В Тольятти ученые разработан метод защиты силовых трансформаторов

Ученые Тольяттинского государственного университета (ТГУ) предложили систему мониторинга и защиты силовых трансформаторов для предотвращения аварий и повышения надежности электрических сетей.

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 тольяттинском вузе 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 годах 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 старого, отработавшего нормативный срок эксплуатации, и это одна из причин такой неприятной статистики, - пояснила 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 землей протяженные 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.

Исследования ученых 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 вуза уверены: в России давно пора принять соответствующие стандарты и внедрить методы защиты трансформаторов от геомагнитных бурь.

В своем исследовании ученые 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.

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, чтобы быстро реагировать на опасные ситуации.

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 партнеров.