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北極星火力發電網訊: 預知電力系統發展中一些新的、隨時可能發生的嚴重事故，并采取有效的措施加以防護，是智慧電力系統建設的重大需求之一。其中，地磁暴對電網和油氣管網安全運行的嚴重危害，是經工程院院士咨詢項目論證、并得到國家高度關注和重視的新問題。
2019 年 8 月 21 日，由中國能源研究會節能減排中心聯合華北電力大學國家大學科技園共同舉辦的 2019 年智慧電廠論壇（第二期）在北京召開。主旨報告環節，華北電力大學教授、博士生導師 劉連光作了題為發電廠地磁暴偏磁事故風險評估和安全防治措施的報告。北極星電力網對本次會議進行全程直播。直播會議合作，請聯系手機 / 微信：13693626116。
華北電力大學教授、博士生導師 劉連光
地磁爆這個詞大家可能不太熟悉，地磁爆對電力系統安全影響是華北電力大學多年來開創的一項工作，這個工作現在已經得到工程院、科學院的有關重視，并聯合向國家提出了建議。近兩年這個工作，主要是在電力系統開始做一些防治，包括國家電網公司也立了一些項目。
我先介紹一下這個概念：
第一個概念，地磁爆，是太陽磁場變化和地球磁場相互作用引起的地磁擾動，是電磁學方面的問題。這些年除了地基的電網、輸油管道、高速鐵路以外，我們空間活動，像航空航天、衛星、宇航員也都未受到太陽風的應用，這個領域 20 年來已經形成了一個新的學科叫空間天氣。
第二個概念，電磁感應電流，英文縮寫是 GIC。剛才說的磁場，在大地會感應電廠，這個電廠作用在輸電線路兩端接地的電壓之間，在電網里會形成一個電流，這個電流是準直流性質的，所以這個電流是電磁感應電流，這個電流引發出很多事故，最著名的是 1989 年魁北克電網大停電事故。
第三個概念，變壓器偏磁。變壓器是通過電磁感應原理工作的，變壓器當中有直流電流流過時，要向上偏移，這種情況叫變壓器偏磁飽和。右邊這個圖是國外實測的由于地磁爆造成的變壓器偏磁飽和有功變化、無功變化、諧波變化。變壓器偏磁的時候造成的有功變化是很小的，但是會造成大量的無功變化，以及變壓器的損耗增大，造成變壓器電芯發熱，直接損毀變壓器。我們在運行當中能觀測到的現象，就是震動和噪聲增大。
事故案例非常多，最典型的就是 1989 年 3 月 13 日地磁爆造成魁北克電網大停電，這個背景圖是王梅義、吳競昌、蒙定中三位老師寫的《大電網技術》的背景資料。
這次造成的魁北克電網的大停電，當時不知道什么原因，我們現在研究智能電網或者智慧電廠，要去分析會產生事故的一些新的原因。下邊這個是 2003 年 10 月 30 日那次地磁爆，造成南非電網變壓器的損毀，一共損毀是十幾臺變壓器。左邊這個圖，是 1989 年 3 月 13 日地磁爆造成的美國新澤西核電站變壓器的損毀事故。
我下面用一些實測數據和計算數據來評估我們電力市場發生地磁爆造成的影響。
這個數據是 2004 年 11 月的地磁爆，2004 年到 2015 年一共十幾次地磁爆，獲得了很多這樣的數據，這是最嚴重的一次，但比 1989 年的地磁爆強度小得多。最下邊這個曲線是廣東肇慶地磁臺對地磁擾動的實質數據，我們國家現在有 80 多個地磁臺可以供我們研究使用。中間這個數據，是地磁數據的變化率，上邊是廣東嶺澳核電站 1 號變壓器中性點地磁感應電流的實測數據，這次地磁爆達到的水平 75.5A，我們現在直流輸電接地極造成的偏磁，治理的標準是中性點的電流不超過 18A，18A 以上要治理，而這次地磁爆達到 75.5A。這個數據在國際上是第一次在全球中低維度國家獲得電網地磁爆影響的實測數據，這個數據改變了高緯度地磁國家研究地磁爆的一些理論和他們的一些觀點，中低緯度和他們是不一樣的。
這是 2013 年工程院專門針對地磁爆的影響進行了兩年的研究討論，根據我們這么多年建立的理論模型，選擇了甘肅和我們華東地區的特高壓電網進行理論計算，為國家建議提供依據。
這是一部分數據。由于我們現在電網輸電線路導線的直流電阻越來越小，計算的結果在特高壓電網，由于最低采用 500 平方八分裂的導線，在一些終端電站，比如華南電網里我們管它叫終端變電站效應，對電廠多數升壓站應該都是電網的終端站。
這個數據是我在做偏磁治理調試的時候正好發生地磁爆，這之前我們也獲得了 500 千伏變壓器點 GIC 產生的擾動數據，這是 2017 年 9 月 8 日地磁爆昌樂站，咱們的變壓器測量系統可以獲得這個數據。是中壓測 5000 千伏測的數據，這個和剛才我說的國外的數據相比，由于我們 1000 千伏特高壓數據容量非常大，所以產生的無功擾動波動還是很大的。
我剛才說了這個概念，為什么提出發電廠影響問題。這是一個電路圖，代表 4 個變電站、4 條線路、5 個廠站，按照回路電流大家可以分析，不能詳細解釋。中間的站，流入變壓器從中性點流入的電流，肯定是一個入地、一個流出，但是兩端的站肯定是回路里的電流。在我們輸電線路長度差不多的時候，兩端變電站的 GIC 會大，這個就相當于是發電廠。
第三個，簡單介紹一下，因為要詳細計算很復雜，一個是要用到地磁臺的地磁擾動數據，還要考慮大地的測深數據，國外做這個計算一般要到地下四五百公里深，我們現在做的，最多做到 310 公里深，完全做理論計算不是能完成的。這個是我們現在針對蒙東電網做偏磁治理做的計算。其中有一些變壓器、有一些是發電廠，魏家卯就是一個電廠，發生魁北克大停電是北京地磁臺的地磁數據來做的計算，遠遠超過我們現在直流輸電接地極、入地電流造成的影響，所以在蒙東電網因為現在這方面沒有標準，怎么去治理，所以我們就按照理論計算超過魁北克電網 200A 的水平去治理。現在針對蒙東電網的一期方案，是電流在 150A、200A 的時候選擇先做測量。
這個不詳細講了，針對蒙東電網計算是我前面兩個 863 項目，也在跟吉林大學搞地球物理的科學家合作，用他們提供的大地電磁測深的數據，測到 310 公里，當然不是專門為我這個做的，是他們研究遼河平原的演化做的數據，這個數據正好也用在了我們扎魯特工程的評估上，所以建立的模型，用原來表述的半徑是 200 公里，針對山東電網也是將近 20 萬平方公里來建這個大數據模型。所以這個數據是準確的，這個數據也是直接指導了扎魯特偏磁治理工程的建設，還有山東沂南工程。
這個是用山東的模型做出來的接地極用的電流的分布，這個不是地磁爆的，我要說明什么問題呢？為什么美國也是沿海的電廠，地磁爆發生變壓器的損毀。在山東尤其青島、日照四個電廠的影響，主要是因為海岸效應的影響、大面積水域的影響。
這些曲線是陸地形成的等電位分布，大家可以看出來，靠青島日照這邊，等電位線分布比較密集，所以說很短的電廠接入電網的線路就可能造成電網的偏磁電流比其他地方要大得多，當然這個問題很復雜。
結合蒙東電網，影響因素很復雜，我打鉤的這幾個變壓器它的偏磁電流比較大？這和電網結構有關系，電網和電網結構有關系，但是從電廠角度來講，也和電廠饋線接入電網的形式、方向、走向、導線的類型等很多因素有關系。我教大家一個簡單的方法，我們以蒙東電網白音華電廠為例，因為純粹的理論計算時間比較長，計算機建模計算比較長，計算白音華電廠在北向電廠的作用下它的 GIC 會達到 145.88 的水平，為什么？就是因為它接入電網線路比較長，這個線路長度，兩條線，白巴 1 線、2 線，都是 152 公里的水平。建不了模型怎么估計，作為我們電廠自己考慮的話，就是用接入電網的線路、導線的型號、單位變組是多少，都很方便能找得到，按照每一項，因為 GIC 屬于在中性點的電流是三相線路電流的之合，三相：線路、變壓器、繞組，這個回路的電流之合，所以可以一項一項算。按照標準，變壓器大電流的接地系統的接地電阻是 0.5，這是標準要求的，變壓器繞組的電阻，5000 千伏的變壓器一般是不超過 0.2 歐的水平，所以有這樣參數。1989 年這次地磁爆，根據蒙東電網計算出來的地面電廠是 1.7V，按 152 公里×1.7V，整個承受的地面電勢是多少，最后可以求出來這個電流。這個估算的方法比理論計算的方法要大，為什么？因為我們理論計算的方法，地磁爆產生的電廠方向我們是不確定的，我們一般把它分解成東向電廠和北向電廠來算。我這個計算就相當于這個電位全部作用在這個電路上了，所以這種估算方法比理論計算方法要大一些，但是它可以作為我們估算電廠是不是存在發生地磁爆事故風險的一個基本方法，這是多年以來研究總結各方面的特征和規律，認為可以用這樣的方法來進行估算。
除了空間物理的原因以外，變壓器鐵芯結構也是很重要的因素。我們現在一般 500 千伏以上變壓器多數采用單相自耦變，所以比 220 千伏系統采用的三相三柱變壓器抗偏磁能力要弱得多，三相三柱變壓器因為直流相當于三相磁互相抵銷，所以它的抗偏磁能力要強一些。另外，在電廠這種現象不容易發現，我們電網發現的這些偏磁，比如嶺澳核電站、江蘇、浙江電網、廣東電網，都是運行人員，正好發生磁爆的時候走到那兒巡檢，突然聽見聲音非常非常大，是這樣發現的。現在用不著這樣去發現了，社科院包括地區省的電科院都很熟悉這個事情，我們電廠一般環境的背景噪音可能大一些，通過聲音是很難發現的，所以要進行估算，有問題要盡早采取措施進行消缺。
第四個，講一下這個治理的技術，怎么去解決。這個圖里是魁北克電網發生大停電以后魁北克水電局在北美電力可靠性協會治理下最后研究的方案，很多比較長的線路全裝上了類似于現在的輸電線路串補這樣的電容，用這樣的電容隔離輸電線路的電流。為什么？我們現在的治理，主要在串電阻電流或者加電阻，主要因為北歐、北美國家靠近南北極，地球磁場比較強，所以包括 220 千伏系統的 GIC，我們國家不是，如果像這樣的治理太大了，所以現在美國、英國研究結論認為，如果現在再發生 1989 年類似的大停電，美國電網的損失至少在 2 萬億美元以上，因為電網發展情況和 1989 年不一樣了。
這是國外在瑞典 2013 年 10 月 30 日這次大停電，在瑞典的一些變電站，一共是 4 個變電站實測的 400 千伏電網的 GIC，瑞典 400 千伏電網 GIC、包括加拿大我都去看過，加拿大魁北克事故大停電的電網輸電線路早先是 400 千伏的。我們現在 500 千伏輸電線路已經開始采用 6 分的導線了，這是技術發展產生的。導線節能電阻很大的 400 千伏電網，電流的水平可能比我們現在 500 千伏電網是一個等級。所以在治理上我們經過多年研究，認為我們國家還是可以采用在中性點串電阻或者加電流的技術，這些年國家電網公司在治理治理接地極偏磁的時候，前面采用覺得簡單、投資少，但是最后造成治理影響范圍擴大，為什么？因為形成的電廠總在里面產生電流，你在一些站點把它堵住了它總要流，所以越流越遠。華北電力大學在一個中低緯度的地磁爆的治理，首先提出一種叫均攤電網 GIC 的理論來進行地磁爆電網事故風險的治理，這個就是用電阻，我不詳細說了，我們相關的文章大家可以看。
但要注意的問題，在扎魯特換流站治理，這是國家電網公司在特高壓電網建設最不希望看到的，但它設計的時候沒有事先考慮這個問題，就造成了這樣一種情況，我們怎么去評估不在混流站里不行，在外面治理也解決不了扎魯特換流站的問題。上午江蘇的發電公司也是有 8 臺機組，這里提出問題，你做治理的時候要注意，不能因為你治理帶來新的風險。所以我們現在在電網做接地治理存在這樣的問題，扎魯特一共在換流站裝了 8 臺裝置，上午說江蘇的發電集團電廠也是有 8 臺機組。做治理的時候，如果一臺裝置發生故障退出運行，你退出運行的這臺變壓器承受的偏磁風險比不治理之前還要大。
治理，因為這是一個新的問題，現在沒有相關的治理標準，所以一些廠家生產的產品不滿足要求，比如我們在發電廠、變電站、變壓器中心點設備選擇的時候的絕緣水平，現在的治理裝置沒按照這個水平去做，在實際運行當中發生的事故也比較多，所以在治理裝置上，我們也總結出了經驗，原來這種傳統的用不銹鋼電阻片做的治理裝置，不能滿足我們發電廠和電網變電站變壓器絕緣水平的要求。左邊這個是我們提出的，用無感技術做的繞先電阻做偏磁治理。
應該說采用技術手段，基于電網去治理還是需要很大的投資，本來不應該有這個東西，加了這個東西不是什么好事情。我們下一步要努力去克服怎么預報空間天氣，這個不是大氣的風雨雷電，這個問題很復雜，當然美國也在努力做這件事情，也走在我們前面，他們從 1996 年、1997 年就發射太陽觀測衛星去觀測，包括我們現在研究預報，也要用他們的數據，但平時和平時期這個數據是公開的，暫時他不會。所以我們現在也在加強我們的基礎設施建設，也有發射太陽衛星的計劃，但現在主要還是從地面叫子午工程去觀測、去做這方面的研究。如果預報的問題能解決，我們預防地磁爆的災害可以變得更簡單一些，不需要那么大的投資。
我就介紹到這里。謝謝！
來源：北極星電力網
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