曹力潭，焦晨驊，沈正元，孫林濤，田 碩，年長(zhǎng)春

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大，我國(guó)發(fā)現(xiàn)的變壓器偏磁問題也越來越多。目前，發(fā)現(xiàn)的影響較大的偏磁驅(qū)動(dòng)源有兩種：一是直流輸電單極大地回路方式運(yùn)行時(shí)，接地極入地電流形成的直流地電位差在電網(wǎng)產(chǎn)生的偏磁電流[1-2]；二是地磁暴的GMD（地磁擾動(dòng)）在電網(wǎng)產(chǎn)生的0.000 1～0.01 Hz 的準(zhǔn)直流[3-4]，簡(jiǎn)稱GIC（地磁感應(yīng)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(guó)、南非等電網(wǎng)的大量變壓器直接損毀。隨著大電網(wǎng)導(dǎo)線的直流電阻越來越小，在浙江、江蘇和廣東500 kV 電網(wǎng)也發(fā)現(xiàn)了大量的GIC 侵害電網(wǎng)的事件[5-7]。其中，在廣東500 kV 電網(wǎng)實(shí)測(cè)的GIC 最大值為75.5 A[8]。

國(guó)內(nèi)對(duì)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(fù)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(wǎng)44 個(gè)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(wǎng)偏磁電流轉(zhuǎn)移，使治理的范圍擴(kuò)大[9]。與局限在接地極近區(qū)電網(wǎng)的偏磁問題相比，太陽劇烈活動(dòng)的地磁暴在全球的不同地區(qū)幾乎是同時(shí)發(fā)生，在已開工建設(shè)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(wǎng)GIC 轉(zhuǎn)移，需不需要治理GIC，以及如何治理GIC 都亟需研究。

本文根據(jù)浙江省各地區(qū)的大地電性構(gòu)造和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，采用文獻(xiàn)[10-12]提出的模型及算法，研究金絲接地極偏磁治理對(duì)浙江電網(wǎng)GIC 轉(zhuǎn)移的影響，尋找電網(wǎng)新產(chǎn)生的GIC 事故高風(fēng)險(xiǎn)廠站站點(diǎn)，決策是否需要做治理，并為白鶴灘—浙北直流工程建設(shè)，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(chǔ)。

1 GMD 數(shù)據(jù)與地電場(chǎng)計(jì)算

靠近南北極地球的基本磁場(chǎng)強(qiáng)，太陽活動(dòng)造成的GMD 相對(duì)劇烈和南北分量更大，因此高磁緯國(guó)家的電網(wǎng)GIC 計(jì)算通常忽略東西分量的GMD。我國(guó)大陸的大部分地處中、低磁緯地區(qū)，GMD 的強(qiáng)度相對(duì)弱，但GMD 的南北分量和東西分量都很大[13]，我國(guó)科學(xué)家根據(jù)中低緯地區(qū)GMD的特征，提出了基于平面波理論計(jì)算GMD 感應(yīng)地電場(chǎng)算法[14]。

GMD 地電場(chǎng)與大地電性及其構(gòu)造有關(guān)，首先需要建立深層大地的電阻率模型。根據(jù)文獻(xiàn)[14]的理論算法，參照文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]，考慮大地電性及其構(gòu)造的差異和海岸效應(yīng)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(cè)深數(shù)據(jù)、中國(guó)地震局國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心提供的1989 年3 月13 日和2004 年11 月9 日北京地磁臺(tái)地磁暴的GMD 數(shù)據(jù)，以及江蘇省地震局高郵地磁臺(tái)提供的2017 年9 月7 日地磁暴的GMD 數(shù)據(jù)，建立三維的大地電阻率模型，計(jì)算3 次地磁暴GMD 在浙江各地區(qū)大地感應(yīng)的電場(chǎng)最大值，計(jì)算結(jié)果如圖1 所示。

圖1 3 次地磁暴浙江各地區(qū)感應(yīng)地電場(chǎng)最大值

地磁暴GMD 感應(yīng)地電場(chǎng)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(chǎng)量值最大，為1.51 V/km；其中，北向電場(chǎng)Ey 為1.306 6 V/km，東向電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)Ey 分別為0.858 8 V/km 和0.802 6 V/km，北向電場(chǎng)東向地電場(chǎng)Ex 分別為0.508 7 V/km 和0.451 7 V/km。根據(jù)圖1 地電場(chǎng)結(jié)果，建立電網(wǎng)GIC 模型可計(jì)算電網(wǎng)GIC。

上述地電場(chǎng)計(jì)算的三維大地電阻率模型的建模過程復(fù)雜，各地的大地電磁測(cè)深和3 次地磁暴的GMD 數(shù)據(jù)量大，限于篇幅本文不做詳細(xì)介紹，文獻(xiàn)[14]的理論算法經(jīng)過2004 年11 月7 日和11月9 日地磁暴電網(wǎng)GIC 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證[14]，并已經(jīng)在廣東、江蘇、新疆和蒙東等電網(wǎng)應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]采用三維模型分析大地橫縱向電性及構(gòu)造的差異，已得到4 個(gè)接地極偏磁治理工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，為酒湖工程農(nóng)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(shù)據(jù)。

與高磁緯地區(qū)相比，中低緯GMD 的強(qiáng)度整體相對(duì)弱，但在我國(guó)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(gòu)造對(duì)地電場(chǎng)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(chǎng)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(duì)大造成的。

2 浙江電網(wǎng)GIC 模型及算法

從電網(wǎng)GIC 產(chǎn)生機(jī)理與物理過程角度，地磁暴GMD 與地電場(chǎng)計(jì)算屬于地球物理步驟，電網(wǎng)GIC 計(jì)算屬于電氣工程步驟。與地球物理步驟相比，因電網(wǎng)數(shù)據(jù)、資料是已知的，電網(wǎng)GIC 計(jì)算的關(guān)鍵問題是抓重點(diǎn)問題開展研究。文獻(xiàn)[7]提出，第23 太陽周的多次地磁暴電網(wǎng)GIC 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，由于220 kV 電網(wǎng)導(dǎo)線的單位直流電阻大，220 kV 電網(wǎng)GIC 比500 kV 電網(wǎng)小1 個(gè)數(shù)量級(jí)，文獻(xiàn)[15]的研究表明，高電壓等級(jí)電網(wǎng)GIC 對(duì)低電壓等級(jí)電網(wǎng)的GIC 影響大，反之影響小。因此，本文只計(jì)算浙江500 kV 及以上電網(wǎng)的GIC。

只考慮500 kV 及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)的原始模型如圖2 所示。由于目前浙江1 000 kV 電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且1 000 kV 站30 和站48 變壓器中性點(diǎn)安裝有電容型的治理裝置，浙江1 000 kV電網(wǎng)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(biāo)注為實(shí)心的變電站為安裝有電容治理裝置的變電站，共計(jì)10 座500 kV 變電站和與500 kV 電網(wǎng)有通路的2 座1 000 kV 變電站。本文根據(jù)圖2 原始模型，采用文獻(xiàn)[12]的建模方法研究金絲接地極接地極偏磁治理對(duì)浙江電網(wǎng)GIC 的影響。

圖2 含隔直裝置的浙江500 kV 電網(wǎng)原始模型

對(duì)任一省級(jí)電網(wǎng)，考慮變電站主接線、主設(shè)備的GIC 計(jì)算模型非常復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量多。為了對(duì)復(fù)雜電網(wǎng)的GIC 進(jìn)行有效計(jì)算，2012 年由EPRI（美國(guó)電科院）牽頭，聯(lián)合國(guó)際長(zhǎng)期研究電網(wǎng)GIC 問題的專家，開發(fā)計(jì)算電網(wǎng)GIC 的標(biāo)準(zhǔn)算例模型[16]，以下簡(jiǎn)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(gè)變電站、1 個(gè)開關(guān)站、15 臺(tái)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(guó)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(lián)結(jié)方式，單雙回輸電線路，串補(bǔ)和中性點(diǎn)接地電容等可阻斷GIC流通設(shè)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(jí)電網(wǎng)GIC計(jì)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(wǎng)GIC 計(jì)算，以及酒湖、扎青和上山UHVDC（特高壓直流）工程的4 個(gè)接地極的偏磁治理中應(yīng)用。

根據(jù)圖3 的GIC-Benchmark 算例模型及建模的規(guī)定，對(duì)圖1 原始模型建立GIC 計(jì)算模型，將計(jì)算得到的圖1 各地區(qū)的地電場(chǎng)看成是作用在對(duì)應(yīng)線路上的電壓源，采用節(jié)點(diǎn)電壓法和MATLAB軟件編程，可計(jì)算圖1 中每條線路和每座變電站變壓器中性點(diǎn)的GIC，分析金絲接地極偏磁治理對(duì)電網(wǎng)GIC 的影響。采用本文建模方法和MATLAB程序，筆記本計(jì)算機(jī)可在6 h 內(nèi)完成1 次GIC 的計(jì)算。

3 治理前后電網(wǎng)GIC 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)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(chǎng)東西和南北分量都大的特征，分別計(jì)算在東向電場(chǎng)Ex 和北向電場(chǎng)Ey 作用下，考慮輸電線路的走向先計(jì)算輸電線路的GIC，在計(jì)算每座變電站變壓器中性點(diǎn)GIC 最大值。得到浙江電網(wǎng)在1989 年3 月13 日地磁暴GMD 感應(yīng)地電場(chǎng)侵害下，浙江電網(wǎng)部分發(fā)電廠站每臺(tái)變壓器中性點(diǎn)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(diǎn)GIC 最大值

在表1 中，包含4 條浙江省與其他省電網(wǎng)相連輸電線路對(duì)端變電站變壓器中性點(diǎn)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(duì)端廠站變壓器中性點(diǎn)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(chǎng)的侵害下，圖1 電網(wǎng)在金絲接地極直流偏磁治理前后，中性點(diǎn)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(diǎn)GIC 最大值

表3 偏磁治理前后2017 年地磁暴中性點(diǎn)GIC 最大值

4 接地極偏磁治理對(duì)電網(wǎng)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(duì)應(yīng)廠站變壓器中性點(diǎn)的GIC 數(shù)據(jù)可看出，變壓器中性點(diǎn)GIC 量值的大小，與用Dst 指數(shù)評(píng)價(jià)的地磁暴的強(qiáng)度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)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(dǎo)體的直流電阻決定。

從表1 數(shù)據(jù)可看出，除幾個(gè)受輸電線路稀疏和終端變電站因素的影響外，浙江電網(wǎng)受地磁暴影響的廠站多數(shù)在沿海地區(qū)，主要原因?yàn)槭芎０洞蟮仉娮杪释蝗幌陆档挠绊慬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(tái)變壓器中性點(diǎn)的GIC 量值從32.31 A 增大到103.1 A。對(duì)比表2 和表3 數(shù)據(jù)，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(diǎn)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(chǎn)生的GIC，會(huì)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(dǎo)線的線路，變電站1 變壓器GIC 會(huì)很大；而對(duì)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(diǎn)流入大地，i-j 線路的GIC 從大地流向i 站變壓器中性點(diǎn)，因此如果i 站兩端線路的GIC 大致相等，i 站變壓器的GIC 會(huì)接近為零。1 站的GIC 大的現(xiàn)象，被稱為GIC 的終端站效應(yīng)。國(guó)外稱之為拐點(diǎn)效應(yīng)，同理，圖4 中n 站也存在終端站效應(yīng)。

從表1 數(shù)據(jù)可看出，在1989 年3 月13 日地磁暴侵害下，受電網(wǎng)GIC 終端站效應(yīng)和對(duì)應(yīng)的500 kV 輸電線路導(dǎo)線的直流電阻相對(duì)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(wǎng)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(duì)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(diǎn)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(guān)注陳安村接地極偏磁治理對(duì)500 kV站8 的GIC 影響，或優(yōu)先考慮治理站8 的GIC。

5 結(jié)論

本文利用3 次地磁暴的GMD 以及浙江大地和電網(wǎng)數(shù)據(jù)、資料，研究了金絲接地極偏磁治理對(duì)浙江電網(wǎng)GIC 的影響。得到的主要結(jié)論如下：

（1）金絲接地極的偏磁治理，對(duì)未安裝電容隔直裝置廠站的影響效應(yīng)是：會(huì)使個(gè)別廠站的GIC 增大，也會(huì)使個(gè)別廠站的GIC 量值減小，但由于浙西500 kV 廠站的站點(diǎn)的位置相對(duì)稀疏，受金絲接地極偏磁治理影響的廠站的數(shù)量不多。

（2）金絲接地極的偏磁治理，使未治理廠站單臺(tái)變壓器中性點(diǎn)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(diǎn)的GIC 會(huì)從10 A水平，增大為90 A的水平，使之成為GIC 事故高的風(fēng)險(xiǎn)廠站。

（3）目前，白鶴灘—浙北直流已開工建設(shè)，浙北換流站的接地極選址為陳安村。與浙西電網(wǎng)相比，浙北500 kV 廠站的站點(diǎn)位置相對(duì)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(duì)GIC 的影響會(huì)增大。