特高压网架下我国电网的磁暴灾害风险分析

武 宁，刘同同

（1.北京中元建文建筑勘察设计有限公司，北京 100050；2.青岛供电公司，山东 青岛 266001）

0 引言

国家电网公司“十二五”期间提出“一特四大”战略，形成以特高压电网为骨干网架，以“三华”特高压同步电网为中心，东北特高压电网、西北750 kV电网为送端，联结各大煤电基地、大水电基地、大核电基地、各级电网协调发展的坚强智能电网［1］。

在大力发展以特高压为主网架全国联网的同时，我国电网的磁暴灾害风险逐步加大，作为一种新的电网灾害，磁暴对电力系统影响具有小概率、高风险特征。NASA日前罕见地提出警告：太阳2013年可能发生强烈磁暴，如百枚氢弹袭击地球，到时候全球将陷入大停电［2］。因此，结合“十二五”期间国家电网公司的特高压电网规划，对我国大规模同步电网的磁暴灾害风险和潜在的威胁进行分析和研究亟需开展。

1 磁暴灾害对电网的影响机理

太阳剧烈活动喷射出的高能高速粒子流在行星际中传播，当其冲击空间电离层电流时与地球磁场发生相互作用，产生剧烈快速的地磁扰动，称为“磁暴”［3］。地球作为由大地和海水组成的良导体，在磁场剧烈变化时，会在大地中感应出电场，地面感应电场作用在地基技术系统，如大规模电网、输油气管线、通信网络、交通信号灯系统等导体网络时，不同接地点的地面感应电势形成电位差产生感应电流，称为地磁感应电流（Geomagnetically Induced Current），简称GIC，GIC在电力系统中的流通路径如图1所示。

图1 GIC在电网中的流通路径

高电压、大规模电网覆盖区域广阔，接地点众多，GIC通过变压器绕组，输电线路与大地构成回路。GIC的频率为0.01～0.0001Hz，相对于50Hz工频可看做准直流［4］。 当GIC流经变压器绕组产生偏置磁通，与交流磁通叠加使变压器的运行点进入铁磁饱和区域，导致变压器发生直流偏磁，如图2所示。变压器的正常运行工作点位于图2（b）磁化曲线的A点。准直流的GIC形成的直流磁通φ0与主磁通φ叠加使变压器磁通曲线正负半波不对称，励磁电流变成波形畸变的尖顶波，如图2（c）中虚线所示，畸变后的励磁电流含有大量的奇次和偶次谐波［5］。

图2 变压器直流偏磁下励磁电流畸变机理

变压器励磁电流增大导致变压器无功功率消耗增加，引起电网电压跌落和无功波动，大量的奇次和偶次谐波可能引起继电保护误动作，无功补偿装置过载。变压器偏磁饱和导致铁芯漏磁剧增，使变压器振动噪声增大，损耗温升增加，严重威胁变压器的安全运行和电网的稳定。

2 我国电网特高压网架下的规划格局

为解决我国能源资源和能源需求逆向分布的格局，加快分布式能源的接入，提高电网抵御故障冲击能力，发挥水火并济，调峰错峰联网效益等问题，国家电网提出以特高压电网为主网架的全国联网战略，并规划“十二五”期间形成“三纵三横一环”的特高压电网网架，从而形成东北、西北、南方电网通过直流与华北、华东和华中的“三华”特高压同步电网主网架实现异步连接，最终实现国家电网的西电东送、南北互供、全国联网，如图3所示。到2020年，预计“三华”同步电网与北美东部电网等国外现有大型同步电网的规模基本相当。

图3 特高压网架下我国电网的格局

采用特高压网架为我国大规模电网提供了坚强的支撑，“三华”同步电网作为我国的负荷中心，“十二五”期间大力建设特高压电网，以满足外部电力的输入，抵御故障冲击，优化资源配置。到2015年“三华”特高压同步电网将建成“三横三纵”网架结构，2020年将建成“五纵六横”主网架，满足大煤电、大水电、大核电和大可再生能源基地电力输送，为中东部负荷中心大规模接受电力构筑坚强的网络平台，图4为 2015年 “三华”特高压网架。

图4 2015年 “三华”特高压网架

3 全国联网的磁暴灾害风险

高纬度（磁纬）国家，如北欧、北美磁暴影响较为严重，曾导致瑞典马尔默和加拿大魁北克大停电［6-7］。虽然我国所处中低纬度，但是随着我国全国联网战略的提出，特高压跨大区联网的逐步实施，我国已经成为世界上电压等级最高、交直流混联电网规模最大的国家，全国一张网的格局也逐渐形成，电网的拓扑结构和网络参数对GIC水平的影响更加明显，因此，即使在相同地质条件下发生全球性的磁暴灾害，我国电网的风险和潜在威胁比高纬度国家更值得引起关注。

GIC的准直流特性决定了影响其大小的电气参数是电阻，对于220 kV及以下的电网由于输电线路的截面小，导线分裂数少，因而对GIC呈现出较大的电阻，磁暴灾害影响不明显。对于500 kV和1 000 kV，以及西北330 kV和750 kV电网，输电距离长，覆盖区域广，导线截面积大，单相线路分裂数多，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的影响显著增大。另外GIC作为一种地电流具有零序电流的特征，而目前超高压特高压变压器采用单相组式变压器，GIC磁通通路磁阻较小，具有良好的通路，抗饱和能力弱，GIC对超特高压大容量电网的影响更加严重。

瑞典400 kV电网目前监测到的最大变压器中性点GIC为400 A，美国曾在变压器中性线处测量到的最大的GIC值为184 A［8-9］。 虽然我国电网的磁暴影响研究起步较晚，随着我国电网规模的增大，也发生了磁暴影响事件，2004年11月8日和10日磁暴中，500 kV电网岭澳核电站变压器中性点GIC峰值达47.2 A和55.8 A，2006年12月14－16日岭澳核电站1号变压器中性点产生的GIC峰值16.6 A，2006年12月14－15日磁暴，江苏500 kV电网上河变电站的GIC最大值为13 A［10］。

目前还没有西北750 kV电网的GIC监测数据，但是由于西北电网所处的磁纬高，变压器采用单相变压器组，导线采用六分裂，截面积大，输电线路单位长度的电阻最大是500 kV的2/3，因此，若磁暴类型和强度、电网的拓扑结构以及大地地质构造相同的情况下，750 kV电网的GIC水平应该是500 kV电网的1.5倍。若发生2004年11月份的磁暴，保守估计750 kV电网某些变电站的GIC水平将超过100 A。虽然目前750 kV电网GIC的计算结果的合理性有待进一步探讨，但是其水平比500 kV电网大得多［11］。西北电网作为全国联网的一个重要的送端，其750 kV主网架的坚强程度对维持送端系统的稳定乃至全国电网的安全运行都起着至关重要的作用。

我国特高压电网输电距离长，覆盖范围广，地面感应电场经输电线路积分产生的电位差更大，变压器采用单相变压器组，导线采用八分裂8×LGJ-500/35、8×LGJ-630/45，输电线路单位长度电阻最多为500 kV电网的0.5倍，因此特高压电网的GIC水平最少为500 kV的2倍，若发生2004年11月份的磁暴，保守估计1 000 kV电网某些变电站的GIC水平将超过150 A。特高压电网担负着我国跨大区联网的重任，将逐步成为我国大规模电网的主网架，其所面临的磁暴灾害风险增大。 “三华”特高压同步电网作为我国最重要的受端电网，其对磁暴灾害的防御能力直接关系到我国电网安全和经济社会的稳定。

4 电网磁暴灾害的防御措施

我国电网磁暴灾害研究起步较晚，但是随着我国电网的快速发展，规模不断增大，近几年发生的影响事件引起了有关学者和国网公司的重视，针对“十二五”期间大力建设的特高压电网以及规划中的全国联网格局，我国电网的磁暴灾害风险和影响不断增大，为防患于未然急需研究相关的防御措施，并通过借鉴国外电网磁暴灾害下的运行经验，为我国大规模同步电网的建设和运行提出了建议。

在变压器中性点和输电线路上安装隔直电容、在变压器中性点安装电阻和反向电流发生器对GIC进行阻隔和补偿是技术上可行的治理措施。加拿大魁北克大停电后，魁北克水电局投入了8.34亿加元进行电网GIC治理。我国电网规模巨大，磁暴影响的全球性以及小概率高风险的特征，决定了对电网设备和电网结构进行改造，加装治理装置的投资规模更是十分巨大，而且设备利用率很小，因此在实际运行中加装治理装置的手段在我国不可行。

芬兰作为北欧的一个高纬度国家，不可避免的经历了多次较大磁暴的侵袭，但是GIC并未对其电力系统造成较大的扰动或设备损坏，原因在于芬兰GIC问题研究较早，在电网规划和电网设备制造阶段，充分考虑了GIC的影响，做到了未雨绸缪［12］。另外，芬兰电力系统的负荷裕度比较大，很少有设备在满载或过载下运行，这也是在历次较大的磁暴事件中芬兰电力系统依然能够安然无恙的原因。作为中低纬度国家，我国电网的拓扑结构和电气参数对GIC水平的影响更显著，在电网规划和变压器等设备制造阶段考虑磁暴灾害的影响显然能够起到良好的效果。

另外，进行电力系统和空间天气学科等交叉学科的基础研究，充分利用我国空间天气监测卫星的观测数据，建立空间天气的预报预测平台，构建电网磁暴灾害的综合防御体系，在空间高能高速粒子流造成地球电离层扰动之前，调整电力系统的潮流，降低电网的负荷水平，从而减小磁暴对电力系统的影响程度。

5 结语

随着“十二五”期间以特高压为主网架的大规模同步电网的建设，我国电网所面临的磁暴灾害风险加大，其中以跨大区的1 000 kV电网以及西北750 kV电网的潜在威胁最为严重。中低纬度电网的磁暴灾害受电网拓扑结构和电气参数的影响更为明显，在我国“十二五”期间快速建设大规模同步电网的同时，需要慎重考虑磁暴灾害影响，制定合理的防御措施从而做到防患于未然。

［1］ 刘振亚.中国电力与能源［M］.北京：中国电力出版社，2012.

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

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