特高壓網架下我國電網的磁暴災害風險分析

武 寧，劉同同

（1.北京中元建文建筑勘察設計有限公司，北京 100050；2.青島供電公司，山東 青島 266001）

0 引言

國家電網公司“十二五”期間提出“一特四大”戰略，形成以特高壓電網為骨干網架，以“三華”特高壓同步電網為中心，東北特高壓電網、西北750 kV電網為送端，聯結各大煤電基地、大水電基地、大核電基地、各級電網協調發展的堅強智能電網［1］。

在大力發展以特高壓為主網架全國聯網的同時，我國電網的磁暴災害風險逐步加大，作為一種新的電網災害，磁暴對電力系統影響具有小概率、高風險特征。NASA日前罕見地提出警告：太陽2013年可能發生強烈磁暴，如百枚氫彈襲擊地球，到時候全球將陷入大停電［2］。因此，結合“十二五”期間國家電網公司的特高壓電網規劃，對我國大規模同步電網的磁暴災害風險和潛在的威脅進行分析和研究亟需開展。

1 磁暴災害對電網的影響機理

太陽劇烈活動噴射出的高能高速粒子流在行星際中傳播，當其沖擊空間電離層電流時與地球磁場發生相互作用，產生劇烈快速的地磁擾動，稱為“磁暴”［3］。地球作為由大地和海水組成的良導體，在磁場劇烈變化時，會在大地中感應出電場，地面感應電場作用在地基技術系統，如大規模電網、輸油氣管線、通信網絡、交通信號燈系統等導體網絡時，不同接地點的地面感應電勢形成電位差產生感應電流，稱為地磁感應電流（Geomagnetically Induced Current），簡稱GIC，GIC在電力系統中的流通路徑如圖1所示。

圖1 GIC在電網中的流通路徑

高電壓、大規模電網覆蓋區域廣闊，接地點眾多，GIC通過變壓器繞組，輸電線路與大地構成回路。GIC的頻率為0.01～0.0001Hz，相對于50Hz工頻可看做準直流［4］。 當GIC流經變壓器繞組產生偏置磁通，與交流磁通疊加使變壓器的運行點進入鐵磁飽和區域，導致變壓器發生直流偏磁，如圖2所示。變壓器的正常運行工作點位于圖2（b）磁化曲線的A點。準直流的GIC形成的直流磁通φ0與主磁通φ疊加使變壓器磁通曲線正負半波不對稱，勵磁電流變成波形畸變的尖頂波，如圖2（c）中虛線所示，畸變后的勵磁電流含有大量的奇次和偶次諧波［5］。

圖2 變壓器直流偏磁下勵磁電流畸變機理

變壓器勵磁電流增大導致變壓器無功功率消耗增加，引起電網電壓跌落和無功波動，大量的奇次和偶次諧波可能引起繼電保護誤動作，無功補償裝置過載。變壓器偏磁飽和導致鐵芯漏磁劇增，使變壓器振動噪聲增大，損耗溫升增加，嚴重威脅變壓器的安全運行和電網的穩定。

2 我國電網特高壓網架下的規劃格局

為解決我國能源資源和能源需求逆向分布的格局，加快分布式能源的接入，提高電網抵御故障沖擊能力，發揮水火并濟，調峰錯峰聯網效益等問題，國家電網提出以特高壓電網為主網架的全國聯網戰略，并規劃“十二五”期間形成“三縱三橫一環”的特高壓電網網架，從而形成東北、西北、南方電網通過直流與華北、華東和華中的“三華”特高壓同步電網主網架實現異步連接，最終實現國家電網的西電東送、南北互供、全國聯網，如圖3所示。到2020年，預計“三華”同步電網與北美東部電網等國外現有大型同步電網的規?；鞠喈?。

圖3 特高壓網架下我國電網的格局

采用特高壓網架為我國大規模電網提供了堅強的支撐，“三華”同步電網作為我國的負荷中心，“十二五”期間大力建設特高壓電網，以滿足外部電力的輸入，抵御故障沖擊，優化資源配置。到2015年“三華”特高壓同步電網將建成“三橫三縱”網架結構，2020年將建成“五縱六橫”主網架，滿足大煤電、大水電、大核電和大可再生能源基地電力輸送，為中東部負荷中心大規模接受電力構筑堅強的網絡平臺，圖4為 2015年 “三華”特高壓網架。

圖4 2015年 “三華”特高壓網架

3 全國聯網的磁暴災害風險

高緯度（磁緯）國家，如北歐、北美磁暴影響較為嚴重，曾導致瑞典馬爾默和加拿大魁北克大停電［6-7］。雖然我國所處中低緯度，但是隨著我國全國聯網戰略的提出，特高壓跨大區聯網的逐步實施，我國已經成為世界上電壓等級最高、交直流混聯電網規模最大的國家，全國一張網的格局也逐漸形成，電網的拓撲結構和網絡參數對GIC水平的影響更加明顯，因此，即使在相同地質條件下發生全球性的磁暴災害，我國電網的風險和潛在威脅比高緯度國家更值得引起關注。

GIC的準直流特性決定了影響其大小的電氣參數是電阻，對于220 kV及以下的電網由于輸電線路的截面小，導線分裂數少，因而對GIC呈現出較大的電阻，磁暴災害影響不明顯。對于500 kV和1 000 kV，以及西北330 kV和750 kV電網，輸電距離長，覆蓋區域廣，導線截面積大，單相線路分裂數多，其中500 kV采用四分裂，750 kV采用六分裂，1 000 kV采用八分裂，GIC的影響顯著增大。另外GIC作為一種地電流具有零序電流的特征，而目前超高壓特高壓變壓器采用單相組式變壓器，GIC磁通通路磁阻較小，具有良好的通路，抗飽和能力弱，GIC對超特高壓大容量電網的影響更加嚴重。

瑞典400 kV電網目前監測到的最大變壓器中性點GIC為400 A，美國曾在變壓器中性線處測量到的最大的GIC值為184 A［8-9］。 雖然我國電網的磁暴影響研究起步較晚，隨著我國電網規模的增大，也發生了磁暴影響事件，2004年11月8日和10日磁暴中，500 kV電網嶺澳核電站變壓器中性點GIC峰值達47.2 A和55.8 A，2006年12月14－16日嶺澳核電站1號變壓器中性點產生的GIC峰值16.6 A，2006年12月14－15日磁暴，江蘇500 kV電網上河變電站的GIC最大值為13 A［10］。

目前還沒有西北750 kV電網的GIC監測數據，但是由于西北電網所處的磁緯高，變壓器采用單相變壓器組，導線采用六分裂，截面積大，輸電線路單位長度的電阻最大是500 kV的2/3，因此，若磁暴類型和強度、電網的拓撲結構以及大地地質構造相同的情況下，750 kV電網的GIC水平應該是500 kV電網的1.5倍。若發生2004年11月份的磁暴，保守估計750 kV電網某些變電站的GIC水平將超過100 A。雖然目前750 kV電網GIC的計算結果的合理性有待進一步探討，但是其水平比500 kV電網大得多［11］。西北電網作為全國聯網的一個重要的送端，其750 kV主網架的堅強程度對維持送端系統的穩定乃至全國電網的安全運行都起著至關重要的作用。

我國特高壓電網輸電距離長，覆蓋范圍廣，地面感應電場經輸電線路積分產生的電位差更大，變壓器采用單相變壓器組，導線采用八分裂8×LGJ-500/35、8×LGJ-630/45，輸電線路單位長度電阻最多為500 kV電網的0.5倍，因此特高壓電網的GIC水平最少為500 kV的2倍，若發生2004年11月份的磁暴，保守估計1 000 kV電網某些變電站的GIC水平將超過150 A。特高壓電網擔負著我國跨大區聯網的重任，將逐步成為我國大規模電網的主網架，其所面臨的磁暴災害風險增大。 “三華”特高壓同步電網作為我國最重要的受端電網，其對磁暴災害的防御能力直接關系到我國電網安全和經濟社會的穩定。

4 電網磁暴災害的防御措施

我國電網磁暴災害研究起步較晚，但是隨著我國電網的快速發展，規模不斷增大，近幾年發生的影響事件引起了有關學者和國網公司的重視，針對“十二五”期間大力建設的特高壓電網以及規劃中的全國聯網格局，我國電網的磁暴災害風險和影響不斷增大，為防患于未然急需研究相關的防御措施，并通過借鑒國外電網磁暴災害下的運行經驗，為我國大規模同步電網的建設和運行提出了建議。

在變壓器中性點和輸電線路上安裝隔直電容、在變壓器中性點安裝電阻和反向電流發生器對GIC進行阻隔和補償是技術上可行的治理措施。加拿大魁北克大停電后，魁北克水電局投入了8.34億加元進行電網GIC治理。我國電網規模巨大，磁暴影響的全球性以及小概率高風險的特征，決定了對電網設備和電網結構進行改造，加裝治理裝置的投資規模更是十分巨大，而且設備利用率很小，因此在實際運行中加裝治理裝置的手段在我國不可行。

芬蘭作為北歐的一個高緯度國家，不可避免的經歷了多次較大磁暴的侵襲，但是GIC并未對其電力系統造成較大的擾動或設備損壞，原因在于芬蘭GIC問題研究較早，在電網規劃和電網設備制造階段，充分考慮了GIC的影響，做到了未雨綢繆［12］。另外，芬蘭電力系統的負荷裕度比較大，很少有設備在滿載或過載下運行，這也是在歷次較大的磁暴事件中芬蘭電力系統依然能夠安然無恙的原因。作為中低緯度國家，我國電網的拓撲結構和電氣參數對GIC水平的影響更顯著，在電網規劃和變壓器等設備制造階段考慮磁暴災害的影響顯然能夠起到良好的效果。

另外，進行電力系統和空間天氣學科等交叉學科的基礎研究，充分利用我國空間天氣監測衛星的觀測數據，建立空間天氣的預報預測平臺，構建電網磁暴災害的綜合防御體系，在空間高能高速粒子流造成地球電離層擾動之前，調整電力系統的潮流，降低電網的負荷水平，從而減小磁暴對電力系統的影響程度。

5 結語

隨著“十二五”期間以特高壓為主網架的大規模同步電網的建設，我國電網所面臨的磁暴災害風險加大，其中以跨大區的1 000 kV電網以及西北750 kV電網的潛在威脅最為嚴重。中低緯度電網的磁暴災害受電網拓撲結構和電氣參數的影響更為明顯，在我國“十二五”期間快速建設大規模同步電網的同時，需要慎重考慮磁暴災害影響，制定合理的防御措施從而做到防患于未然。

［1］ 劉振亞.中國電力與能源［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［2］ http://scitech.people.com.cn/GB/11897130.html

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［6］ Kappenman J G.Geomagnetic storms and their impact on power systems［J］.IEEE Power Engineering Review,1996,May:5－8.

［7］ Boteler D H,Pirjola R J,Nevanlinna H.The effects of geomagnetic disturbances on electrical systems at the Earth’s surface［J］.Advances Space Research,1998，22：17-27.

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［10］劉春明.中低緯電網地磁感應電流及其評估方法研究［D］:［博士學位論文］.華北電力大學（北京），2009.

［11］劉連光.災害空間天氣對我國電網安全的影響及風險［J］.中國工程科學，2010，12（9）：29-32.

［12］ Pirjola R and Viljanen A.On geomagnetically induced currents in the Finnish 400 kV power system by an auroral electrojet current.IEEE Transactions on Power Delivery，1989，4 （2）:1239－1245.