Zařízení k indikaci vlivu magnetických bouří na energetickou přenosovou soustavu

Oblast techniky

Vynálezem je zařízení k indikaci vlivu magnetických bouří na energetickou přenosovou soustavu.

Dosavadní stav techniky

Geomagnetická bouře je fyzikální jev, u něhož lze z astrofyzikálního hlediska dobře zkoumat jeho fyzikální podstatu. Několik hodin před jejím dopadem na Zemi lze predikovat její intenzitu a přibližně lze určit oblast na Zemi, na níž bouře zasáhne. Z hlediska lidských možností nelze průběh geomagnetické bouře ovlivnit, nebo dokonce ji zabránit. Vhodným zařízením však lze omezit, anebo zcela vyloučit její destruktivní vlivy na elektrickou přenosovou soustavu. Nejjednodušší ochranou výkonových transformátorů je řízení provozu elektrické soustavy tak, že těsně před vznikem geomagnetické bouře se vypne menší či větší část elektrické přenosové soustavy. V této oblasti elektrické přenosové soustavy tím dochází k jejímu řízenému kolapsu. Po odeznění geomagnetické bouře se elektrická přenosová soustava uvede do původního stavu. Touto operací se jednak zabrání případnému poškození výkonových transformátorů, jednak doba řízeného kolapsu je kratší než u přirozeného kolapsu elektrické přenosové soustavy, který by nastal bez uvedeného opatření. Nedostatkem této metody je porušení dodavatelsko-odběratelských vztahů mezi poskytovatelem a spotřebitelem a zpravidla z toho plynoucí nutnost úhrady ekonomických ztrát způsobených výpadkem dodávky elektrické energie, v důsledku řízeného kolapsu. Při nebezpečí poškození elektroenergetické soustavy magnetickou bouří mohou být zahájeny ochranné operace na základě informací o stavu zemské magnetosféry, získanými zpracováním dat z družicových sítí. Z těchto údajů lze přibližně predikovat lokalizaci na zemském povrchu, kterou zasáhne magnetická bouře a také její intenzitu. Mnohem přesnější a nesrovnatelně méně nákladné jsou údaje poskytnuté indikátory, popsanými v tomto patentním spisu. Indikátor je implementován do energetické soustavy a při ohrožení soustavy automaticky aktivuje-příslušná ochranná zařízení.

Přenos elektrické energie v elektroenergetické soustavě se děje venkovními vedeními zvláště vysokého napětí, tj. vvn, trojfázové soustavy, s uzemněným nulovým vodičem. Vodiče jsou složeny z nosného lana, tzv. duše lana, kolem kterého jsou v několika vrstvách elektrovodné dráty, tzv. plášť lana, viz obr. 5. Duši tvoří pozinkované ocelové dráty, zajišťují mechanickou pevnost vedení a brání natahování pláště. Plášť je z drátů z hliníkové slitiny, popřípadě z mědi. Kromě pláště z drátů kruhového průřezu se používají dráty lichoběžníkového průřezu, tzv. segmentované vodiče, viz. obr. 6., anebo dráty o průřezu tvaru Z, obr. 7. Tato lana mají jisté výhody, zejména mají lepší mechanické a tepelné vlastnosti a delší životnost.

Jednotlivé fáze vedení přenosové soustavy vvn obsahují několik paralelních lan AlFe, která jsou od sebe udržována v konstantní vzdálenosti. Jsou označovány jako svazkové vedení, Svazkové vedení má oproti jedinému lanu řadu výhod, zejména nižší ztráty koronou, větší proudovou zatížitelnost, nižší indukčnost vedení a snazší manipulační montážní práce (podrobněji viz [1]).

Magnetické bouře mají svůj původ ve slunečních erupcích. Při silné sluneční aktivitě dochází ke koronárnímu výronu hmoty, tj. CME (Coronal Mass Ejection), kdy do meziplanetárního prostoru vstupuje plazmoid, tj. oblak elektricky nabitých částic, zejména elektronů a kladně nabitých iontů. Zasáhne-li tento plazmoid zemskou magnetosféru-, interaguje s ní. To se projeví její deformací, a zemské magnetické pole a jeho časový průběh je zvlněný - hovoříme o magnetické bouři (podrobněji viz [2]). Působení magnetické bouře na přenosovou soustavu se projeví tím, že v soustavě se indukuje kvazi-stejnosměrné napětí a vodiči následně prochází kvazi-stejnosměrný proud. Ten se superponuje se střídavým proudem, který přenáší elektrický výkon (podrobněji viz. [3], [4], [5]). Kvazi-stejnosměrné napětí/proud jsou střídavé veličiny, mají náhodný charakter a ve srovnání s průmyslovou frekvencí se s časem mění poměrně pomalu, takže v soustavě se chovají

- 1 CZ 309504 B6 jako stejnosměrné veličiny.

Kvazi-stejnosměrný proud, označován je jako GIC, tj. Geomagnetic Induced Current, vyvolá v magnetických obvodech výkonových transformátorů soustavy tzv. semisaturační jev, který způsobí proudové přetížení vodičů soustavy a zejména vysokonapěťových vinutí transformátorů (podrobněji v [5], [6], [7]). To může vést k tepelnému přetížení a následnému tepelnému poškození vinutí transformátorů a posléze ke kolapsu soustavy.

Každým z dílčích vodičů svazkového vedení prochází proud

I(t) = 11 sin ω t + Io (1), kde:

je amplituda „pracovního“ proudu, jímž je přenášena elektrická energie vedením vvn, ω = 2nf, kde fje kmitočet tohoto proudu (7 = 50 Hz) a je hodnota kvazi-stejnosměrného proudu GIC, procházející vedením vvn.

Velikost proudu Io je mírou vlivu magnetické bouře na přenosovou soustavu. Určuje ji předmětný indikátor, jehož podstata je popsána v této přihlášce vynálezu. Hodnota proudu Io zjištěná indikátorem se bezdrátově přenáší k operátorovi, který řídí přenosovou soustavu. Operátor je tak informován o vzniku proudu GIC. Může sledovat jeho vývoj v čase a dosáhne-li proud Io jisté, předem nastavitelné hodnoty, je automaticky vyslán pokyn k provedení příslušných ochranných opatření, které odvrátí nebezpečí tepelného poškození vysokonapěťového vinutí výkonových transformátorů. Ochranné zařízení je popsáno v práci [8].

Problematika monitorování magnetických bouří přímo vevedení vvn soustavy nebyla doposud řešena. Existuje několik patentních spisů popisujících jisté indikace elektrických veličin v silnoproudých elektrických rozvodech, avšak ty jsou založeny na jiných fyzikálních principech jsou použity k jiným účelům, než je uvedeno v předložené přihlášce patentu. Tak například ve spisu EP 0309255 B1 se popisuje zařízení pro detekci stejnosměrné složky magnetického toku v elektrickém transformátoru, kdy jednofázový transformátor, do jehož magnetického obvodu je vložena Hallova sonda, je napájen vnějším zdrojem. Časový průběh magnetického toku transformátoru, získaný z Hallovy sondy, je analyzován Fourierovským analyzátorem. Jedná se o zařízení pro detekci stejnosměrné předmagnetizace u jednofázového transformátoru a vlivu tohoto jevu na kvalitu jeho sekundárního napětí a proudu. Zařízení poskytuje informace o vlivu stejnosměrného přesycení jádra transformátoru na výstupní veličiny transformátoru. Ve spisu CH 354151 A je popsáno trojfázové relé napájené střídavým periodickým nesinusovým proudem. Na základě usměrňovačů v Gretzově zapojení se docílí toho, že překročí-li obsah vyšších harmonických vstupního signálu jistou hodnotu, reléový obvod a vydá příslušný signál, použitelný například k vypnutí vedení, k vyslání varovného hlášení nebo pod.

Obecný stav techniky rovněž reprezentuje řešení popsané ve spisu WO 2012059136 A1, kdy trojfázové vedení s uzemněným nulovým vodičem je na svém počátku (tj. u zdroje napájejícího vedení) i na svém konci (tj. na svorkách výkonového transformátoru) monitorováno. Způsoby monitorování mohou být různé, například jsou změřena fázová napětí a proudy a jejich fázový posuv, nebo může být proveden rozklad těchto fázových veličin na souměrné složky apod. Porovnáním těchto dvou souborů naměřených hodnot lze indikovat přídavnou trojfázovou nesymetrii, typickou pro zemní zkrat. Nebylo by obtížné určit též místo zemního zkratu na vedení, anebo (plný nebo částečný) mezifázový zkrat, ale to není předmětem předloženého patentu.

Literatura:

[1] Mayer D.: Elektrodynamika v energetice. Nakladatelství BEN, Praha, 2005.

- 2 CZ 309504 B6

[2] Kulhánek P., Rozehnal J.: Hvězdy, planety, magnety. Nakladatelství AGA, PrahA 2021, 2. vydání. ISBN 978-80-906638-6-2.

[3] Mayer D.: Contribution to investigation of influence of geomagnetic stroms on electrification systém. Acta Technica 58 (2013), str. 351-365.

[4] Mayer D.: Geomagnetické bouře a jejich vliv na elektrizační soustavu. ELEKTRO, No. 8-9, 2016, str. 58-62.

[5] Mayer D., Ulrych B.: Vliv magnetické bouře na transformátory elektrizační soustavy. ELEKTRO, No. 3, 2018, str. 2-4.

[6] Stork M., Mayer D.: Direct currents in power transformers. Journal of Electrical Engineering, Vol. 70 (2019), No. 1, pp. 68-72.

[7] Price R.: Geomagnetically induced currents effects on transformers. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 17, No. 4, October 2003, pp. 1002-1008.

[8] Mayer D.: Protection of power transformers against the effect of magnetic storms. Journ. of El. Eng., Vol. 72 (2021), No. 4, pp. 249-255.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je zařízení k indikaci vlivu magnetických bouří na energetickou přenosovou soustavu, které sestává z magnetického obvodu obklopující diagnostikovaný vodič, přičemž magnetický obvod obsahuje magnetorezistentní senzor uložený v pólovém nástavci, a dále obsahuje převodník, sestávající z magnetického jádra obklopeného vinutím pro energetické napájení magnetického obvodu, a elektrického obvodu pro zpracování dat pro stanovení kvazistacionárního proudu a pro jeho následný bezdrátový přenos. Převodník je zdrojem elektromagnetické energie, potřebné pro činnost další části indikátoru. Převodník je proveden tak, že dílčí vodič svazkového vedení, protékaný proudem i(t), podle rov. (1), je obklopen magnetickým obvodem s vinutím, podle obr. 1. Do vinutí se indukuje napětí, které se pak podle potřeby dále upravuje, např. usměrňuje, filtruje, stabilizuje.

Výhodné je, pokud magnetorezistentní senzor sestává z Hallovy sondy.

Dále je výhodné, pokud je mezi diagnostikovaným vodičem a převodníkem je včleněna distanční vložka.

Magnetické pole v okolí dílčího vodiče vvn je, co do časového průběhu (podle první Maxwellovy rovnice) úměrné proudu protékajícího tímto vodičem:

B(t) = K i(t) (kde K je konstanta a B(t) je magnetická indukce).

Tj. magnetometr je proveden tak, že magnetickým obvodem je toto magnetické pole fokusováno na magnetický senzor (obr. 2), který je založen na magnetorezistentním jevu. Může jím být například 1D Hallova sonda. Skenováním magnetického pole B(t) lze zjistit i časový průběh proudu i(t) podle (1). Jestliže je následně odfiltrována střídavá složku tohoto proudu, lze získat proud I0 GIC, jenž je sledovaným proudem GIC.

Obvod pro zpracování dat

Elektronický systém umístěný v indikátoru působení magnetické bouře vzorkuje a digitalizuje výstupní signál z magnetorezistentní sondy, pomocí analogově/číslicového převodníku. V vzorky numerické formě vysílá na vyhodnocovací jednotku, která je umístěná mimo indikátor magnetické bouře. Vyhodnocovací jednotka přijímá signál z indikátoru magnetické bouře a vyhodnocuje stejnosměrnou složku proudu I0 a při určité hodnotě této složky signalizuje nebezpečný stav. Tuto informaci sleduje operátor v řídicím pracovišti a uplatňuje ji při zvolené strategii provozu soustavy. Dosáhne-li stejnosměrná složka proudu GIC předem zvolené mezní hodnoty, jsou automaticky

- 3 CZ 309504 B6 aktivována ochranná zařízení, například podle [8], paralelně k vysokonapěťovému vinutí výkonových transformátorů jsou připojeny ochranné filtry,

Bezdrátový přenos hodnoty GIC

Data ze zařízení k indikaci mohou být vysílána a přijímána běžnými radiomoduly, přičemž odpovídající typ radiomodulu se volí dle požadované vzdálenosti. Ve speciálních případech, kupříkladu při umístění indikátoru v rozvodně, lze informace o velikosti magnetické bouře, tj. o velikosti proudu GIC ve vedení vvn, přenášet také světlovodným kabelem.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 je čelní řez magnetickým obvodem převodníku. Na obr. 2 je čelní řez magnetometrickým magnetickým obvodem, s vyznačeným magnetorezistentním senzorem. Na obr. 3 je boční řez zařízením k indikaci, v němž jsou vyznačeny jednotlivé části indikátoru. Obr. 4 je funkční schéma zařízení k indikaci. Na obr. 5, na obr. 6 a na obr. 7 jsou příčné řezy různých typů diagnostikovaného vodiče.

Příklady uskutečnění vynálezu

Zařízení k indikaci magnetických bouří na energetickou přenosovou soustavu sestává z magnetického obvodu O obsahující magnorezistetní senzor S. Magnetický obvod O obklopuje diagnostikovaný vodič. Magnetický obvod O je napojen na napájecí výstup převodníku P. Převodník P sestává z vinutí C, které je tvořeno izolovaným měděným drátem. Uvnitř vinutí C je magnetické jádro J. Magnetické jádro J je do vinutí C zasouvatelné a je složeno z trafoplechů, Magnetický obvod O obsahuje rovněž obvod D pro zpracování dat. Součástí obvodu D pro zpracování dat je vysílač I. V tomto příkladném provedení je magnetometr, tj. magnetorezistentní senzor S tvořený Hallovou sondou. Mezi diagnostikovaným vodičem a magnetickým obvodem O je podélně včleněna izolační vložka V. Mezi izolační vložkou V a vinutím indukční cívky C a mezi izolační vložkou V a Hallovou sondou je včleněna pružná distanční vložka V'. Izolační vložka V je vně na obou koncích magnetického obvodu O opatřena aretačním prstencem p. Magnetický obvod O je složen z trafoplechů. Hallova sonda je uložena v pólovém nástavci N, do kterého je zatmelena izolační výplní. Zařízení je zakryto pláštěm M z izolačního materiálu, spodní část pláště M je odnímatelná a je tvořena základovou deskou Z. Základní deska Z je v tomto příkladném provedení s pláštěm M spojena šrouby.

Zařízení je konstruováno tak, aby bezpečně čelilo:

- venkovním povětrnostním podmínkám, zejména dešti, mlze, námraze, větru apod.,

- teplotě okolního prostředí v mezích od -50 do +50 °C a

- svým vnějším tvarem bránilo vzniku korony, nebo jiným formám nesamostatného elektrického výboje, kteréžto jevy vznikají např. v místech nehladkého povrchu, nebo u součástek s ostrými hranami.

Zařízení je dále konstruováno tak, aby umožňovalo snadnou implementaci do energetické soustavy, tedy snadnou montáž a demontáž na vodič svazkového vedení. Indikátor lze umístit na vodič vedení buďto provozním technikem manuálně, při odpojení vedení od zdroje vvn, anebo na vodič vedení pod napětím, pomocí dronu. V obou případech je indikátor vkládán na vodič vedení ve vertikálním směru a po dosažení požadované polohy dojde automaticky k jeho aretování k vodiči vedení a zároveň k uzavření vnějšího krytu indikátoru. Při snímání indikátoru z vodiče vedení je na indikátor působeno tahem ve vertikálním směru. Jakmile tah dosáhne jisté hodnoty,

- 4 CZ 309504 B6 zruší se aretace k vodiči vedení, k uvolnění krytu indikátoru a posléze k jeho sejmutí. Při vyjímání indikátoru pomocí dronu lze postupovat např. tak, že spodní část dronu je spojena s nosným držákem, který je na svém konci opatřen silným deskovým silným, kupříkladu neodymovým permanentním magnetem. Jakmile se permanentní magnet dronu přiblíží dostatečně blízko nad indikátor, spojí se s feromagnetickou destičkou, která je umístěna na horní části indikátoru a vertikálním tahem lze indikátor vyjmout.

Zařízení k indikaci vlivu magnetických bouří na energetickou přenosovou soustavu přináší oproti stávajícím řešením následující výhody:

- je výrobně i cenově nenáročný,

- je robustní (spolehlivý), prakticky bezporuchový, má velmi dlouhou životnost,

- nevyžaduje obsluhu ani údržbu, pracuje automaticky,

- jeho implementace do/ze soustavy, tj. jeho montáž a demontáž na kterékoliv místu vysokonapěťového vedení je snadná,

- je zdravotně bezpečný i s ohledem na vysokonapěťové vedení, ekologicky je zcela neutrální,

- indikuje okamžitou odezvu mezi působením proudu GIC a zobrazením tohoto proudu GIC na řídicím pracovišti.

Průmyslová využitelnost

Zařízení popsané podle vynálezu nalezne své uplatnění v diagnostice energetických soustav, zejména pro indikaci vlivu magnetických bouří a přispěje tak ke zvýšení provozní bezpečnosti a bezporuchovosti.