特高壓網(wǎng)架下我國電網(wǎng)的磁暴災(zāi)害風(fēng)險分析

武 寧，劉同同

（1.北京中元建文建筑勘察設(shè)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(wǎng)公司“十二五”期間提出“一特四大”戰(zhàn)略，形成以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，以“三華”特高壓同步電網(wǎng)為中心，東北特高壓電網(wǎng)、西北750 kV電網(wǎng)為送端，聯(lián)結(jié)各大煤電基地、大水電基地、大核電基地、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強(qiáng)智能電網(wǎng)［1］。

在大力發(fā)展以特高壓為主網(wǎng)架全國聯(lián)網(wǎng)的同時，我國電網(wǎng)的磁暴災(zāi)害風(fēng)險逐步加大，作為一種新的電網(wǎng)災(zāi)害，磁暴對電力系統(tǒng)影響具有小概率、高風(fēng)險特征。NASA日前罕見地提出警告：太陽2013年可能發(fā)生強(qiáng)烈磁暴，如百枚氫彈襲擊地球，到時候全球?qū)⑾萑氪笸ｋ姡?］。因此，結(jié)合“十二五”期間國家電網(wǎng)公司的特高壓電網(wǎng)規(guī)劃，對我國大規(guī)模同步電網(wǎng)的磁暴災(zāi)害風(fēng)險和潛在的威脅進(jìn)行分析和研究亟需開展。

1 磁暴災(zāi)害對電網(wǎng)的影響機(jī)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(dāng)其沖擊空間電離層電流時與地球磁場發(fā)生相互作用，產(chǎn)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(dǎo)體，在磁場劇烈變化時，會在大地中感應(yīng)出電場，地面感應(yīng)電場作用在地基技術(shù)系統(tǒng)，如大規(guī)模電網(wǎng)、輸油氣管線、通信網(wǎng)絡(luò)、交通信號燈系統(tǒng)等導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)時，不同接地點(diǎn)的地面感應(yīng)電勢形成電位差產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱為地磁感應(yīng)電流（Geomagnetically Induced Current），簡稱GIC，GIC在電力系統(tǒng)中的流通路徑如圖1所示。

圖1 GIC在電網(wǎng)中的流通路徑

高電壓、大規(guī)模電網(wǎng)覆蓋區(qū)域廣闊，接地點(diǎn)眾多，GIC通過變壓器繞組，輸電線路與大地構(gòu)成回路。GIC的頻率為0.01～0.0001Hz，相對于50Hz工頻可看做準(zhǔn)直流［4］。 當(dāng)GIC流經(jīng)變壓器繞組產(chǎn)生偏置磁通，與交流磁通疊加使變壓器的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入鐵磁飽和區(qū)域，導(dǎo)致變壓器發(fā)生直流偏磁，如圖2所示。變壓器的正常運(yùn)行工作點(diǎn)位于圖2（b）磁化曲線的A點(diǎn)。準(zhǔn)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(fù)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(jī)理

變壓器勵磁電流增大導(dǎo)致變壓器無功功率消耗增加，引起電網(wǎng)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(hù)誤動作，無功補(bǔ)償裝置過載。變壓器偏磁飽和導(dǎo)致鐵芯漏磁劇增，使變壓器振動噪聲增大，損耗溫升增加，嚴(yán)重威脅變壓器的安全運(yùn)行和電網(wǎng)的穩(wěn)定。

2 我國電網(wǎng)特高壓網(wǎng)架下的規(guī)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(wǎng)抵御故障沖擊能力，發(fā)揮水火并濟(jì)，調(diào)峰錯峰聯(lián)網(wǎng)效益等問題，國家電網(wǎng)提出以特高壓電網(wǎng)為主網(wǎng)架的全國聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，并規(guī)劃“十二五”期間形成“三縱三橫一環(huán)”的特高壓電網(wǎng)網(wǎng)架，從而形成東北、西北、南方電網(wǎng)通過直流與華北、華東和華中的“三華”特高壓同步電網(wǎng)主網(wǎng)架實現(xiàn)異步連接，最終實現(xiàn)國家電網(wǎng)的西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)，如圖3所示。到2020年，預(yù)計“三華”同步電網(wǎng)與北美東部電網(wǎng)等國外現(xiàn)有大型同步電網(wǎng)的規(guī)?；鞠喈?dāng)。

圖3 特高壓網(wǎng)架下我國電網(wǎng)的格局

采用特高壓網(wǎng)架為我國大規(guī)模電網(wǎng)提供了堅強(qiáng)的支撐，“三華”同步電網(wǎng)作為我國的負(fù)荷中心，“十二五”期間大力建設(shè)特高壓電網(wǎng)，以滿足外部電力的輸入，抵御故障沖擊，優(yōu)化資源配置。到2015年“三華”特高壓同步電網(wǎng)將建成“三橫三縱”網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，2020年將建成“五縱六橫”主網(wǎng)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(fù)荷中心大規(guī)模接受電力構(gòu)筑堅強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)平臺，圖4為 2015年 “三華”特高壓網(wǎng)架。

圖4 2015年 “三華”特高壓網(wǎng)架

3 全國聯(lián)網(wǎng)的磁暴災(zāi)害風(fēng)險

高緯度（磁緯）國家，如北歐、北美磁暴影響較為嚴(yán)重，曾導(dǎo)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(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的提出，特高壓跨大區(qū)聯(lián)網(wǎng)的逐步實施，我國已經(jīng)成為世界上電壓等級最高、交直流混聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模最大的國家，全國一張網(wǎng)的格局也逐漸形成，電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對GIC水平的影響更加明顯，因此，即使在相同地質(zhì)條件下發(fā)生全球性的磁暴災(zāi)害，我國電網(wǎng)的風(fēng)險和潛在威脅比高緯度國家更值得引起關(guān)注。

GIC的準(zhǔn)直流特性決定了影響其大小的電氣參數(shù)是電阻，對于220 kV及以下的電網(wǎng)由于輸電線路的截面小，導(dǎo)線分裂數(shù)少，因而對GIC呈現(xiàn)出較大的電阻，磁暴災(zāi)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(wǎng)，輸電距離長，覆蓋區(qū)域廣，導(dǎo)線截面積大，單相線路分裂數(shù)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(wǎng)的影響更加嚴(yán)重。

瑞典400 kV電網(wǎng)目前監(jiān)測到的最大變壓器中性點(diǎn)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(wǎng)的磁暴影響研究起步較晚，隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的增大，也發(fā)生了磁暴影響事件，2004年11月8日和10日磁暴中，500 kV電網(wǎng)嶺澳核電站變壓器中性點(diǎn)GIC峰值達(dá)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(diǎn)產(chǎn)生的GIC峰值16.6 A，2006年12月14－15日磁暴，江蘇500 kV電網(wǎng)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(wǎng)的GIC監(jiān)測數(shù)據(jù)，但是由于西北電網(wǎng)所處的磁緯高，變壓器采用單相變壓器組，導(dǎo)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(qiáng)度、電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及大地地質(zhì)構(gòu)造相同的情況下，750 kV電網(wǎng)的GIC水平應(yīng)該是500 kV電網(wǎng)的1.5倍。若發(fā)生2004年11月份的磁暴，保守估計750 kV電網(wǎng)某些變電站的GIC水平將超過100 A。雖然目前750 kV電網(wǎng)GIC的計算結(jié)果的合理性有待進(jìn)一步探討，但是其水平比500 kV電網(wǎng)大得多［11］。西北電網(wǎng)作為全國聯(lián)網(wǎng)的一個重要的送端，其750 kV主網(wǎng)架的堅強(qiáng)程度對維持送端系統(tǒng)的穩(wěn)定乃至全國電網(wǎng)的安全運(yùn)行都起著至關(guān)重要的作用。

我國特高壓電網(wǎng)輸電距離長，覆蓋范圍廣，地面感應(yīng)電場經(jīng)輸電線路積分產(chǎn)生的電位差更大，變壓器采用單相變壓器組，導(dǎo)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(wǎng)的0.5倍，因此特高壓電網(wǎng)的GIC水平最少為500 kV的2倍，若發(fā)生2004年11月份的磁暴，保守估計1 000 kV電網(wǎng)某些變電站的GIC水平將超過150 A。特高壓電網(wǎng)擔(dān)負(fù)著我國跨大區(qū)聯(lián)網(wǎng)的重任，將逐步成為我國大規(guī)模電網(wǎng)的主網(wǎng)架，其所面臨的磁暴災(zāi)害風(fēng)險增大。 “三華”特高壓同步電網(wǎng)作為我國最重要的受端電網(wǎng)，其對磁暴災(zāi)害的防御能力直接關(guān)系到我國電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)社會的穩(wěn)定。

4 電網(wǎng)磁暴災(zāi)害的防御措施

我國電網(wǎng)磁暴災(zāi)害研究起步較晚，但是隨著我國電網(wǎng)的快速發(fā)展，規(guī)模不斷增大，近幾年發(fā)生的影響事件引起了有關(guān)學(xué)者和國網(wǎng)公司的重視，針對“十二五”期間大力建設(shè)的特高壓電網(wǎng)以及規(guī)劃中的全國聯(lián)網(wǎng)格局，我國電網(wǎng)的磁暴災(zāi)害風(fēng)險和影響不斷增大，為防患于未然急需研究相關(guān)的防御措施，并通過借鑒國外電網(wǎng)磁暴災(zāi)害下的運(yùn)行經(jīng)驗，為我國大規(guī)模同步電網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行提出了建議。

在變壓器中性點(diǎn)和輸電線路上安裝隔直電容、在變壓器中性點(diǎn)安裝電阻和反向電流發(fā)生器對GIC進(jìn)行阻隔和補(bǔ)償是技術(shù)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(jìn)行電網(wǎng)GIC治理。我國電網(wǎng)規(guī)模巨大，磁暴影響的全球性以及小概率高風(fēng)險的特征，決定了對電網(wǎng)設(shè)備和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，加裝治理裝置的投資規(guī)模更是十分巨大，而且設(shè)備利用率很小，因此在實際運(yùn)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(jīng)歷了多次較大磁暴的侵襲，但是GIC并未對其電力系統(tǒng)造成較大的擾動或設(shè)備損壞，原因在于芬蘭GIC問題研究較早，在電網(wǎng)規(guī)劃和電網(wǎng)設(shè)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(tǒng)的負(fù)荷裕度比較大，很少有設(shè)備在滿載或過載下運(yùn)行，這也是在歷次較大的磁暴事件中芬蘭電力系統(tǒng)依然能夠安然無恙的原因。作為中低緯度國家，我國電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)對GIC水平的影響更顯著，在電網(wǎng)規(guī)劃和變壓器等設(shè)備制造階段考慮磁暴災(zāi)害的影響顯然能夠起到良好的效果。

另外，進(jìn)行電力系統(tǒng)和空間天氣學(xué)科等交叉學(xué)科的基礎(chǔ)研究，充分利用我國空間天氣監(jiān)測衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，建立空間天氣的預(yù)報預(yù)測平臺，構(gòu)建電網(wǎng)磁暴災(zāi)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(diào)整電力系統(tǒng)的潮流，降低電網(wǎng)的負(fù)荷水平，從而減小磁暴對電力系統(tǒng)的影響程度。

5 結(jié)語

隨著“十二五”期間以特高壓為主網(wǎng)架的大規(guī)模同步電網(wǎng)的建設(shè)，我國電網(wǎng)所面臨的磁暴災(zāi)害風(fēng)險加大，其中以跨大區(qū)的1 000 kV電網(wǎng)以及西北750 kV電網(wǎng)的潛在威脅最為嚴(yán)重。中低緯度電網(wǎng)的磁暴災(zāi)害受電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)的影響更為明顯，在我國“十二五”期間快速建設(shè)大規(guī)模同步電網(wǎng)的同時，需要慎重考慮磁暴災(zāi)害影響，制定合理的防御措施從而做到防患于未然。

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