地磁扰动和接地极共同作用的浙西电网偏磁电流计算

刘连光，谢浩铠，郭世晓

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.国网浙江省电力公司杭州供电公司，浙江杭州 310009）

地磁扰动和接地极共同作用的浙西电网偏磁电流计算

刘连光1，谢浩铠1，郭世晓2

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.国网浙江省电力公司杭州供电公司，浙江杭州 310009）

溪洛渡—浙西±800 kV直流输电工程试运行期间，浙西换流站受端电网的很多变压器出现了直流偏磁问题，其同时发生地磁扰动（GMD）的地磁感应电流（GIC）直流偏磁的安全风险需要研究。针对溪洛渡—浙西±800 kV直流输电工程的受端电网，建立了浙西电网和金华换流站的GIC计算模型，运用节点导纳矩阵法计算了浙西电网GIC；根据溪洛渡—浙西直流输电试运行期间-500 A接地极入地电流的测试数据，计算分析了GMD和接地极共同作用下浙西电网的偏磁电流水平。研究结果表明，目前浙西电网安装直流偏磁抑制装置的容量，不能满足消除GMD和接地极共同作用的需要，建议根据中科院和中国气象局空间天气事件的预报，避开有太阳剧烈活动的时间安排检修或调试，避免抑制装置发生过载的问题，保障浙西电网的安全。

地磁扰动；接地极；地磁感应电流；偏磁电流

直流输电在试运行阶段或故障情况下会以单极大地回线方式运行，高达数千安的直流电流通过接地极注入大地；地磁暴的地磁扰动（geomagnetic disturbance，GMD）产生感应地电场，在输电线路、两端接地变压器与大地构成的回路中产生地磁感应电流（geomagnetically induced currents，GIC），为0.000 1～0.01 Hz的低频准直流[1]。接地极入地电流和GIC均可侵入中性点接地的变压器，导致其直流偏磁饱和及一系列次生灾害，威胁电力系统的安全稳定运行[2-5]。

为了大功率、远距离输电，我国的高压直流输电和高压交流输电工程越来越多[6-9]，并在西电东送及大区域性电网间实现互联，大规模交直流混联电力系统已成为我国电网的基本格局。国内外经验和教训表明，当直流输电接地极和地磁暴发生共同作用时，联结紧密的电网会很脆弱[10]。由于地磁暴的GMD具有不确定性，可能随时发生，以单极大地回线方式运行的直流输电工程，其送、受端电网的变压器发生更严重直流偏磁的可能性存在，研究GMD和接地极共同作用的偏磁电流水平和分析对送受端变压器的影响具有现实意义。

溪洛渡—浙西±800 kV直流输电工程试运行期间，金华换流站的换流变压器及接地极附近的交流变压器出现了严重的直流偏磁问题。针对金华换流站及其接入的浙西电网，提出根据2004年11月9—10日地磁暴GMD极值电场，采用全节点模型和节点导纳矩阵法[11-12]建模计算浙西电网的GIC，由调试期间的测试数据估算溪洛渡—浙西UHVDC单极满负荷运行时接地极附近变压器的直流电流，并分析浙西电网在GMD和接地极共同作用下变压器中性点的偏磁电流水平。

1 建模区域确定

溪洛渡—浙西±800 kV直流输电工程在低端系统调试期间进行直流偏磁测试时发现，单极大地和双极不平衡方式运行时，换流变压器和受端交流电网变压器的中性点直流偏磁电流都较大。2014年3月28日，浙江公司在第二阶段调试期间，测量了当接地极入地电流为-500 A（流出大地）时金华换流站附近信安站等8座500 kV和枫树站等19座220 kV变电站主变中性点的直流电流值[13]。为评估GMD和接地极共同作用下浙西电网变压器的偏磁电流，以这27座变电站为研究对象建立了浙西电网直流电流计算模型。

文献[14-15]的研究表明，准确计算高电压等级电网的GIC不能忽略次级电压等级电网GIC的影响，且变压器中性点流过的GIC为连接该变压器所有线路GIC的代数和。因此，为准确计算浙西电网的GIC，其直流电流计算模型的建立，需要考虑与作为研究对象的27座变电站直接相连的2座1 000 kV变电站、5座500 kV变电站和27座220 kV变电站的相关线路GIC的影响。图1为单线图表示的浙西电网最终建模区域的地理接线图，包括2座1 000 kV变电站（浙中站和浙南站）、13座500 kV变电站和54座220 kV变电站，15条500 kV线路和77条220 kV线路。

图1 单线图表示的浙西电网地理接线图Fig.1 Geographic view of Zhexi power grid in single-line diagram

2 主要参数和GIC建模计算

2.1 主要参数

各座变电站的主变台数取与第二阶段调试期间的运行台数相同，金华换流站在单极运行（高低端都投运）时由4组换流变（12台，2组星形连接，2组三角联接）和2组500 kV站用变（一用一备）构成[13]。各电压等级变电站主变的等效直流电阻值见表1，金华换流站换流变和备用变的等效直流电阻值分别为0.386 Ω和1.1 Ω。因没有相关接地网的资料，各电压等级变电站的接地网接地电阻取我国的典型值[16]，见表1。500 kV线路和220 kV线路的型号分别统一按LGJ-4*500 mm2和LGJ-2*400 mm2考虑，其单回单相直流电阻值见表1。

表1 浙西电网GIC模型参数Tab.1 GIC model parameters of Zhexi power grid

2.2 GIC建模计算

2.2.1 建模方法

由于中低纬电离层电流体系及模态复杂，利用地磁数据开展规划电网GIC研究为常用方法。我国地磁台台数较少，且不同区域的磁暴数据和大地电导率参数不同。文献[17]提出基于电离层等效电流的SECS（spherical elementary current system）算法，采用线性插值法处理得到任意目标点的磁暴数据。再根据磁暴数据和大地电导率参数，采用大地分层电导率模型[18]和平面波法[19]求取相应区域的感应地电场。

利用上述感应地电场的算法和模型，文献[17]计算出2004年11月9—10日地磁暴作用下的地电场峰值为Ex=0.302 6 V/km，Ey=0.889 6 V/km。其中，Ex是东西向地电场值，Ey是南北向地电场值。该次地磁暴是课题组有相关监测数据的最强地磁暴，但不是第22和23太阳周的最大地磁暴，受大地测深数据测点稀疏的影响，为评估实际磁暴下浙西电网GIC，选取该峰值地电场，并根据图1所示线路走向，取地电场为东北方向。

2012年，由美国EPRI牵头，通过国际合作，提出了计算复杂电网GIC的标准算例[12]，文献[11]提出变压器类型、接线等问题的处理方法，即建立电网直流计算模型的全节点模型法。根据这些成果，建立了浙西电网和金华换流站的GIC计算模型。

2.2.2 计算方法

与文献[14]三华电网相比，浙西电网覆盖区域小，其GIC可采用均匀地电场计算，线路两端感应电压值V仅与线路两端的地理位置有关[12]：

式中：EN为北向地电场值；EE为东向地电场值。LN线路两端点间的北向距离，km；LE为线路两端点间的东向距离，km。距离计算考虑地球的椭圆外形。根据文献[11-12]的节点导纳法计算电网全节点GIC模型中各支路和节点的GIC计算公式分别如下：

式中：iki为电网GIC模型中由节点k流向i的支路GIC；jki为由式（1）计算结果等效的支路电流源；uk-ui为线路两端电压差；yki为线路导纳；ii为由节点i流向大地的电流，即节点GIC；ui和yi分别为节点电压和导纳。

2.2.3 GIC计算结果

采用上述GIC建模和计算方法，27座变电站的单台主变中性点GIC计算结果如图2所示。可看出，在GMD极值电场作用下，有信安、吴宁和夏金3座500 kV变电站，枫树、桐鹤和下涯等7座220 kV变电站的主变中性点GIC超过20 A。其中，信安500 kV站主变中性点GIC高达67 A，方向为流入大地，枫树220 kV站主变中性点GIC高达73 A，方向为流出大地。即地磁扰动单独作用下上述变电站的主变已面临较高的直流偏磁威胁。

图2 变电站单台主变中性点GICFig.2 GIC at individual transformer neutral point of substations

3 接地极直流电流分析

溪洛渡—浙西UHVDC调试时接地极的影响问题引起了广泛关注。为评估接地极入地电流对浙江电网的影响程度，直流低端系统调试期间，在国网直流建设部指导下，浙江公司于2014年3月28日（第二阶段调试）进行了溪洛渡—浙西UHVDC单极大地回线运行的偏磁测试工作，测试的接地极入地电流为-500 A（流出大地）。考虑到单极满负荷运行时入地电流将达5 000 A，按变压器直流偏磁电流与接地极入地电流呈线性关系计算，给出接地极入地电流为-5 000 A（流出大地）时测试的27座变电站单台主变中性点的直流电流值如图3所示。

可看出，溪洛渡—浙西UHVDC单极满负荷运行时，双龙、丹溪等5座500 kV变电站以及倪宅、西陶等12座220 kV变电站的单台主变中性点直流超过20 A。其中，500 kV变电站中距离接地极最近的双龙站（36.8 km）单台主变中性点直流高达51 A，方向为流出大地；220 kV变电站中距离接地极最近的倪宅站（8.9 km）单台主变中性点直流高达218 A，方向为流入大地；而距离接地极23.5 km的金华换流站换流变压器中性点直流也超过了200 A[20]，方向为流入大地，即距离接地极最近的变电站直流偏磁电流最大。可看出，接地极单独作用下上述变电站主变的直流偏磁电流已可能威胁设备及系统的安全。

图3 变电站单台主变中性点直流Fig.3 DC current at individual transformer neutral point of substations

4 共同作用下的影响分析

分析两者共同作用下浙西电网中变压器的偏磁电流情况，可将第2、3节中计算所得的27座变电站主变中性点GIC和直流电流取代数和，结果如图4所示。可看出，GMD和接地极共同作用下，27座变电站中仅有1座500 kV站（苍岩）和4座220 kV站（大元、曹家、太平、石金）的单台主变中性点偏磁电流不超过20 A，即共同作用下直流偏磁电流影响的问题要比GMD或接地极单独作用下更严重。

但具体各变电站偏磁电流情况的变化取决于地磁扰动产生的GIC和接地极入地电流产生的直流电流在主变中性点的流向。其中，吴宁500 kV站在地磁扰动作用下主变中性点GIC为40.3 A（流入大地），在-5 000 A接地极入地电流作用下主变中性点直流电流为44 A（流入大地），故共同作用下其主变中性点偏磁电流增加至84.3 A（流入大地），直流偏磁问题加重，相同情况的变电站还有万象、凤仪、夏金500 kV站和下涯、万松、桐鹤220 kV站。而太平220 kV站在强磁暴作用下主变中性点GIC为32 A（流入大地），在-5 000 A接地极入地电流作用下主变中性点直流电流为-22.6 A（流出大地），故共同作用下其主变中性点偏磁电流减小至9.4 A（流入大地），直流偏磁问题减轻，相同情况的变电站还有信安、苍岩500 kV站和倪宅220 kV站。

图4 变电站单台主变中性点偏磁直流Fig.4 Bias current at individual transformer neutral point of substations

5 结论

由于浙江电网具有密度大、负荷重的特点，同时存在土壤电阻率偏大且分布不均等情况，故溪洛渡—浙西直流工程单极大地回线运行时对浙西受端电网的影响较大。计算结果表明，GMD或直流接地极的单独作用已对浙西电网造成较大的直流偏磁威胁，而两者共同作用下研究的27座变电站主变的直流偏磁问题更严重，但具体变化情况取决于GIC和入地电流的流向。

目前，浙西电网的很多变压器已安装了接地极直流偏磁电流抑制装置。因此，需要在安排直流输电检修、调试时，注意中科院和中国气象局空间天气事件的预报，避开有太阳剧烈活动的时间安排检修或调试，避免浙西电网安装的直流偏磁电流抑制装置发生过载问题，保障浙西电网安全。

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（编辑 冯露）

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。

刘连光（1954—），男，教授，博士生导师，从事电网安全运行与灾变控制、电力系统规划等方面的研究工作；

谢浩铠（1995—），男，本科生，专业为电气工程及其自动化；

郭世晓（1990—），男，硕士研究生，研究方向为电网安全运行与灾变控制，目前在国网杭州供电公司从事变电运维工作。

国家自然科学基金项目（51177045，50577060）。

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

1674-3814（2016）05-0022-05

TM721

A