磁暴对秦山核电主变的影响

王天宇

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐314300）

0 引言

太阳活动引发地磁分布场的激烈改变，称之为磁暴（或者地磁暴）。地磁分布场的改变在交通地面自动感应出的分布电场，在输电连接线路、中性点接地的变压器与大地组成的循环回路里形成地磁自动感应工作电流（GIC）。高压传输电网形成的地磁自动感应工作电流（GIC）的频次是0.01～0.0001 Hz，造成的严重影响是变压器铁芯由于直流偏磁而半波充分饱和，直观问题现象是变压器的振动、噪声加大与实际温度增高。严重危害是铁芯充分饱和形成的高次振荡谐波、无功变化波动导致的安全保护设备误动作。不管是输电连接线路、还是变压器的安全保护设备误动作，都能引发整个高压传输电网保护设备的连锁运营反应，进而引起大范围的高压传输电网停电意外突发事故，导致巨额经济财产消耗与损失，以及直接严重影响社会。近年，伴随着中国高压传输电网规模的加大，江苏省、浙江省、广东省等高压传输电网都产生了很多变压器振动噪音异常的意外突发事件。

1 分析地磁感应电流对我厂主变的危害

GIC的重要影响和危害是促使变压器铁芯充分饱和而形成很多振荡谐波，对高压传输电网、变压器、互感控制器设备、保护设备等创造巨大影响。高压传输电网GIC的流通运转途径，具体如图1所示。交通地面电势可以看成是加在连接线路两侧变压器接地点之间的工作电压源。假定工作电路左侧是电位高，右侧是电位低，则GIC从左侧变压器中性点流入，经过输电线从右侧变压器中性点流回到大地。因为GIC为标准直流，所以流经中性点的GIC是每一相输电连接线路里的3倍。接地模式是影响GIC的重要影响因素，而我厂主变的中性点接地模式，选用了直接接地，其作用效果非常直接。

图1 输电线路GIC产生原理示意图

除了高压传输电网接地模式外，影响高压传输电网GIC水平的影响因素还存在许多，但是变压器充分饱和是导致有害影响的核心，而变压器的充分饱和程度，包括抗直流偏磁水平和铁芯组成结构相关。秦山核电站SFP7-400000/220主变压器，是中国截至当前，220 kV级别里一台有效容量最高的三相电力变压器，由保定变压器厂加工制造，变压器应用全新五柱铁芯。针对三相五柱铁芯组成结构变压器，GIC磁通的自动返回信号通道（2个边柱）截断面降低，在较低的偏磁工作电流下铁芯就会充分饱和，所以，这类组成结构的变压器抗GIC的水平非常弱（见如图2）。

图2 三相五柱式铁心结构的GIC磁通通路

流进电力体系的地磁工作电流，对电气机器设备将会形成不利的影响作用，而且在一定控制条件下可能导致意外突发事故。此外，磁暴还可能损害有线联网与无线通信、载荷调节控制与遥测远程遥控设备的任务工作。

在变压器绕组里流动的地磁工作电流，使励磁工作电流非常显著加大，并且使铁芯在工频工作电流的每一半的周波里，都实现了充分饱和，进而使变压器油里析出了很多气体，促使变压器绕组与构件设施局部过热。大的偶次与奇次振荡谐波工作电流，还将加大漏磁与附加能量损失。

振荡谐波工作电流的振荡幅值加大，可能会促使一些对振荡谐波敏锐的继电保护设备误动作。加拿大一条东西方向走势的500 kV连接线路，在地磁扰动时曾经2次跳闸。而安装设置滤波控制器设备，则可以规避地磁扰动引发的跳闸。

假如在超强磁暴时产生短路，而且二次振荡谐波工作电流，促使继电器设备制动操控而阻碍保护动作，则差动维护就可能会拒绝动作。

振荡谐波振荡幅值加大，将会促使变压器噪声增大，使发电机设备固定转子过热，使继电保护误动，并且使操作控制设备不可以正常运行。

变压器铁芯充分饱和使励磁工作电流增大，引发磁通量形成相对应改变，进而使损耗的无功额定功率剧烈增长。

地磁工作电流的励磁影响作用，还将会促使变压器绕组与套管里的消耗充分增长。地磁工作电流流过的时候，导致磁场作用强度产生改变，这将会造成铁芯与其他钢构件设施的消耗增大。当铁芯充分饱和时，钢构件设施里的磁场作用强度可能加大到10~100。在钢构件设施的表层，附加消耗的实际有效密度可以达到1.5～5 W/cm2。

地磁工作电流使铁芯充分饱和的分布状态连续时间愈长，变压器产生问题故障与损害的危险性就愈大。我厂主升压变压器的绕组，按照△—Y模式链接的时候，能够预防地磁工作电流流进发电机设备绕组，但是不可以预防变压器的磁路形成充分饱和，从而，很多振荡谐波工作电流与工频负序工作电流可能流经发电机设备绕组。负序工作电流流经发电机设备绕组的作用后果是：固定转子内产生二次振荡谐波工作电流，使固定转子表面发热，并且使固定转子上的槽口受到电弧损害。

2 直流偏磁的危害

直流偏磁，是变压器的一类非正常工作运行状态，指的是在变压器励磁工作电流中产生了直流分量。直流偏磁的形成有很多种不同原因，地磁暴也是其中的一类。地磁暴会在高压传输电网里形成地磁自动感应工作电流（GIC），GIC具备准直流特征，流进变压器会引发直流偏磁，导致变压器半波充分饱和，形成巨大的零序振荡谐波工作电流。地磁暴对人力体系的影响作用现有150多年的数据记录了，1989年3月产生的地磁暴引发的直流偏磁，促使那个时候加拿大电力体系里的变压器铁芯剧烈充分饱和，振荡谐波大增，很多电容器设备退出运行工作，体系丧失载荷，在这期间有1台变压器铁心过热，油色谱研究分析异常不同。这次地磁暴造成了严重的停电意外突发事故，并且使美国加拿大等地区的通信体系、运行工作卫星与电力体系一片混乱。

3 变压器噪声的理论分析

大规模电力变压器在正常运行工作时都会发送比较多的噪声。变压器的噪声主要包含：变压器本体噪声与协助冷却处理设备噪声两大组成部分。变压器的噪声和其电气作用功能、机械使用功能相同，都是变压器里非常关键的专业技术系数。

以下是某生产厂商供应的实时动态声额定功率的实践经验运算方程式：

式中，LW为稳态数值；K△V为工作电压突变振荡幅值%；K为改正参数；LFJ为变压器内部组成构造件的谐振声额定功率。

当△V突变高于临界的时候，K数值为5～7；当△V突变低于临界的时候，K数值为0。

由运算方程式（1）能够得知，变压器的异常不同于噪声，首先，是由铁芯磁密突变引发的，其次，由变压器内部组成构造件的机械设备谐振引发的，事实上，常常是两大类实际状况一起作用的结果。运算方程式（1）能够从原理上解释说明很多变压器运行工作里的异常不同噪声与振动矛盾问题。所以，对变压器的噪声实时监测也非常重要，能够经过对噪声的改变，对机器设备内部展开监督控制，为核心主要变的问题故障诊治判断与分布状态维修保护，供应可靠的数据信息基础与长时间判定参考依据。

4 海岸效应

海岸效应，指的是因为海水具备偏低的额定电阻率，和海水对比陆地的额定电阻率高，海水和陆地交界处额定电阻率的差异不同，而造成高压传输电网GIC加大。在全国，对直流输电接地极入地工作电流受海洋影响矛盾问题展开了分析研究，提出因为海水额定电阻率低于陆地土壤额定电阻率，会影响沿海周围大地电位的分散，全面进入海洋层后大地电位快速减小到了零电位位置，并且通过仿真模拟，得知了“沿海电厂、变电工作站的变压器形成比较多的直流”的研究结论。即使磁暴灾害原理与GIC形成原因和直流输电的影响作用不相同，但是证实了海岸效应容易导致地工作电流对变压器的影响作用加大。直流输电的影响作用在数百公里的控制范围里，评测涉及的大地额定电阻率实际有效深度小于或等于10 km。磁暴的影响作用和直流输电不相同，因为太阳活动的影响基本上作用在全世界，与此同时产生，包括高压传输电网在巨大的控制范围里全面覆盖整个交通地面，所以精确评测GIC要求探明数百千米深的大地额定电阻率。

5 磁暴对电网影响的案例

伴随着连接线路有效长度增长、高压传输电网规模加大，中国高压传输电网发现得知的GIC矛盾问题在增长。举例，2001年至2002年，在阳淮体系上河站变压器的多次异常不同噪声意外突发事件，经过中国和日本研究学者一起对录制噪声研究分析，确定是GIC造成的直流偏磁所造成的。去年，浙江省中试所也确定了华东—福建省联网线体系双龙等变电工作站变压器的多次异常不同噪声和磁暴相关。

2003年10 月底至11月中旬产生过罕见的特大磁暴。我国地震管理局地球物理研究勘察院的磁暴数据报告说明：10月29日—10月30日（磁暴数据报告全球时折算北京市时为31日）与11月20日磁暴为强磁暴（K=9）。这一次罕见磁暴在全世界的影响作用巨大，造成了瑞典马尔默高压传输电网停电、中国满洲中短波通信间断等突发事故。因为对主变噪声异常不同的描述表达是不够持续的，包括31日与11月20日主变比较多异常不同和强磁暴产生时间吻合，11月5日异常不同和里强磁暴产生时间吻合；除此之外，广西邕宁地磁台磁暴数据信息DB/DT很大数值和北海主变噪声异常不同时间的关联性研究分析，可以明确，GIC是造成北海主变噪声异常不同的根本原因，并不是因为主变少数组成部件的松动。2003年的强磁暴是造成北海2号主变产生噪声异常问题的根本原因，变电工作站的连接线路长、海岸效应使北海220 kV变电工作站形成比较多的GIC。

截至当前，中国检测的输电连接线路GIC与运行工作里，发现GIC影响的相关公开发布甚少，因为地理实际位置的差异不同，低纬度高压传输电网受地磁暴影响相对较低，没有重视或者没有展开测试也是根本原因。外国的分析研究最终结果说明：输电连接线路载荷小则受GIC影响的概率性也小，伴随着输电连接线路的载荷加重，电力体系对GIC敏锐度将会加强。产生地磁暴的有效时间能够经过实时监测太阳黑子的活动基本规律预先预计，产生磁暴前高压传输电网运行工作调配部门对变压器合适减载，能规避或者减少直流偏磁造成变压器铁芯剧烈充分饱和而引发的危害，进而规避体系突发事故产生。

6 监测和防治

（1）在变压器中性点安装设置可测直流量的感应设备，振动数值非常显著偏大的变压器选用安装设置振动调试设备。

（2）累计数据信息，展开变压器中性线工作电流的直流与各次振荡谐波分量和变压器振动特征的相干性分析研究。

（3）对变压器展开噪声实时监测，以提升对变压器内部之间的实时监测与预维判定，累计数据信息，以提升对内外问题故障的预判水平。

（4）在中性线的接地循环回路内，连接到对工频工作电流阻值不大，但是可完全阻拦地磁工作电流流过的一类额定阻抗。为了直接预防变压器受地磁工作电流的影响作用，最好是在变压器中性线的循环回路内连接到能够阻拦地磁工作电流流过的电容器设备。但是应该思考到，当变压器的额定电容与额定电感靠近的时候，可能产生铁共振过工作电压。

（5）振荡谐波与地磁工作电流引发的过载荷，可能减少机器设备的预期运用时间。在1989年产生磁暴之后，某一些电力体系的变压器油内曾发现CO2，这表明变压器数据内存在过热位置。为了方便发现与去除这类问题，应该分析研究出可用于发现得知与监督管理自动感应工作电流的模式。

（6）GIC通常都是经过中性点接地的变压器流进体系，从而GIC的综合治理通常都是从变压器开始。与此同时，能够思考应用投入串补电容器设备、修改调配体系发展潮流与继电保护定数值等模式降低GIC对高压传输电网的影响作用。综合治理GIC时，应思考所采用的措施手段对已有体系安全、稳定运行工作的影响作用。

7 结语

受海岸效应问题现象的影响作用，沿海核电站的变压器很容易受到磁暴的损害。笔者建议优化核电站位置选址、变压器型号选择，来改进完善评测磁暴灾害的潜在干扰，包括监督控制体系综合系统设计上增长变压器直流偏磁工作电流的实时监测作用功能。在策划综合系统设计与生产加工运行工作上，重视磁暴灾害的影响作用，充分保障核电站变压器的安全运行工作。因为灾害经济损失和其他体系不相同，伴随着高压传输电网体系的多元性与庞杂性，包括高压传输电网规模迅速发展进步，与此同时，地区地理特征，人类迄今还没有找到发现经济高效应对处理太阳风暴对大型高压传输电网影响的高效模式，需要我们持续不断地分析研究。