金丝接地极偏磁治理对浙江电网GIC的影响

2021-08-06曹力潭焦晨骅沈正元孙林涛年长春

浙江电力 2021年7期

曹力潭，焦晨骅，沈正元，孙林涛，田硕，年长春

（国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232）

0 引言

随着电网规模的增大，我国发现的变压器偏磁问题也越来越多。目前，发现的影响较大的偏磁驱动源有两种：一是直流输电单极大地回路方式运行时，接地极入地电流形成的直流地电位差在电网产生的偏磁电流[1-2]；二是地磁暴的GMD（地磁扰动）在电网产生的0.000 1～0.01 Hz 的准直流[3-4]，简称GIC（地磁感应电流）。在造成的影响与危害上，1989 年3 月13 日地磁暴的GIC 诱发了加拿大魁北克大停电[3]，以及美国、南非等电网的大量变压器直接损毁。随着大电网导线的直流电阻越来越小，在浙江、江苏和广东500 kV 电网也发现了大量的GIC 侵害电网的事件[5-7]。其中，在广东500 kV 电网实测的GIC 最大值为75.5 A[8]。

国内对直流输电的偏磁问题研究较多，近年很多UHVDC 直流都做过偏磁治理。溪浙±800 kV直流送电功率8 000 MW，在单极满负荷工况下入地电流为5 000 A，由于入地电流大，该工程在金丝接地极近区电网44 个厂站安装了电容隔离或电阻限流装置，治理接地极的偏磁电流，但由于采用的电容装置多，造成电网偏磁电流转移，使治理的范围扩大[9]。与局限在接地极近区电网的偏磁问题相比，太阳剧烈活动的地磁暴在全球的不同地区几乎是同时发生，在已开工建设的白鹤滩—浙北±800 kV 直流工程中，如何避免浙北陈家村接地极偏磁治理造成的电网GIC 转移，需不需要治理GIC，以及如何治理GIC 都亟需研究。

本文根据浙江省各地区的大地电性构造和电网结构的数据资料，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 数据，采用文献[10-12]提出的模型及算法，研究金丝接地极偏磁治理对浙江电网GIC 转移的影响，寻找电网新产生的GIC 事故高风险厂站站点，决策是否需要做治理，并为白鹤滩—浙北直流工程建设，以及综合治理地磁暴和陈安村接地极的偏磁提供理论基础。

1 GMD 数据与地电场计算

靠近南北极地球的基本磁场强，太阳活动造成的GMD 相对剧烈和南北分量更大，因此高磁纬国家的电网GIC 计算通常忽略东西分量的GMD。我国大陆的大部分地处中、低磁纬地区，GMD 的强度相对弱，但GMD 的南北分量和东西分量都很大[13]，我国科学家根据中低纬地区GMD的特征，提出了基于平面波理论计算GMD 感应地电场算法[14]。

GMD 地电场与大地电性及其构造有关，首先需要建立深层大地的电阻率模型。根据文献[14]的理论算法，参照文献[10]和文献[11]，考虑大地电性及其构造的差异和海岸效应等因素的影响，本文基于收集的浙江省各地区的大地电磁测深数据、中国地震局国家地磁台网中心提供的1989 年3 月13 日和2004 年11 月9 日北京地磁台地磁暴的GMD 数据，以及江苏省地震局高邮地磁台提供的2017 年9 月7 日地磁暴的GMD 数据，建立三维的大地电阻率模型，计算3 次地磁暴GMD 在浙江各地区大地感应的电场最大值，计算结果如图1 所示。

图1 3 次地磁暴浙江各地区感应地电场最大值

地磁暴GMD 感应地电场量值决定GMD 水平分量的变化率。由图1 可见，1989 年3 月13 日地磁暴浙江温州地电场量值最大，为1.51 V/km；其中，北向电场Ey 为1.306 6 V/km，东向电场Ex为0.756 8 V/km。同理，2004 年11 月9 日和2017年9 月7 日地磁暴的地电场最大值为0.998 2 V/km和0.921 0 V/km，两次地磁暴的北向电场Ey 分别为0.858 8 V/km 和0.802 6 V/km，北向电场东向地电场Ex 分别为0.508 7 V/km 和0.451 7 V/km。根据图1 地电场结果，建立电网GIC 模型可计算电网GIC。

上述地电场计算的三维大地电阻率模型的建模过程复杂，各地的大地电磁测深和3 次地磁暴的GMD 数据量大，限于篇幅本文不做详细介绍，文献[14]的理论算法经过2004 年11 月7 日和11月9 日地磁暴电网GIC 实测数据的验证[14]，并已经在广东、江苏、新疆和蒙东等电网应用。文献[10]采用三维模型分析大地横纵向电性及构造的差异，已得到4 个接地极偏磁治理工程实测数据的验证，为酒湖工程农丰村接地极、扎青工程扎鲁特和高青接地极，以及上山工程朱双村接地极偏磁治理提供了数据。

与高磁纬地区相比，中低纬GMD 的强度整体相对弱，但在我国大陆（全球小范围）GMD 的差别不大，地表及深层大地的电性及其构造对地电场的影响更大。从图1 可以看出，3 次地磁暴温州和宁波地区的地电场的量值大，这是由于与其它地区相比，温州和宁波大地电阻率相对大造成的。

2 浙江电网GIC 模型及算法

从电网GIC 产生机理与物理过程角度，地磁暴GMD 与地电场计算属于地球物理步骤，电网GIC 计算属于电气工程步骤。与地球物理步骤相比，因电网数据、资料是已知的，电网GIC 计算的关键问题是抓重点问题开展研究。文献[7]提出，第23 太阳周的多次地磁暴电网GIC 实测数据表明，由于220 kV 电网导线的单位直流电阻大，220 kV 电网GIC 比500 kV 电网小1 个数量级，文献[15]的研究表明，高电压等级电网GIC 对低电压等级电网的GIC 影响大，反之影响小。因此，本文只计算浙江500 kV 及以上电网的GIC。

只考虑500 kV 及以上电压等级电网的原始模型如图2 所示。由于目前浙江1 000 kV 电网的结构简单，并且1 000 kV 站30 和站48 变压器中性点安装有电容型的治理装置，浙江1 000 kV电网没有GIC 的流通路径，因此在图2 中1 000 kV 线路未绘出，在图2 中标注为实心的变电站为安装有电容治理装置的变电站，共计10 座500 kV 变电站和与500 kV 电网有通路的2 座1 000 kV 变电站。本文根据图2 原始模型，采用文献[12]的建模方法研究金丝接地极接地极偏磁治理对浙江电网GIC 的影响。

图2 含隔直装置的浙江500 kV 电网原始模型

对任一省级电网，考虑变电站主接线、主设备的GIC 计算模型非常复杂，节点的数量多。为了对复杂电网的GIC 进行有效计算，2012 年由EPRI（美国电科院）牵头，联合国际长期研究电网GIC 问题的专家，开发计算电网GIC 的标准算例模型[16]，以下简称Benchmark 算例，如图3 所示[12]。Benchmark 算例包括20 条母线、15 条线路、7 个变电站、1 个开关站、15 台变压器，粗黑线和虚线分别表示345 kV 和500 kV 输电线路及连接的母线。

图3 国际GIC-Benchmark 算例模型

Benchmark 算例模型，规定了变电站不同主接线、不同类型变压器、绕组联结方式，单双回输电线路，串补和中性点接地电容等可阻断GIC流通设备等问题的处理方法。可以说Benchmark算例模型，考虑了多年研究多电压等级电网GIC计算模型的所有影响因素，该算例模型已在新疆和蒙东等电网GIC 计算，以及酒湖、扎青和上山UHVDC（特高压直流）工程的4 个接地极的偏磁治理中应用。

根据图3 的GIC-Benchmark 算例模型及建模的规定，对图1 原始模型建立GIC 计算模型，将计算得到的图1 各地区的地电场看成是作用在对应线路上的电压源，采用节点电压法和MATLAB软件编程，可计算图1 中每条线路和每座变电站变压器中性点的GIC，分析金丝接地极偏磁治理对电网GIC 的影响。采用本文建模方法和MATLAB程序，笔记本计算机可在6 h 内完成1 次GIC 的计算。

3 治理前后电网GIC 计算结果

根据上述模型及算法，图1 输电线路直流电阻、变压器绕组直流电阻和变电站接地电阻、以及中低纬GMD 和地电场东西和南北分量都大的特征，分别计算在东向电场Ex 和北向电场Ey 作用下，考虑输电线路的走向先计算输电线路的GIC，在计算每座变电站变压器中性点GIC 最大值。得到浙江电网在1989 年3 月13 日地磁暴GMD 感应地电场侵害下，浙江电网部分发电厂站每台变压器中性点的GIC 最大值如表1 所示。

表1 1989 年地磁暴各厂站变压器中性点GIC 最大值

在表1 中，包含4 条浙江省与其他省电网相连输电线路对端变电站变压器中性点的GIC，分别为站5-站C、站11-站A、站11-站E 和站46-站D 输电线路对端厂站变压器中性点的GIC。

同理，可得到在2004 年11 月9 日和2017 年9 月7 日地磁暴GMD 地电场的侵害下，图1 电网在金丝接地极直流偏磁治理前后，中性点GIC量值较大的厂站GIC 最大值，如表2 和表3 所示。

表2 偏磁治理前后2004 年地磁暴中性点GIC 最大值

表3 偏磁治理前后2017 年地磁暴中性点GIC 最大值

4 接地极偏磁治理对电网GIC 的影响

1989 年3 月13 日地磁暴Dst=-589 nT，属于超大磁暴。2004 年11 月9 日地磁暴Dst=-374 nT，属于大磁暴。2017 年9 月7 日地磁暴Dst=-148 nT，属于中等磁暴。比较表1、表2 和表3 对应厂站变压器中性点的GIC 数据可看出，变压器中性点GIC 量值的大小，与用Dst 指数评价的地磁暴的强度有一定的对应关系，但主要由地磁暴GMD 水平分量的变化率和输电线路、变压器导体的直流电阻决定。

从表1 数据可看出，除几个受输电线路稀疏和终端变电站因素的影响外，浙江电网受地磁暴影响的厂站多数在沿海地区，主要原因为受海岸大地电阻率突然下降的影响[11]。其中，近海地区的500 kV 站34，在受金丝接地极偏磁治理的影响，每台变压器中性点的GIC 量值从32.31 A 增大到103.1 A。对比表2 和表3 数据，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 中性点的GIC 从10 A 水平，增大为90 A 的水平。

终端站变压器的GIC 较大的物理解释如图4所示。以变电站1 为例，地磁暴GMD 电压源作用在1-i 线路，两端接地变压器与大地回路产生的GIC，会全部流过变电站1 的变压器。如果1-i线路的等值直流电阻小，尤其是采用多分裂大截面导线的线路，变电站1 变压器GIC 会很大；而对于变电站i 的变压器，由于1-i 线路的GIC 从i站变压器中性点流入大地，i-j 线路的GIC 从大地流向i 站变压器中性点，因此如果i 站两端线路的GIC 大致相等，i 站变压器的GIC 会接近为零。1 站的GIC 大的现象，被称为GIC 的终端站效应。国外称之为拐点效应，同理，图4 中n 站也存在终端站效应。

从表1 数据可看出，在1989 年3 月13 日地磁暴侵害下，受电网GIC 终端站效应和对应的500 kV 输电线路导线的直流电阻相对小的影响，如500 kV 站33 和1 000 kV 站30、500 kV 站32的GIC，超过了造成魁北克大停电事故电网200 A的GIC 量值的水平，2014 年站30 和站32 安装了隔直治理装置，两站的偏磁治理对防治GIC 有效。

需要注意的是，在1989 年3 月13 日地磁暴的侵害下，金丝接地极偏磁治理后，500 kV 站8 和站43 变压器中性点的GIC 增大值超过20 A；其中，500 kV 站8 离±800 kV 白鹤滩-浙北直流陈安村接地极距离近，并且3 次地磁暴的GIC 增大都超过20 A。因此，除治理500 kV 站34 的GIC外，需要关注陈安村接地极偏磁治理对500 kV站8 的GIC 影响，或优先考虑治理站8 的GIC。