地磁擾動和接地極共同作用的浙西電網(wǎng)偏磁電流計算

劉連光，謝浩鎧，郭世曉

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206；2.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，浙江杭州 310009）

地磁擾動和接地極共同作用的浙西電網(wǎng)偏磁電流計算

劉連光1，謝浩鎧1，郭世曉2

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206；2.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，浙江杭州 310009）

溪洛渡—浙西±800 kV直流輸電工程試運行期間，浙西換流站受端電網(wǎng)的很多變壓器出現(xiàn)了直流偏磁問題，其同時發(fā)生地磁擾動（GMD）的地磁感應電流（GIC）直流偏磁的安全風險需要研究。針對溪洛渡—浙西±800 kV直流輸電工程的受端電網(wǎng)，建立了浙西電網(wǎng)和金華換流站的GIC計算模型，運用節(jié)點導納矩陣法計算了浙西電網(wǎng)GIC；根據(jù)溪洛渡—浙西直流輸電試運行期間-500 A接地極入地電流的測試數(shù)據(jù)，計算分析了GMD和接地極共同作用下浙西電網(wǎng)的偏磁電流水平。研究結果表明，目前浙西電網(wǎng)安裝直流偏磁抑制裝置的容量，不能滿足消除GMD和接地極共同作用的需要，建議根據(jù)中科院和中國氣象局空間天氣事件的預報，避開有太陽劇烈活動的時間安排檢修或調(diào)試，避免抑制裝置發(fā)生過載的問題，保障浙西電網(wǎng)的安全。

地磁擾動；接地極；地磁感應電流；偏磁電流

直流輸電在試運行階段或故障情況下會以單極大地回線方式運行，高達數(shù)千安的直流電流通過接地極注入大地；地磁暴的地磁擾動（geomagnetic disturbance，GMD）產(chǎn)生感應地電場，在輸電線路、兩端接地變壓器與大地構成的回路中產(chǎn)生地磁感應電流（geomagnetically induced currents，GIC），為0.000 1～0.01 Hz的低頻準直流[1]。接地極入地電流和GIC均可侵入中性點接地的變壓器，導致其直流偏磁飽和及一系列次生災害，威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[2-5]。

為了大功率、遠距離輸電，我國的高壓直流輸電和高壓交流輸電工程越來越多[6-9]，并在西電東送及大區(qū)域性電網(wǎng)間實現(xiàn)互聯(lián)，大規(guī)模交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)已成為我國電網(wǎng)的基本格局。國內(nèi)外經(jīng)驗和教訓表明，當直流輸電接地極和地磁暴發(fā)生共同作用時，聯(lián)結緊密的電網(wǎng)會很脆弱[10]。由于地磁暴的GMD具有不確定性，可能隨時發(fā)生，以單極大地回線方式運行的直流輸電工程，其送、受端電網(wǎng)的變壓器發(fā)生更嚴重直流偏磁的可能性存在，研究GMD和接地極共同作用的偏磁電流水平和分析對送受端變壓器的影響具有現(xiàn)實意義。

溪洛渡—浙西±800 kV直流輸電工程試運行期間，金華換流站的換流變壓器及接地極附近的交流變壓器出現(xiàn)了嚴重的直流偏磁問題。針對金華換流站及其接入的浙西電網(wǎng)，提出根據(jù)2004年11月9—10日地磁暴GMD極值電場，采用全節(jié)點模型和節(jié)點導納矩陣法[11-12]建模計算浙西電網(wǎng)的GIC，由調(diào)試期間的測試數(shù)據(jù)估算溪洛渡—浙西UHVDC單極滿負荷運行時接地極附近變壓器的直流電流，并分析浙西電網(wǎng)在GMD和接地極共同作用下變壓器中性點的偏磁電流水平。

1 建模區(qū)域確定

溪洛渡—浙西±800 kV直流輸電工程在低端系統(tǒng)調(diào)試期間進行直流偏磁測試時發(fā)現(xiàn)，單極大地和雙極不平衡方式運行時，換流變壓器和受端交流電網(wǎng)變壓器的中性點直流偏磁電流都較大。2014年3月28日，浙江公司在第二階段調(diào)試期間，測量了當接地極入地電流為-500 A（流出大地）時金華換流站附近信安站等8座500 kV和楓樹站等19座220 kV變電站主變中性點的直流電流值[13]。為評估GMD和接地極共同作用下浙西電網(wǎng)變壓器的偏磁電流，以這27座變電站為研究對象建立了浙西電網(wǎng)直流電流計算模型。

文獻[14-15]的研究表明，準確計算高電壓等級電網(wǎng)的GIC不能忽略次級電壓等級電網(wǎng)GIC的影響，且變壓器中性點流過的GIC為連接該變壓器所有線路GIC的代數(shù)和。因此，為準確計算浙西電網(wǎng)的GIC，其直流電流計算模型的建立，需要考慮與作為研究對象的27座變電站直接相連的2座1 000 kV變電站、5座500 kV變電站和27座220 kV變電站的相關線路GIC的影響。圖1為單線圖表示的浙西電網(wǎng)最終建模區(qū)域的地理接線圖，包括2座1 000 kV變電站（浙中站和浙南站）、13座500 kV變電站和54座220 kV變電站，15條500 kV線路和77條220 kV線路。

圖1 單線圖表示的浙西電網(wǎng)地理接線圖Fig.1 Geographic view of Zhexi power grid in single-line diagram

2 主要參數(shù)和GIC建模計算

2.1 主要參數(shù)

各座變電站的主變臺數(shù)取與第二階段調(diào)試期間的運行臺數(shù)相同，金華換流站在單極運行（高低端都投運）時由4組換流變（12臺，2組星形連接，2組三角聯(lián)接）和2組500 kV站用變（一用一備）構成[13]。各電壓等級變電站主變的等效直流電阻值見表1，金華換流站換流變和備用變的等效直流電阻值分別為0.386 Ω和1.1 Ω。因沒有相關接地網(wǎng)的資料，各電壓等級變電站的接地網(wǎng)接地電阻取我國的典型值[16]，見表1。500 kV線路和220 kV線路的型號分別統(tǒng)一按LGJ-4*500 mm2和LGJ-2*400 mm2考慮，其單回單相直流電阻值見表1。

表1 浙西電網(wǎng)GIC模型參數(shù)Tab.1 GIC model parameters of Zhexi power grid

2.2 GIC建模計算

2.2.1 建模方法

由于中低緯電離層電流體系及模態(tài)復雜，利用地磁數(shù)據(jù)開展規(guī)劃電網(wǎng)GIC研究為常用方法。我國地磁臺臺數(shù)較少，且不同區(qū)域的磁暴數(shù)據(jù)和大地電導率參數(shù)不同。文獻[17]提出基于電離層等效電流的SECS（spherical elementary current system）算法，采用線性插值法處理得到任意目標點的磁暴數(shù)據(jù)。再根據(jù)磁暴數(shù)據(jù)和大地電導率參數(shù)，采用大地分層電導率模型[18]和平面波法[19]求取相應區(qū)域的感應地電場。

利用上述感應地電場的算法和模型，文獻[17]計算出2004年11月9—10日地磁暴作用下的地電場峰值為Ex=0.302 6 V/km，Ey=0.889 6 V/km。其中，Ex是東西向地電場值，Ey是南北向地電場值。該次地磁暴是課題組有相關監(jiān)測數(shù)據(jù)的最強地磁暴，但不是第22和23太陽周的最大地磁暴，受大地測深數(shù)據(jù)測點稀疏的影響，為評估實際磁暴下浙西電網(wǎng)GIC，選取該峰值地電場，并根據(jù)圖1所示線路走向，取地電場為東北方向。

2012年，由美國EPRI牽頭，通過國際合作，提出了計算復雜電網(wǎng)GIC的標準算例[12]，文獻[11]提出變壓器類型、接線等問題的處理方法，即建立電網(wǎng)直流計算模型的全節(jié)點模型法。根據(jù)這些成果，建立了浙西電網(wǎng)和金華換流站的GIC計算模型。

2.2.2 計算方法

與文獻[14]三華電網(wǎng)相比，浙西電網(wǎng)覆蓋區(qū)域小，其GIC可采用均勻地電場計算，線路兩端感應電壓值V僅與線路兩端的地理位置有關[12]：

式中：EN為北向地電場值；EE為東向地電場值。LN線路兩端點間的北向距離，km；LE為線路兩端點間的東向距離，km。距離計算考慮地球的橢圓外形。根據(jù)文獻[11-12]的節(jié)點導納法計算電網(wǎng)全節(jié)點GIC模型中各支路和節(jié)點的GIC計算公式分別如下：

式中：iki為電網(wǎng)GIC模型中由節(jié)點k流向i的支路GIC；jki為由式（1）計算結果等效的支路電流源；uk-ui為線路兩端電壓差；yki為線路導納；ii為由節(jié)點i流向大地的電流，即節(jié)點GIC；ui和yi分別為節(jié)點電壓和導納。

2.2.3 GIC計算結果

采用上述GIC建模和計算方法，27座變電站的單臺主變中性點GIC計算結果如圖2所示?？煽闯觯贕MD極值電場作用下，有信安、吳寧和夏金3座500 kV變電站，楓樹、桐鶴和下涯等7座220 kV變電站的主變中性點GIC超過20 A。其中，信安500 kV站主變中性點GIC高達67 A，方向為流入大地，楓樹220 kV站主變中性點GIC高達73 A，方向為流出大地。即地磁擾動單獨作用下上述變電站的主變已面臨較高的直流偏磁威脅。

圖2 變電站單臺主變中性點GICFig.2 GIC at individual transformer neutral point of substations

3 接地極直流電流分析

溪洛渡—浙西UHVDC調(diào)試時接地極的影響問題引起了廣泛關注。為評估接地極入地電流對浙江電網(wǎng)的影響程度，直流低端系統(tǒng)調(diào)試期間，在國網(wǎng)直流建設部指導下，浙江公司于2014年3月28日（第二階段調(diào)試）進行了溪洛渡—浙西UHVDC單極大地回線運行的偏磁測試工作，測試的接地極入地電流為-500 A（流出大地）。考慮到單極滿負荷運行時入地電流將達5 000 A，按變壓器直流偏磁電流與接地極入地電流呈線性關系計算，給出接地極入地電流為-5 000 A（流出大地）時測試的27座變電站單臺主變中性點的直流電流值如圖3所示。

可看出，溪洛渡—浙西UHVDC單極滿負荷運行時，雙龍、丹溪等5座500 kV變電站以及倪宅、西陶等12座220 kV變電站的單臺主變中性點直流超過20 A。其中，500 kV變電站中距離接地極最近的雙龍站（36.8 km）單臺主變中性點直流高達51 A，方向為流出大地；220 kV變電站中距離接地極最近的倪宅站（8.9 km）單臺主變中性點直流高達218 A，方向為流入大地；而距離接地極23.5 km的金華換流站換流變壓器中性點直流也超過了200 A[20]，方向為流入大地，即距離接地極最近的變電站直流偏磁電流最大。可看出，接地極單獨作用下上述變電站主變的直流偏磁電流已可能威脅設備及系統(tǒng)的安全。

圖3 變電站單臺主變中性點直流Fig.3 DC current at individual transformer neutral point of substations

4 共同作用下的影響分析

分析兩者共同作用下浙西電網(wǎng)中變壓器的偏磁電流情況，可將第2、3節(jié)中計算所得的27座變電站主變中性點GIC和直流電流取代數(shù)和，結果如圖4所示?？煽闯?，GMD和接地極共同作用下，27座變電站中僅有1座500 kV站（蒼巖）和4座220 kV站（大元、曹家、太平、石金）的單臺主變中性點偏磁電流不超過20 A，即共同作用下直流偏磁電流影響的問題要比GMD或接地極單獨作用下更嚴重。

但具體各變電站偏磁電流情況的變化取決于地磁擾動產(chǎn)生的GIC和接地極入地電流產(chǎn)生的直流電流在主變中性點的流向。其中，吳寧500 kV站在地磁擾動作用下主變中性點GIC為40.3 A（流入大地），在-5 000 A接地極入地電流作用下主變中性點直流電流為44 A（流入大地），故共同作用下其主變中性點偏磁電流增加至84.3 A（流入大地），直流偏磁問題加重，相同情況的變電站還有萬象、鳳儀、夏金500 kV站和下涯、萬松、桐鶴220 kV站。而太平220 kV站在強磁暴作用下主變中性點GIC為32 A（流入大地），在-5 000 A接地極入地電流作用下主變中性點直流電流為-22.6 A（流出大地），故共同作用下其主變中性點偏磁電流減小至9.4 A（流入大地），直流偏磁問題減輕，相同情況的變電站還有信安、蒼巖500 kV站和倪宅220 kV站。

圖4 變電站單臺主變中性點偏磁直流Fig.4 Bias current at individual transformer neutral point of substations

5 結論

由于浙江電網(wǎng)具有密度大、負荷重的特點，同時存在土壤電阻率偏大且分布不均等情況，故溪洛渡—浙西直流工程單極大地回線運行時對浙西受端電網(wǎng)的影響較大。計算結果表明，GMD或直流接地極的單獨作用已對浙西電網(wǎng)造成較大的直流偏磁威脅，而兩者共同作用下研究的27座變電站主變的直流偏磁問題更嚴重，但具體變化情況取決于GIC和入地電流的流向。

目前，浙西電網(wǎng)的很多變壓器已安裝了接地極直流偏磁電流抑制裝置。因此，需要在安排直流輸電檢修、調(diào)試時，注意中科院和中國氣象局空間天氣事件的預報，避開有太陽劇烈活動的時間安排檢修或調(diào)試，避免浙西電網(wǎng)安裝的直流偏磁電流抑制裝置發(fā)生過載問題，保障浙西電網(wǎng)安全。

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（編輯 馮露）

Calculation of Bias Currents in Zhexi Power Grid Subjected to Combined Geomagnetic Disturbance and Ground Electrode

LIU Lianguang1，XIE Haokai1，GUO Shixiao2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Hangzhou Power Supply Corporation，State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310009，Zhejiang，China）

During the operation of Xiluodu-Zhexi±800 kV HVDC transmission project，serious DC bias problems occurred to many transformers in the receiving-end grid of Zhexi Converter station，so it is necessary to assess the DC bias risk when Geo-magnetically induced current（GIC）is driven simultaneously by a geomagnetic disturbance（GMD）.Based on the network structure of Xiluodu-Zhexi UHVDC receiving-end grid，we established the GIC calculation model of Zhexi power grid and Jinhua converter station，and calculated their GICs with node admittance method.Furthermore，with the measured value of-500 A earth-return current during the trial stage of Xiluodu-Zhexi DC transmission project，we analyzed the bias current in Zhexi power grid subjected to the combined effect of GMD and ground electrode.The results show that the current capacity of DC bias blocking devices installed in Zhexi power grid is inadequate to deal with the combined effect of GMD and ground electrode.Therefore，in order to avoid the overload of blocking devices and ensure the safety of Zhexi power grid，maintenance and commissioning of blocking devices should be carefully scheduled according to space weather forecast of the Chinese Academy of Sciences and China Meteorological Administration to dodge the time frame of intense solar activities.

geomagnetic disturbance；ground electrode；geomagnetically induced currents；bias current

2015-09-23。

劉連光（1954—），男，教授，博士生導師，從事電網(wǎng)安全運行與災變控制、電力系統(tǒng)規(guī)劃等方面的研究工作；

謝浩鎧（1995—），男，本科生，專業(yè)為電氣工程及其自動化；

郭世曉（1990—），男，碩士研究生，研究方向為電網(wǎng)安全運行與災變控制，目前在國網(wǎng)杭州供電公司從事變電運維工作。

國家自然科學基金項目（51177045，50577060）。

Supported by National Natural Science Foundation of China（51177045，50577060）.

1674-3814（2016）05-0022-05

TM721

A