金絲接地極偏磁治理對浙江電網GIC的影響

曹力潭，焦晨驊，沈正元，孫林濤，田 碩，年長春

（國網浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

隨著電網規(guī)模的增大，我國發(fā)現的變壓器偏磁問題也越來越多。目前，發(fā)現的影響較大的偏磁驅動源有兩種：一是直流輸電單極大地回路方式運行時，接地極入地電流形成的直流地電位差在電網產生的偏磁電流[1-2]；二是地磁暴的GMD（地磁擾動）在電網產生的0.000 1～0.01 Hz 的準直流[3-4]，簡稱GIC（地磁感應電流）。在造成的影響與危害上，1989 年3 月13 日地磁暴的GIC 誘發(fā)了加拿大魁北克大停電[3]，以及美國、南非等電網的大量變壓器直接損毀。隨著大電網導線的直流電阻越來越小，在浙江、江蘇和廣東500 kV 電網也發(fā)現了大量的GIC 侵害電網的事件[5-7]。其中，在廣東500 kV 電網實測的GIC 最大值為75.5 A[8]。

國內對直流輸電的偏磁問題研究較多，近年很多UHVDC 直流都做過偏磁治理。溪浙±800 kV直流送電功率8 000 MW，在單極滿負荷工況下入地電流為5 000 A，由于入地電流大，該工程在金絲接地極近區(qū)電網44 個廠站安裝了電容隔離或電阻限流裝置，治理接地極的偏磁電流，但由于采用的電容裝置多，造成電網偏磁電流轉移，使治理的范圍擴大[9]。與局限在接地極近區(qū)電網的偏磁問題相比，太陽劇烈活動的地磁暴在全球的不同地區(qū)幾乎是同時發(fā)生，在已開工建設的白鶴灘—浙北±800 kV 直流工程中，如何避免浙北陳家村接地極偏磁治理造成的電網GIC 轉移，需不需要治理GIC，以及如何治理GIC 都亟需研究。

本文根據浙江省各地區(qū)的大地電性構造和電網結構的數據資料，以及1989 年3 月13 日、2004年11 月9 日和2017 年9 月7 日3 次地磁暴的GMD 數據，采用文獻[10-12]提出的模型及算法，研究金絲接地極偏磁治理對浙江電網GIC 轉移的影響，尋找電網新產生的GIC 事故高風險廠站站點，決策是否需要做治理，并為白鶴灘—浙北直流工程建設，以及綜合治理地磁暴和陳安村接地極的偏磁提供理論基礎。

1 GMD 數據與地電場計算

靠近南北極地球的基本磁場強，太陽活動造成的GMD 相對劇烈和南北分量更大，因此高磁緯國家的電網GIC 計算通常忽略東西分量的GMD。我國大陸的大部分地處中、低磁緯地區(qū)，GMD 的強度相對弱，但GMD 的南北分量和東西分量都很大[13]，我國科學家根據中低緯地區(qū)GMD的特征，提出了基于平面波理論計算GMD 感應地電場算法[14]。

GMD 地電場與大地電性及其構造有關，首先需要建立深層大地的電阻率模型。根據文獻[14]的理論算法，參照文獻[10]和文獻[11]，考慮大地電性及其構造的差異和海岸效應等因素的影響，本文基于收集的浙江省各地區(qū)的大地電磁測深數據、中國地震局國家地磁臺網中心提供的1989 年3 月13 日和2004 年11 月9 日北京地磁臺地磁暴的GMD 數據，以及江蘇省地震局高郵地磁臺提供的2017 年9 月7 日地磁暴的GMD 數據，建立三維的大地電阻率模型，計算3 次地磁暴GMD 在浙江各地區(qū)大地感應的電場最大值，計算結果如圖1 所示。

圖1 3 次地磁暴浙江各地區(qū)感應地電場最大值

地磁暴GMD 感應地電場量值決定GMD 水平分量的變化率。由圖1 可見，1989 年3 月13 日地磁暴浙江溫州地電場量值最大，為1.51 V/km；其中，北向電場Ey 為1.306 6 V/km，東向電場Ex為0.756 8 V/km。同理，2004 年11 月9 日和2017年9 月7 日地磁暴的地電場最大值為0.998 2 V/km和0.921 0 V/km，兩次地磁暴的北向電場Ey 分別為0.858 8 V/km 和0.802 6 V/km，北向電場東向地電場Ex 分別為0.508 7 V/km 和0.451 7 V/km。根據圖1 地電場結果，建立電網GIC 模型可計算電網GIC。

上述地電場計算的三維大地電阻率模型的建模過程復雜，各地的大地電磁測深和3 次地磁暴的GMD 數據量大，限于篇幅本文不做詳細介紹，文獻[14]的理論算法經過2004 年11 月7 日和11月9 日地磁暴電網GIC 實測數據的驗證[14]，并已經在廣東、江蘇、新疆和蒙東等電網應用。文獻[10]采用三維模型分析大地橫縱向電性及構造的差異，已得到4 個接地極偏磁治理工程實測數據的驗證，為酒湖工程農豐村接地極、扎青工程扎魯特和高青接地極，以及上山工程朱雙村接地極偏磁治理提供了數據。

與高磁緯地區(qū)相比，中低緯GMD 的強度整體相對弱，但在我國大陸（全球小范圍）GMD 的差別不大，地表及深層大地的電性及其構造對地電場的影響更大。從圖1 可以看出，3 次地磁暴溫州和寧波地區(qū)的地電場的量值大，這是由于與其它地區(qū)相比，溫州和寧波大地電阻率相對大造成的。

2 浙江電網GIC 模型及算法

從電網GIC 產生機理與物理過程角度，地磁暴GMD 與地電場計算屬于地球物理步驟，電網GIC 計算屬于電氣工程步驟。與地球物理步驟相比，因電網數據、資料是已知的，電網GIC 計算的關鍵問題是抓重點問題開展研究。文獻[7]提出，第23 太陽周的多次地磁暴電網GIC 實測數據表明，由于220 kV 電網導線的單位直流電阻大，220 kV 電網GIC 比500 kV 電網小1 個數量級，文獻[15]的研究表明，高電壓等級電網GIC 對低電壓等級電網的GIC 影響大，反之影響小。因此，本文只計算浙江500 kV 及以上電網的GIC。

只考慮500 kV 及以上電壓等級電網的原始模型如圖2 所示。由于目前浙江1 000 kV 電網的結構簡單，并且1 000 kV 站30 和站48 變壓器中性點安裝有電容型的治理裝置，浙江1 000 kV電網沒有GIC 的流通路徑，因此在圖2 中1 000 kV 線路未繪出，在圖2 中標注為實心的變電站為安裝有電容治理裝置的變電站，共計10 座500 kV 變電站和與500 kV 電網有通路的2 座1 000 kV 變電站。本文根據圖2 原始模型，采用文獻[12]的建模方法研究金絲接地極接地極偏磁治理對浙江電網GIC 的影響。

圖2 含隔直裝置的浙江500 kV 電網原始模型

對任一省級電網，考慮變電站主接線、主設備的GIC 計算模型非常復雜，節(jié)點的數量多。為了對復雜電網的GIC 進行有效計算，2012 年由EPRI（美國電科院）牽頭，聯合國際長期研究電網GIC 問題的專家，開發(fā)計算電網GIC 的標準算例模型[16]，以下簡稱Benchmark 算例，如圖3 所示[12]。Benchmark 算例包括20 條母線、15 條線路、7 個變電站、1 個開關站、15 臺變壓器，粗黑線和虛線分別表示345 kV 和500 kV 輸電線路及連接的母線。

圖3 國際GIC-Benchmark 算例模型

Benchmark 算例模型，規(guī)定了變電站不同主接線、不同類型變壓器、繞組聯結方式，單雙回輸電線路，串補和中性點接地電容等可阻斷GIC流通設備等問題的處理方法?？梢哉fBenchmark算例模型，考慮了多年研究多電壓等級電網GIC計算模型的所有影響因素，該算例模型已在新疆和蒙東等電網GIC 計算，以及酒湖、扎青和上山UHVDC（特高壓直流）工程的4 個接地極的偏磁治理中應用。

根據圖3 的GIC-Benchmark 算例模型及建模的規(guī)定，對圖1 原始模型建立GIC 計算模型，將計算得到的圖1 各地區(qū)的地電場看成是作用在對應線路上的電壓源，采用節(jié)點電壓法和MATLAB軟件編程，可計算圖1 中每條線路和每座變電站變壓器中性點的GIC，分析金絲接地極偏磁治理對電網GIC 的影響。采用本文建模方法和MATLAB程序，筆記本計算機可在6 h 內完成1 次GIC 的計算。

3 治理前后電網GIC 計算結果

根據上述模型及算法，圖1 輸電線路直流電阻、變壓器繞組直流電阻和變電站接地電阻、以及中低緯GMD 和地電場東西和南北分量都大的特征，分別計算在東向電場Ex 和北向電場Ey 作用下，考慮輸電線路的走向先計算輸電線路的GIC，在計算每座變電站變壓器中性點GIC 最大值。得到浙江電網在1989 年3 月13 日地磁暴GMD 感應地電場侵害下，浙江電網部分發(fā)電廠站每臺變壓器中性點的GIC 最大值如表1 所示。

表1 1989 年地磁暴各廠站變壓器中性點GIC 最大值

在表1 中，包含4 條浙江省與其他省電網相連輸電線路對端變電站變壓器中性點的GIC，分別為站5-站C、站11-站A、站11-站E 和站46-站D 輸電線路對端廠站變壓器中性點的GIC。

同理，可得到在2004 年11 月9 日和2017 年9 月7 日地磁暴GMD 地電場的侵害下，圖1 電網在金絲接地極直流偏磁治理前后，中性點GIC量值較大的廠站GIC 最大值，如表2 和表3 所示。

表2 偏磁治理前后2004 年地磁暴中性點GIC 最大值

表3 偏磁治理前后2017 年地磁暴中性點GIC 最大值

4 接地極偏磁治理對電網GIC 的影響

1989 年3 月13 日地磁暴Dst=-589 nT，屬于超大磁暴。2004 年11 月9 日地磁暴Dst=-374 nT，屬于大磁暴。2017 年9 月7 日地磁暴Dst=-148 nT，屬于中等磁暴。比較表1、表2 和表3 對應廠站變壓器中性點的GIC 數據可看出，變壓器中性點GIC 量值的大小，與用Dst 指數評價的地磁暴的強度有一定的對應關系，但主要由地磁暴GMD 水平分量的變化率和輸電線路、變壓器導體的直流電阻決定。

從表1 數據可看出，除幾個受輸電線路稀疏和終端變電站因素的影響外，浙江電網受地磁暴影響的廠站多數在沿海地區(qū)，主要原因為受海岸大地電阻率突然下降的影響[11]。其中，近海地區(qū)的500 kV 站34，在受金絲接地極偏磁治理的影響，每臺變壓器中性點的GIC 量值從32.31 A 增大到103.1 A。對比表2 和表3 數據，在2004 年11月9 日和2017 年9 月7 日地磁暴GMD 的侵害下，500 kV 站34 中性點的GIC 從10 A 水平，增大為90 A 的水平。

終端站變壓器的GIC 較大的物理解釋如圖4所示。以變電站1 為例，地磁暴GMD 電壓源作用在1-i 線路，兩端接地變壓器與大地回路產生的GIC，會全部流過變電站1 的變壓器。如果1-i線路的等值直流電阻小，尤其是采用多分裂大截面導線的線路，變電站1 變壓器GIC 會很大；而對于變電站i 的變壓器，由于1-i 線路的GIC 從i站變壓器中性點流入大地，i-j 線路的GIC 從大地流向i 站變壓器中性點，因此如果i 站兩端線路的GIC 大致相等，i 站變壓器的GIC 會接近為零。1 站的GIC 大的現象，被稱為GIC 的終端站效應。國外稱之為拐點效應，同理，圖4 中n 站也存在終端站效應。

從表1 數據可看出，在1989 年3 月13 日地磁暴侵害下，受電網GIC 終端站效應和對應的500 kV 輸電線路導線的直流電阻相對小的影響，如500 kV 站33 和1 000 kV 站30、500 kV 站32的GIC，超過了造成魁北克大停電事故電網200 A的GIC 量值的水平，2014 年站30 和站32 安裝了隔直治理裝置，兩站的偏磁治理對防治GIC 有效。

需要注意的是，在1989 年3 月13 日地磁暴的侵害下，金絲接地極偏磁治理后，500 kV 站8 和站43 變壓器中性點的GIC 增大值超過20 A；其中，500 kV 站8 離±800 kV 白鶴灘-浙北直流陳安村接地極距離近，并且3 次地磁暴的GIC 增大都超過20 A。因此，除治理500 kV 站34 的GIC外，需要關注陳安村接地極偏磁治理對500 kV站8 的GIC 影響，或優(yōu)先考慮治理站8 的GIC。

5 結論

本文利用3 次地磁暴的GMD 以及浙江大地和電網數據、資料，研究了金絲接地極偏磁治理對浙江電網GIC 的影響。得到的主要結論如下：

（1）金絲接地極的偏磁治理，對未安裝電容隔直裝置廠站的影響效應是：會使個別廠站的GIC 增大，也會使個別廠站的GIC 量值減小，但由于浙西500 kV 廠站的站點的位置相對稀疏，受金絲接地極偏磁治理影響的廠站的數量不多。

（2）金絲接地極的偏磁治理，使未治理廠站單臺變壓器中性點GIC 量值增大超過20 A 的有：500 kV 站8、站43 和站34。其中，500 kV 站34變壓器中性點的GIC 會從10 A水平，增大為90 A的水平，使之成為GIC 事故高的風險廠站。

（3）目前，白鶴灘—浙北直流已開工建設，浙北換流站的接地極選址為陳安村。與浙西電網相比，浙北500 kV 廠站的站點位置相對密集，接地極偏磁的影響范圍可能降低，但如果像浙西一樣采用隔離裝置治理偏磁，對GIC 的影響會增大。