«Закрытые» поля – дело ученых-электрофизиков

– У нас все время проходят полевые работы, которые можно разделить на две части, – рассказывает старший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера Алексей Карпов. – Одни проходят порой в лесу, на открытых распределительных устройствах. Другие – это, так скажем, «закрытые» поля, когда мы проводим измерения внутри самих электроподстанций на закрытых распределительных устройствах: в шкафах релейной защиты и автоматики ячеек отходящих фидеров. В общем, под крышей. Наши поля – это не привычные всем пробы грунта или отбор растений. Это большое количество генерирующих и измерительных приборов, а также множество проводов для их подключения на действующих подстанциях.

В декабре 2022 года ученые выехали на площадку энергетической компании «Энел Россия» – ветроэлектростанцию Кольская в районе Териберки. Они регистрировали показатели качества электроэнергии в сети и выясняли, как работа ветрогенераторов влияет на это электромагнитную обстановку. 1 декабря первую очередь ветропарка уже подключили к объединенной энергосистеме Мурманской области.

– Ветропарк является существенным звеном энергосистемы Мурманской области, поскольку возможна очень гибкая регулировка его мощности: сто процентов мощности за десять секунд. А это 201 мегаватт, – поясняет Алексей Сергеевич. – В зависимости от потребности и нагрузки оператор энергосистемы может очень быстро регулировать эти процессы. Это, кстати, стало для нас приятным сюрпризом, когда мы своими глазами увидели, как все происходит: очень впечатляет.

Вторым приятным сюрпризом стало современное оборудование ветропарка. Исследователи получили огромное удовольствие не только от удобства работы, но и от эстетической составляющей процесса.

– Все очень красиво и компактно. На таких современных распределительных устройствах очень приятно работать.

В современной электротехнике от качества электроэнергии зависит очень многое. При «некачестве» на крупном предприятии возможны ложные срабатывания автоматики и релейной защиты. При этом даже самый маленький простой может привести к многомиллионным убыткам на производствах. Остановившиеся производственные процессы не всегда можно быстро запустить, выход из строя одного звена может надолго оборвать всю цепь производства и парализовать работу других предприятий.

В масштабе городов, когда не обеспечена электромагнитная совместимость технических средств, в квартирах может перегореть бытовая техника, целые кварталы – остаться без электричества. И далеко не всегда это брак в самих устройствах. Просто такое невозможно доказать без привлечения специалистов.

Для ученых качество электроэнергии – это намного более сложный фактор. Его показатели являются индикаторным инструментом для поисковых работ по выявлению аварийноопасных узлов энергосистемы. Все электроустановки и линии электропередач, особенно мощные, создают электромагнитные поля, которые могут повлиять на другое оборудование и даже на человека. Для того, чтобы точно определить, как изменяется напряжение от подключения новых потребителей, спрогнозировать сценарии форс-мажорных ситуаций и предсказать варианты развития режимов сети в целом, нужно учитывать очень много факторов, которые проектируются при моделировании на специализированном программном обеспечении.

Центр физико-технических проблем энергетики Севера много лет сопровождает эффективное и безопасное развитие энергосистемы Мурманской области, которая имеет очень сложные климатические условия. Также ученые решают специфичные для арктических регионов фундаментальные задачи.

Помогают в этом новые регистраторы словенского производства компании «Metrel», приобретенные по программе обновления приборной базы.

– По сути, все происходит примерно так: в зависимости от задач из тысяч проводочков мы выбираем нужные, подключаем к ним измерительные приборы, проводим регистрацию, получаем огромный массив данных в виде вольтамперных характеристик, который затем и анализируем. Из десятков гигабайт числовой информации требуется найти очень небольшие, но самые важные блоки. Иногда один день экспериментов можно расшифровывать несколько месяцев. И искусственный интеллект пока что беспомощен в такой аналитике.

Вроде бы и делают ученые все теми же самыми приборами, что и специалисты-высоковольтники на промышленных объектах, потому что подстанции — это объекты повышенной опасности и приборы должны иметь государственную сертификацию, но отличие заключается в методике эксперимента.

– Мы покупали сразу четыре одинаковых прибора, чтобы производить более комплексные измерения. Почему именно четыре? Любая подстанция принципиально построена на основе систем шин, которые нужны для обеспечения надежности подстанции. Потребитель мгновенно ощущает на себе, когда нет электричества. Когда вы видите, что свет моргнул, возможно, в этот момент на какой-то системе шин произошла авария, и питание автоматически переведено на резервную систему. Это очень быстрый процесс. А на крупных подстанциях бывает до четырех систем шин – и даже более – с разными задачами. Четыре прибора – это самое оптимальное количество для одновременной и синхронизированной регистрации в разных точках подстанции. Такой подход дает максимум информации о том, что происходит на этой подстанции в разных ситуациях, и, как следствие, позволяет на цифровых моделях проектировать защитные меры от любых аварийных процессов.

В кабинете Алексея Карпова висит большая схема, на которой представлены все ключевые линии и подстанции энергосистемы Мурманской области, и он буквально на пальцах показывает, как перераспределяется нагрузка в случае обрыва на одном участке, аварии на другом, неожиданного скачка потребления на третьем. Кажется, именно это характеризует настоящего ученого – умение в двух простых словах объяснить условному пятикласснику то, чем занимаются десятки инженеров и кандидатов наук.

В марте Центр физико-технических проблем энергетики Севера начал новый полевой сезон. Ученые снова начали проводить эксперименты на подстанциях промышленных предприятий. Благодаря экспериментам и расчетам сотрудников ЦЭС КНЦ РАН специалисты энергосетей «Архэнерго» смогут запланировать стопроцентно правильный вариант модернизации старинной подстанции.