Анализ гармонического состава тока в трансформаторе под воздействием геоиндуцированных токов
DOI:
https://doi.org/10.24160/0013-5380-2026-6-15-25Ключевые слова:
геоиндуцированные токи, трансформатор, насыщение, гармоники, мониторинг, моделированиеАннотация
В статье представлены результаты обработки данных длительного мониторинга токов в нейтралях четырех автотрансформаторов магистральной электрической сети «Северный транзит» на территории Мурманской области и в Республике Карелия. Выполнен гармонический анализ токов и получены зависимости первой, второй и третьей гармоник промышленной частоты от постоянного тока по обмоткам трансформатора. Показано, что характер полученных зависимостей качественно совпадает с результатами численного моделирования процесса подмагничивания постоянным током нелинейной индуктивности. Немонотонный характер зависимостей уровней гармоник от постоянного тока обусловлен нелинейной вебер-амперной характеристикой магнитопровода трансформатора. Выявлено, что основными источниками постоянного тока в магистральных электрических сетях являются геомагнитные возмущения, индуцирующие токи в линиях электропередачи, а также железнодорожные тяговые сети постоянного тока. Показано, что эти источники имеют схожий характер воздействия на гармонический состав токов в электрической сети. Результаты экспериментальных исследований демонстрируют существенный рост уровня гармоник в нейтралях автотрансформаторов при высоких значениях геоиндуцированных токов. Необходимо учитывать характер зависимостей гармоник тока от постоянного подмагничивания при настройке устройств релейной защиты и автоматики.
Библиографические ссылки
1. Пилипенко В.А. Воздействие космической погоды на наземные технологические системы. – Солнечно-земная физика, 2021, т. 7, № 3, с. 72–110.
2. Аксенович Т.В. Исследование спектральных характеристик геоиндуцированных токов во время сильных магнитных бурь. – Вестник МЭИ, 2025, № 1, с. 28–35.
3. Barlow W.H. On the Spontaneous Electrical Currents Observed in the Wires of the Electric Telegraph. – Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1849, No. 139, pp. 61–72.
4. Davidson W.F. The Magnetic Storm of March 24, 1940 – Effects in the Power System. – Edison Electric Institute Bulletin, 1940, vol. 8, No. 7, pp. 365–366, 374.
5. Slothower J.C., Albertson V.D. The Effects of Solar Magnetic Activity on Electric Power Systems. – Journal of the Minnesota Academy of Science, 1967, vol. 34, No. 2, pp. 94–100.
6. Albertson V.D., Thorson J.M. Power System Disturbances During a K-8 Geomagnetic Storm: August 4, 1972. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1974, pp. 1025–1030, DOI: 10.1109/TPAS.1974.294046.
7. Boteler D.H. et al. Effects of Geomagnetically Induced Currents in the BC Hydro 500 kV System. – IEEE Transactions on Power Delivery, 1989, vol. 4. No. 1, pp. 818–823, DOI: 10.1109/61.19275.
8. Mac Manus D.H. et al. Geomagnetically Induced Current Mitigation in New Zealand: Operational Mitigation Method Development with Industry Input. – Space Weather, 2023, vol. 21, No. 11, DOI: 10.1029/2023SW003533.
9. Clilverd M.A. et al. Geomagnetically Induced Currents, Transformer Harmonics, and Reactive Power Impacts of the Gannon Storm in May 2024. – Space Weather, 2025, vol. 23, No. 4, DOI: 10.1029/2024SW004235.
10. Баранник М.Б. и др. Система регистрации геоиндуктированных токов в нейтралях силовых автотрансформаторов. – Приборы и техника эксперимента, 2012, № 1, с. 118–123.
11. Селиванов В.Н., Сахаров Я.А. Влияние геоиндуктированных токов на содержание гармоник в силовых трансформаторах. – Известия РАН. Серия физическая, 2021, т. 85, № 3, с. 416–421.
12. Dommel H.W. Digital Computer Solution of Electromagnetic Transients in Single-and Multiphase Networks. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1969, vol. PAS-88, No. 4, pp. 388–399, DOI: 10.1109/TPAS.1969.292459.
13. Walling R.A. Potential Impacts of Harmonics on Bulk System Integrity During Geomagnetic Disturbances. – IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2013, DOI: 10.1109/PESMG.2013.6672901.
14. Bernabeu E. Single-Phase Transformer Harmonics Produced During Geomagnetic Disturbances: Theory, Modeling, and Monito-ring. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, vol.30, No. 3, pp. 1323–1330, DOI: 10.1109/TPWRD.2014.2371927.
15. Rossi J.C., de Oliveira L.C.O. Experimental Analysis of Harmonic Distortions in the Excitation Currents of Double-Excited Three-Phase Transformers. – Ninth Int. Conf. on Harmonics and Quality of Power, 2000, vol.3, pp. 858–863, DOI: 10.1109/ICHQP.2000.896841.
16. Пузаков А.А., Селиванов В.Н., Колобов В.В. Исследование влияния несимметрии нагрузки на ток в нейтрали автотрансформатора. – Труды Кольского научного центра РАН, 2015, № 8 (34), с. 21–29.
17. ГОСТ Р 72176-2025. Нормы гармонических составляющих и составляющих обратной последовательности тока в сетях общего назначения среднего и высокого напряжения. М.: Российский институт стандартизации, 2025, 23 с.
---
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта №25-29-01240, https://rscf.ru/project/25-29-01240.
#
1. Pilipenko V.A. Solnechno-zemnaya fizika – in Russ. (Solar-Terrestrial Physics), 2021, vol. 7, No. 3, pp. 72–110.
2. Aksenovich T.V. Vestnik MEI – in Russ. (Bulletin of Moscow Power Engineering Institute), 2025, No. 1, pp. 28–35.
3. Barlow W.H. On the Spontaneous Electrical Currents Observed in the Wires of the Electric Telegraph. – Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1849, No. 139, pp. 61–72.
4. Davidson W.F. The Magnetic Storm of March 24, 1940 – Effects in the Power System. – Edison Electric Institute Bulletin, 1940, vol. 8, No. 7, pp. 365–366, 374.
5. Slothower J.C., Albertson V.D. The Effects of Solar Magnetic Activity on Electric Power Systems. – Journal of the Minnesota Academy of Science, 1967, vol. 34, No. 2, pp. 94–100.
6. Albertson V.D., Thorson J.M. Power System Disturbances During a K-8 Geomagnetic Storm: August 4, 1972. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1974, pp. 1025–1030, DOI: 10.1109/TPAS.1974.294046.
7. Boteler D.H. et al. Effects of Geomagnetically Induced Currents in the BC Hydro 500 kV System. – IEEE Transactions on Power Delivery, 1989, vol. 4. No. 1, pp. 818–823, DOI: 10.1109/61.19275.
8. Mac Manus D.H. et al. Geomagnetically Induced Current Mitigation in New Zealand: Operational Mitigation Method Development with Industry Input. – Space Weather, 2023, vol. 21, No. 11, DOI: 10.1029/2023SW003533.
9. Clilverd M.A. et al. Geomagnetically Induced Currents, Transformer Harmonics, and Reactive Power Impacts of the Gannon Storm in May 2024. – Space Weather, 2025, vol. 23, No. 4, DOI: 10.1029/2024SW004235.
10. Barannik M.B. et al. Pribory i tekhnika eksperimenta – in Russ. (Instruments and Experimental Techniques), 2012, No. 1, pp. 118–123.
11. Selivanov V.N., Saharov Ya.A. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya – in Russ. (Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics), 2021, vol. 85, No. 3, pp. 416–421.
12. Dommel H.W. Digital Computer Solution of Electromagnetic Transients in Single-and Multiphase Networks. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1969, vol. PAS-88, No. 4, pp. 388–399, DOI: 10.1109/TPAS.1969.292459.
13. Walling R.A. Potential Impacts of Harmonics on Bulk System Integrity During Geomagnetic Disturbances. – IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2013, DOI: 10.1109/PESMG.2013.6672901.
14. Bernabeu E. Single-Phase Transformer Harmonics Produced During Geomagnetic Disturbances: Theory, Modeling, and Monito-ring. – IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, vol.30, No. 3, pp. 1323–1330, DOI: 10.1109/TPWRD.2014.2371927.
15. Rossi J.C., de Oliveira L.C.O. Experimental Analysis of Harmonic Distortions in the Excitation Currents of Double-Excited Three-Phase Transformers. – Ninth Int. Conf. on Harmonics and Quality of Power, 2000, vol.3, pp. 858–863, DOI: 10.1109/ICHQP.2000.896841.
16. Puzakov A.A., Selivanov V.N., Kolobov V.V. Trudy Kol’skogo nauchnogo tsentra RAN – in Russ. (Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences), 2015, No. 8 (34), pp. 21–29.
17. GOST R 72176-2025. Normy garmonicheskih sostavlyayu-shchih i sostavlyayushchih obratnoy posledovatel’nosti toka v setyah obshchego naznacheniya srednego i vysokogo napryazheniya (Limits for Harmonic Current and Negative Sequence Current Emissions in the Public Electrical Networks of Medium and High Voltage). M.: Rossiyskiy institut standartizatsii, 2025, 23 p
---
The research was financially supported by the Russian Science Foundation within the framework of scientific project No. 25-29-01240, https://rscf.ru/project/25-29-01240
