W 0.1欧姆电阻R1和R2串联的限制。提供这种功率余量是为了防止电阻发热和电阻变化(即测试仪在操作过程中的输出电流)。测试表明,安装在铝板上的一个100 W 0.2欧姆电阻就足够了。测试仪的输出电流被提供给一根柔性电缆L,该电缆由绝缘铜线制成,放置在ic - 051d传感器的窗口中用于测试(图9)。
该测试仪可采用两级输出电流进行升级。下级用于检查GIC保护继电器在电流值略低于其跳闸阈值时的动作是否失败,上级用于检查GIC保护继电器在电流值略高于其跳闸阈值时的动作。此升级可通过使用额外的双极拨动开关(S3)实现,其开关触点设计为20a(参见中虚线)图9).
结论
上述装置解决了保护电力变压器(电力供应系统的主要部件)不受HEMP影响的问题,并避免其对电网的影响。这些设备设计非常简单,价格低廉,适合大规模生产。有了这套设备,就完全解决了HEMP对电源变压器的冲击问题。
参考文献
V.变电站关键设备对故意电磁威胁的保护。——Wiley, 2017。- 228 p。
Gurevich V.保护电气设备:防止高空电磁脉冲冲击的良好实践。——德·格鲁伊特,柏林,2019年。- 386 p。
[3]关键基础设施推荐E3 HEMP升鼓电场波形。-美国电磁脉冲(EMP)攻击威胁评估委员会报告,2017年。
[4] SolidGround™中性阻滞剂是最有效和经济的解决方案,以保护电网免受杂散直流,太阳风暴(GMD)和核EMP E3 - http://www.emprimus.com/solidground
[5]电力世界电网建模与GIC和中性阻塞。——2013年1月22日,在2013年电力世界客户大会上的演讲。
[6] SolidGroundTM电网稳定系统地磁暴感应电流(GIC)和电磁脉冲(EMP) E3保护。- ABB公司高压产品,2012。
Faxvog f.r., Fuchs G., Jensen W., end等。高压电力变压器中性点阻塞装置(NBD)在威斯康星州的运行经验。-第53届明尼苏达电力系统年会(MINPSYCON),明尼苏达大学,2017年11月7日至9日。
美国大陆电网磁流体动力学电磁脉冲评估。-报告EPRI号3002009001,2017年2月。
[9]地磁扰动相关谐波分析。-报告EPRI号3002002985,2014年3月。
[10] IEEE Std. 519 - 2014。IEEE电力系统谐波控制推荐实践和要求,2014。
Gurevich V.电力变压器也受到太阳的影响-电力市场,2011年第5期,第48 - 51页(rus)。
V.电力变压器对地磁感应电流的保护。-塞尔维亚电气工程杂志,2011年第8卷第2期,第333 - 339页。
Horton R.保护电网免受电磁脉冲或地磁干扰的展望。-美国参议院国土安全和政府事务委员会听证会,2019年2月27日。