电力系统高空电磁脉冲效应研究综述

秦 锋,陈 伟,毛从光,聂 鑫,孙蓓云,吴 伟

(强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室;西北核技术研究所: 西安 710024)

高空电磁脉冲(high altitude electromagnetic pulse, HEMP)是由爆炸高度为30 km及以上大气层核爆炸产生的瞬态电磁现象,具有场强高、频谱宽及覆盖范围大等特点[1]。在高空核爆炸条件下,冲击波、光辐射和核沾染等受到大气层的吸收和阻挡,到达地面造成毁伤的可能性微乎其微,HEMP对电力和电子系统的干扰及损伤是高空核爆炸的主要毁伤模式之一。目前,国内外学者针对系统级HEMP效应与易损性评估的研究,基本上围绕电磁脉冲环境特征与主要耦合途径分析、关键设备的电磁脉冲效应试验与仿真及系统级电磁脉冲易损性评估与分析等研究层级开展。

自1962年起,美国和苏联在进行高空核试验时发现,大量地面电力和电子系统出现了功能扰乱和设备损伤效应。这引起了人们对电力系统的HEMP效应的关注。自此,这两个国家开始着手研究HEMP辐射与传导环境,形成了一系列有关HEMP环境与试验标准[2-4]的完整体系。并在此基础上针对电力系统关键设备进行了较完备的数值计算与效应试验研究,并形成了本国电网较为全面细致的电磁脉冲生存能力评估报告[5-6]。另外,随着电力系统的信息化和智能化程度日益提高,美俄等国进一步拓展了电力系统电磁脉冲效应研究对象,并不断更新仿真和试验数据,开展了多轮次电力系统HEMP生存能力评估,从国家层面发布了一些电磁脉冲研究计划。

20世纪80年代,我国开始针对电力电子系统HEMP效应和防护开展研究,借鉴欧美国家的研究结果和方法,结合电力系统在雷电等常规电磁脉冲环境下的研究基础,主要基于仿真计算的方式进行了部分关键电力设备的电磁脉冲效应分析,也开展了少数电力设备的效应试验,并结合经验定性分析了电力系统的HEMP易损性,积累了一定的基础,但与美俄等国家相比,在效应研究对象的广度、易损性评估及防护的深度方面存在不足,且对关键易损性设备在HEMP作用下的故障诊断及失效机理等方面的研究较少。

本文分析了HEMP环境特征,探讨了电力关键设备的电磁脉冲效应研究方法与主要研究结论,讨论了电力系统电磁脉冲易损性评估方法与防御手段,最后给出了未来需研究的主要方向。

1 HEMP环境特征

电磁脉冲效应与评估需针对具体的对象开展,单设备或局部范围内系统与广域分布式系统具有较大的区别。如,局部范围内系统可采用单一性指标参数,如强度、上升时间及半高宽等确定的环境开展电磁脉冲效应研究,而广域分布式系统则需考虑全系统范围内HEMP环境的综合性参数。因此,针对电力系统这一典型的广域分布式系统开展电磁脉冲效应与生存能力评估,需认真梳理HEMP环境。

1.1 HEMP产生

HEMP根据产生机理的不同,可分为早期(E1)、中期(E2)和晚期(E3)3个部分,图1为完整的HEMP时域波形。

图1 完整的HEMP时域波形[3]Fig.1 Complete HEMP time domain waveform[3]

其中:

(1) E1由核爆炸释放的瞬发γ射线与大气相互作用产生康普顿效应形成[7],峰值电场强度高达数万伏每米,脉冲波形上升时间为纳秒量级,持续时间为百纳秒量级,主要能量集中的频段为10～100 MHz。另外,E1作用范围达上千千米,覆盖爆点到与地面切线范围。这些特性使HEMP可通过天线、孔缝及电线电缆等耦合至各类电力和电子设备,造成器件击穿和设备损毁。

(2) E2由核爆炸中子的散射和非弹性γ射线与空气相互作用造成附加电离产生[7],电场强度幅值为10～100 V·m-1,脉冲波形上升时间为纳秒量级,持续时间达毫秒量级,且与E1具有相同的极化方向。E2波形与雷电具有相似性,因此,可参考雷电开展效应研究。

(3) E3为由磁流体动力学效应产生的感应电场[7],电场强度幅值为几十伏每千米,波形上升时间为秒量级,持续时间达数百秒,极化方向为水平极化。E3的频谱小于1 Hz,可视为准静态场,主要的作用对象为与上千千米线路相连的设备或系统,类似于地磁暴的作用。

以上3部分HEMP环境具有不同的特征,主要作用对象的特点及产生效应的机理也有所区别。真实核爆炸环境下,E1,E2,E3是与作用对象按顺序或协同作用的。

1.2 电磁脉冲耦合

HEMP通过电磁耦合的方式作用于电力、电子系统,主要表现为通过孔缝、天线及电缆等将电磁脉冲能量耦合至系统,造成系统出现干扰、降级及损毁等效应现象。其中,对电力系统这种广域分布式系统,更典型的影响源于与设备或器件相连的电线电缆上耦合产生的脉冲电压或电流。为方便对电磁脉冲耦合量有基本的认识,表1列出了IEC标准[4]中电力系统线路上形成的HEMP传导环境。

表1 电力系统线路上形成的HEMP传导环境[4]Tab.1 HEMP conductive environment formed on power system cables[4]

HEMP与电力系统线路耦合产生的脉冲电压或电流参数,一方面由线路长度、阻抗、架高及埋地条件等自身参数决定,另一方面取决于HEMP波形、脉冲强度、入射方向和极化方向等环境参数。电力系统线路的HEMP耦合具有以下特点:

(1) 电力系统HEMP耦合的影响因素众多,且电力系统属于典型的广域分布式系统,输电及配电线路条件复杂,因此,对整个电网进行数值模拟是极其困难的。

(2) 对于架空电力线路,由于传输损耗和大地的影响,使HEMP与实际的线路耦合存在一个有效耦合长度[8]。E1的有效耦合长度达千米量级,且长度增加10倍时,耦合电压或电流并不一定同比例增加。这一特点使计算模型可得到简化。

(3) 控制线路一般距地面较近,受大地的影响,有效耦合长度相对较小,且相同长度控制线路的耦合电压要小于电力线路。但计算结果表明,E1环境下控制线路的耦合电压可达数千伏。

(4) 大地具有增强垂直场的作用,使垂直线路可通过耦合产生较高的电压,因此,在电磁脉冲效应试验与评估分析中,特别是含有垂直线路的设备,需关注HEMP环境垂直场成分的影响。

因此,在进行电力系统的HEMP效应与生存能力评估研究中,通过理论分析、数值模拟和试验获取HEMP作用于不同设备和系统的耦合电压和电流参数构成的传导环境,可为设备效应试验中模拟装置参数的选取和试验方法的选择提供数据支撑。

2 电力系统关键设备电磁脉冲效应研究

与电力系统面临的常规浪涌环境相比,HEMP环境具有特殊性,能在一定程度上对绝缘子、变压器等一次设备和继电器、SCADA等二次设备造成干扰甚至损伤,引发电力系统故障及断电等问题。因此,有必要针对电力设备的HEMP效应阈值规律开展研究。目前,国内外针对电力系统的HEMP效应研究主要分为仿真计算和试验模拟。

2.1 电力系统关键节点电磁脉冲耦合仿真计算

电力系统中各类输配电、控制等长线路是HEMP耦合的主要途径之一,因此,与长线路相连的发电机、变压器、绝缘子及避雷器等关键节点所承受的强电磁脉冲传导环境是研究的重点。HEMP与传输线路耦合的计算主要基于传输线理论,采用时域有限差分(FDTD)、时域频域(TDFD)变换等数值求解方法进行。传输线理论及分析方法已非常成熟,Vance等[9]、FREDERICK等[10]和Paul等[11]等的专著是经典的参考资料,本文不再赘述。而随着计算机技术的飞速发展,近些年也发展了基于麦克斯韦方程在3维空间求解电力系统HEMP效应仿真分析方法。本文主要介绍国内外学者应用传输线理论、商业软件等成熟方法开展的电力系统关键节点HEMP效应仿真分析研究。

美国橡树岭国家实验室和E-systems公司合作,基于多导体传输线耦合模型,开展了架空配电线的HEMP效应研究[12-13],图2为架空配电线的HEMP效应仿真模型。通过HEMP原始场环境与场线耦合计算获得了变压器开路与带负载时的端口电压。该工作以美国上空距地面零点正西侧1 130 km处,仰角为13.8°的输电线路为例,考虑不同方向角,计算得出变压器带负载或线路后承受的最大电压为170 kV,且超过25 kV的概率仅为10%。虽然计算结果未考虑更严酷的条件,但研究方法具有较好的借鉴意义。

图2 架空配电线的HEMP效应仿真模型Fig.2 HEMP effect simulation model for overhead distribution lines

另外,美国橡树岭国家实验室(ORNL)与田纳西大学合作,采用时域全电磁3维有限元模型开展了E1感应电压在大型变压器绕组中的暂态仿真,图3为变压器绕组有限元模型及等效电路[14]。重点分析了2.5/23 ns波形(代表HEMP辐照波)产生电位梯度最大的绕组前几匝的电场,对比了20/229.8 ns波形(代表10/100 ns和25/500 ns传导波形)及标准雷电冲击电压(1.2/50 μs)下的结果,并考虑了变压器中悬浮电位装置(如静电环)作为快上升沿电磁暂态中改善绕组电压均匀性的方法,明确了屏蔽导体能有效降低E1和雷电冲击电压引起的绕组匝间峰值电场强度。该研究为电力系统电磁脉冲耦合仿真提供了一种新的思路与途径。

(a) Finite element model

(b) Equivalent circuit

原中国人民解放军理工大学是国内较早开展电力系统HEMP效应研究的单位之一,采用传输线理论计算,将变压器等效为集总电容,分析了HEMP对电力系统的影响,并与雷电在输电线上产生的电压对比[15],如表2所列。基于此提出了电力系统HEMP防护措施。该项工作有利于认识电力系统传输线路上的HEMP传导环境,为效应试验研究提供输入。

表2 HEMP与雷电在输电线上感应的电压[15]Tab.2 Voltage induced by HEMP and lightning on transmission line[15]

仿真过程中,针对研究对象或研究角度的不同,构建的仿真模型也有所区别。东南大学采用忽略零序电感的10 kV变压器π型等效电路[16],计算了变压器一次、二次侧的HEMP过电压,并考虑在二次侧加入10～500 μF的接地电容器对二次侧过电压的防护效果。结果表明,HEMP能在10 kV变压器一次侧产生兆伏量级的过电压,陡度高达3.5～4.9 kV·ns-1,在二次侧产生0.5 MV量级的过电压,陡度高达1.4～2.2 kV·ns-1,且变压器容量越小陡度越大。图4为架空线端接变压器等效电路。

图4 架空线端接变压器等效电路Fig.4 Equivalent circuit of overhead line termination transformer

国防科技大学则基于Agrawal传输线模型和变压器π型等效电路,开展了配电线路的强电磁脉冲响应研究[17],通过计算获得了配电线路两端分别接250,315,500 kW 3种容量的10 kV配电变压器时,低压绕组的感应电压,并对比了变压器不同带负载情况对感应电压的影响,得出了空载变压器接入配电线路后,电压降低至线路电压的1/3,带负载后进一步降低1/3。该项研究采用的变压器模型便于分析变压器负载端变化对传输线路上传导环境的影响,但采用的变压器等效电路及等效参数为单频点参数,结果与实际测量值存在一定偏差。图5为变压器π型等效电路模型。

图5 变压器π型等效电路模型Fig.5 Model of π type equivalent circuit of transformer

中国广核集团有限公司与西安交通大学合作,建立了变压器绕组的多导体传输线(MTL)模型[18],基于ATP-EMTP软件搭建了单母线单变压器电站模型,计算了HEMP传导电流作用下500 kV变压器的绕组电位分布,明确了绕组电压最大值位于绕组首端前几匝,且最大电压在500 kV变压器绝缘阈值范围内。该模型能给出变压器内部绕组电位分布,便于进一步开展变压器失效机理研究。图6为变压器绕组多导体传输线模型。

图6 变压器绕组多导体传输线模型[18]Fig.6 MTL model of transformer winding[18]

国家电网有限公司宁夏电力科学研究院基于多导体传输线π型等效电路模型,求解了传输线网络节点的暂态感应电压,分析了高空电磁脉冲激励下架空输配电线路绝缘子闪络情况[19],如表3所列。采用的绝缘子HEMP闪络电压阈值为文献[20]中推荐的1.5～2.0倍雷电冲击下闪络电压,通过仿真分析得出10 kV线路绝缘子易发生闪络现象。

表3 HEMP激励下线路绝缘子闪络情况[19]Tab.3 Flashover of line insulator under HEMP excitation[19]

另外,E3对电力系统影响的研究主要通过仿真计算的方式开展。贝勒大学搭建了具有不同直流注入水平的三相变压器系统模型[21],能提供模拟太阳风暴和E3引起的准直流瞬态波形,用于电力系统继电保护设备/器件的效应测试。并开展了电力系统继电保护设备/器件(包括代表变压器、线路和馈线继电保护中应用的微处理器、固态继电器和机电继电器)在E3等产生的地磁感应电流(geomagnetically induced currents,GIC)作用下的效应试验研究。

近些年,随着新能源及高压直流输电的快速发展,国内外学者基于PSpice、PSCAD等商业软件搭建特高压直流输电中换流阀、电抗器及晶闸管等关键设备的宽频带模型[22-24],开展了HEMP传导环境下的应力分析与可靠性计算,并研究了HEMP环境下饱和电抗器的失效机理,为进一步研究HEMP环境下的晶闸管、换流阀和饱和电抗器的可靠性提供了依据,对现代电力系统的HEMP效应仿真研究有较好的借鉴意义。

2.2 HEMP效应试验方法与平台

自1996年禁止大气层核爆试验以来,针对电力系统进行真实核爆炸场景下的效应试验研究已无法实现。因此,国内外学者逐渐形成了仿真与试验相结合的技术路线,而试验又分为传导试验和辐照试验2种。其中,电力一次设备的电磁脉冲效应试验以传导试验为主,主要借鉴并发展电力系统冲击试验和耐压试验等常规试验方法;二次设备则采用辐照试验结合部分线路和端口的传导试验进行。

美国橡树岭国家实验室(ORNL)和俄罗斯科学院(RAS)高温联合研究所是国外较早构建电磁脉冲传导试验方法与平台的单位。图7为美国橡树岭国家实验室采用的HEMP效应试验平台电路原理图。其中,图7(a)所示平台[25]以Marx电路组成脉冲发生器,可输出400～1 000 kV的脉冲电压,最小脉冲上升时间为60 ns,半高宽为2 000 ns。该试验平台整体回路与电力设备冲击试验类似,但采用400 Ω集总电阻模拟传输线的波阻抗,置于脉冲发生器与被试设备之间。图7(b)所示平台[26]左侧通过脉冲发生器提供脉冲电压输入,另一侧则通过隔离变压器提供60 Hz的工作电压,从而形成被试对象在加电状态下的HEMP效应试验电路。俄罗斯所采用的试验平台电路原理图与图7类似,但加电状态试验中,在工作电压模拟器输出端口处设置了滤波器,防止脉冲电压对工作电压模拟器的损伤。该类试验平台较好地模拟了电力设备真实工作环境下的HEMP效应,但线路连接过长,导致实际作用于被试电力设备端口脉冲波形的上升时间大于试验要求。

另外,俄罗斯科学院高温联合研究所[27]还基于爆炸线产生高压脉冲的方式,用电容放电过程模拟工频电压,通过时序控制实现工频与脉冲电压的叠加,获得单相线上的加电状态脉冲注入能力。图8为俄罗斯科学院高温联合研究所试验平台电路原理图。左侧脉冲发生器提供400 kV的脉冲电压,最小脉冲上升时间为20 ns,右侧提供最高25 kV的工作电压。该平台基本能满足绝缘子及避雷器等设备的加电状态脉冲注入试验需求。但对开关的要求很高,需确保抖动延时满足相应的时序关系,且较难满足三相线共模注入的要求。

西安交通大学利用耦合电阻和10 kV避雷器串联,将脉冲发生器产生的脉冲电压与10 kV电力线上的工频电压叠加,共同作用到待测设备上[28],利用电力传输线的波过程对脉冲电压进行波形调制。图9为西安交通大学采用的试验平台电路原理图。脉冲发生器最高输出400 kV的脉冲电压。该试验平台直接从10 kV电力线上获取工频电压,相对更贴近现实,基本能满足绝缘子及避雷器等设备的加电状态脉冲注入试验需求。该试验平台通过耦合电阻和避雷器(MOV)串联作为耦合电路,一方面由于避雷器的非线性特性,使作用于试验对象上的波形相对难掌控;另一方面,由于避雷器动作后本身存在的阻抗相对源内阻和试验对象均不可忽略,使脉冲发生器输出效率降低,实际作用于试验对象上的脉冲电压或电流幅值远低于设计值。

(a) Power off state [25]

(b) Power on state [26]

图8 俄罗斯科学院高温联合研究所试验平台电路原理图Fig.8 Circuit schematic diagram of test platform of RAS High Temperature Joint Research Institute

图9 西安交通大学采用的试验平台电路原理图[28]Fig.9 Circuit schematic diagram of test platform adopted by Xi’an Jiaotong University[28]

与传导试验相比,辐照试验更具通用性,试验中只需确保电磁脉冲模拟器产生的电磁场波形满足既定要求即可,避免了传导试验中试验对象与脉冲源输出的强耦合关系。因此,辐照试验更便于制定较详细的标准试验规程[29-31]。电力二次设备HEMP效应试验中采用的辐照试验基本依据标准的试验规程,采用水平极化和垂直极化的HEMP模拟器开展。另外,线路在电磁脉冲模拟器下存在激励不充分的问题,因此,对具有电源及通信等长线路端口的试验设备需结合传导试验方法进行[31-32]。

2.3 电力设备的电磁脉冲效应阈值试验

效应试验是研究电力设备HEMP效应阈值与失效机理的重要手段,也是电力系统HEMP生存能力评估数据的主要来源之一。目前,国内外学者已获得了电缆、变压器、绝缘子、避雷器、配电终端套管及继电器等关键电力设备的HEMP效应阈值。另外,随着现代电力系统的发展,逐渐开展了光伏等新能源发电设备的HEMP效应试验研究。

2.3.1 国外研究现状

美国橡树岭国家实验室是最早开展电力设备HEMP阈值试验研究的单位之一,积累了丰富的效应数据。针对电力系统监控设备继电器开展了HEMP效应试验研究[33],明确了机电式继电器对HEMP造成的敏感性远大于半导体继电器,并基于此提出了限制监控电路损坏和防止误操作的策略。

美国橡树岭国家实验室在与密西西比州立大学合作中,针对15 kV交联聚乙烯电缆[34]和配电设备[35]进行了快前沿、短周期脉冲(SFSD)效应试验,配电设备SFSD阈值电压如表4所列。其中,2种电缆重复脉冲耐压试验中,采用上升沿为65～300 ns,峰值电压为1 200 kV的脉冲发生器,获取了电缆的耐压水平,明确了评估电缆绝缘性能的指标应为电压击穿强度,而非电缆电容,并分析了脉冲上升沿对绝缘退化的影响规律和耐压水平的分散性。在配电设备试验中,脉冲源输出脉冲上升沿为60 ns,持续时间为240 ns。

表4 配电设备SFSD阈值电压Tab.4 SFSD threshold voltage of distribution equipment

美国橡树岭国家实验室与美国西屋电气公司合作,针对19台商用7.2 kV,25 kW配电变压器开展了陡前沿短脉冲试验研究[25],脉冲上升沿为60 ns、半高宽为2 000 ns、电压峰值为400～1 000 kV。结果表明,配电变压器高压套管会出现闪络现象,且在安装避雷器情况下也不能完全防止;未防护的配电变压器在250～300 kV电压下会在外侧高压绕组的前几匝发生绝缘闪络或击穿,且该种失效模式偶尔也会在低压绕组或高压绕组的内侧发生。图10为变压器绝缘损伤的主要部位。该项工作本质上为变压器不加电状态的脉冲冲击试验,且采用了400 Ω电阻模拟传输线阻抗,具有一定的代表性。

(a) Transformer model 1

(b) Transformer model 2

在上述研究的基础上,针对SFSD下电力系统设备的绝缘性能进行了试验研究[20,36]。首先,通过低电压试验获取75 kW壳式和50 kW芯式油浸式配电变压器、230 kV芯式电力变压器及138 kV油纸绝缘套管的等效电路模型[37];然后,针对配电变压器、避雷器、线路绝缘子、电力变压器初级线圈及电力绝缘套管,进行不加电状态下的SFSD冲击试验;最后,针对60 Hz工作电压下悬式绝缘子和安装了避雷器的变压器[26]开展了SFSD效应试验表5为电力设备SFSD绝缘性能。其中,试验采用的脉冲波形包括1种标准1.2/50 μs雷电冲击电压波形和2种(典型电力系统暂态电磁脉冲—100/500 ns,HEMP—10/150 ns)SFSD波形,并考虑了多发次的累积效应。另外,试验还发现,在施加SFSD后,绝缘子和变压器绝缘介质在不定时间内出现性能降级现象。

由表5可知,美国橡树岭国家实验室开展了包括HEMP在内的较全面的电力系统电磁暂态环境试验,试验对象也包括了电力系统关键易损性设备,属于较完备的设备级电磁脉冲效应试验。

表5 电力设备SFSD绝缘性能Tab.5 SFSD insulation performance of power equipment

俄罗斯科学院高温联合研究所针对10 kV悬式和立式线路绝缘子在不同工作电压下,采用上升时间为20～40 ns,半高宽为50～550 ns,电压幅值为200～400 kV的脉冲发生器进行了HEMP效应试验[27]。研究结果表明,半高宽小于150 ns,绝缘子闪络电压为360～400 kV,上升时间为20～40 ns时,闪络电压的变化不超过5%;半高宽从150 ns增至500 ns时,绝缘子闪络电压降低到原来的1/3。另外绝缘子加电或不加电,工作电压持续时间长短对闪络电压基本无影响,但加电状态下绝缘子电气参数更容易发生劣化,且污秽表面劣化程度更大。该项工作对绝缘子的闪络特性研究较为深入,具有较好的借鉴意义。

另外,随着近些年新能源发电占比不断增加,国内外逐渐重视新能源发电安全运行的研究。美国圣地亚国家实验室采用大型TEM模拟器产生上升时间为2.4 ns,半高宽为37 ns,最大电场强度峰值为100 kV·m-1的双指数脉冲电场,对光伏组件进行了易损性试验研究[38]。图11为试验总体布局。

试验中采用校准光源的方式消除了环境条件的影响,并测量了不同辐照方向入射场的耦合电流。该工作通过I-V曲线跟踪测量和物理检查的方式对光伏组件进行状态检测,结果表明,经多次强场辐照后,组件没有明显的损坏或退化。

图11 试验总体布局[38]Fig.11 General layout of test[38]

2.3.2 国内研究现状

近几年,国内也较系统地开展了电力设备的HEMP效应试验研究。石家庄铁道大学开展了HEMP电流注入方法研究[39-40],研制了上升时间约为20 ns,半高宽为450～500 ns,电流峰值为1 kA的双指数脉冲电流注入源,采用容性注入的方式,针对0.22～35 kV不同标称电压的氧化锌避雷器进行了脉冲电流注入试验,分析了低幅度HEMP环境下不同避雷器的防护效果与导通时间,得出了10 kV及以上避雷器对HEMP不能起到防护作用的结论。该研究考虑了不同避雷器参数的防护效果,但脉冲源幅值不足以支撑10 kV以上避雷器达到动作电压,且考核防护效果的指标不够充分,不利于避雷器的HEMP防护性能分析。

西安交通大学基于HEMP脉冲电流注入方法,针对10 kV配电变压器[41]、氧化锌避雷器(MOV)[42]及PQ1-10T型的针式陶瓷绝缘子[28]开展了效应试验研究。其中,配电变压器HEMP效应试验中,脉冲注入电流最大值为500 A,未发现明显的效应故障现象。避雷器的HEMP响应特性试验研究中,获取了脉冲上升时间为5～100 ns,半高宽为500～600 ns时,3种不同型号MOV的I-V特性,得出了前沿为5 ns时,与雷电冲击相比,MOV残压高50%～60%的规律认识,并基于此给出了IEEE推荐的等效电路模型。开展了加电状态下绝缘子的HEMP效应试验,明确了该型绝缘子的50%闪络电压为标准雷电冲击下闪络电压的约2倍。这是国内较早全面开展电力关键设备的单位之一,试验方法有一定的参考价值。

西北核技术研究所从电力设备本身特性的角度出发,开展了10 kV关键配电设备的HEMP效应试验研究。试验中采用上升沿为20 ns、半高宽为500 ns的双指数脉冲源。其中,在绝缘子的效应试验中[43],获得了线路绝缘子的50%闪络电压、放电时延、闪络持续时间及伏秒特性的关键参数,并通过分幅相机分析了绝缘子的主要闪络通道,总结了污秽对绝缘子闪络特性的影响。在避雷器的效应试验中[44-45],获取了加电或不加电状态下避雷器在HEMP作用下的动作电压、过冲峰值、残压及响应时间,明确了常规电力避雷器应对HEMP环境响应速度不足的问题,避雷器后端设备承受的过电压电位梯度大于10 MV·μs-1。在变压器的效应试验中[46- 47],明确了HEMP环境下配电变压器的绝缘薄弱环节,且发生击穿的概率较大,击穿后绝缘击穿阈值将降低约50%。另外,在该试验过程中发现,未发生击穿现象的配电变压器在单次纳秒脉冲冲击试验后,局部放电量大于10 nC。该研究较系统地研究了电力关键设备的HEMP效应阈值,且开始重视电力设备的效应机理分析。

综上所述,以美、俄为代表的欧美国家已完成了关键电力一次、二次设备的电磁脉冲效应试验和仿真研究,且近些年扩展到了光伏发电等新能源发电设备,增加了对E3环境下电力关键设备的部分试验和仿真分析。研究中涉及的电磁脉冲环境较为全面,同时考虑了加电与不加电状态下电力关键设备的效应对比分析,获得了丰富的效应试验数据,总结了电磁脉冲环境下关键电力设备的响应规律。针对部分设备构建了等效电路模型,便于电力系统的HEMP易损性分析研究。国内针对电力设备的HEMP效应研究主要基于传输线理论的数值计算方法开展,获得了一些HEMP效应的规律性数据。近几年也开始重视配电变压器及绝缘子等关键设备的HEMP效应试验研究,积累了个别型号的效应数据。但与国外研究相比,从效应试验方法的完善性及效应对象的广度上仍存在差距,尚不足以支撑电力系统的易损性评估研究。

3 电力系统电磁脉冲易损性评估与防御

电力系统的电磁脉冲效应试验与仿真能获取单设备或局部系统的电磁脉冲效应阈值,但不足以获取电力系统等广域分布式系统整体的电磁脉冲生存能力。为此,国内外学者对电力系统的电磁脉冲易损性进行了基于效应数据或评估模型的分析研究,并提出了电力系统应对HEMP的防御方案。

3.1 基于效应数据的易损性分析

通过仿真和试验获取的效应数据是评估的基础。较主流的研究方法是基于关键电力设备的损伤阈值概率分布等数据,结合电力系统简化的节点模型,对电力系统进行电磁脉冲易损性分析与评估。

美国橡树岭国家实验室是较早开展电力系统电磁脉冲易损性整体评估的单位之一,基于前期开展的电力系统电磁脉冲效应研究[48],结合与配电公司工程师和设备制造商的现场讨论,针对美国某配电系统的电源电路和功率元件进行了HEMP易损性分析,并探讨了大量失负荷对整个电力系统的恶劣影响。在与ABB电力公司的合作中,以美国电网为对象研究了HEMP环境、电力系统评估的复杂度、HEMP对电力系统的级联效应及电力系统恢复与防护等问题,提出了一种基于概率的HEMP对电力系统影响的评估方法[49]。该评估方法中的基础数据来源于以往针对电力传输线、绝缘子、变压器、避雷器及发电机等分布式设备闪络、击穿和损伤的阈值概率分布,基于概率树的方法分析了电力系统失负荷概率,为整个系统HEMP生存能力评估提供输入。发展了针对E1的铁氧体磁环、屏蔽电缆、端口防护器件及电光转换器等局部防护方法,针对E3的检测和断开机制及在中性点接地连接中增加适当的阻抗减小变压器中的GIC等加固方法[50]。

基于大量的试验研究和评估结果,2004年,电磁脉冲委员会发布了评估电磁脉冲攻击对美国威胁的执行报告[51],并于2008年发布了一份评估电磁脉冲攻击对美国国家关键基础设施威胁的报告[52]。报告回顾和分析了电磁脉冲的历史事件及环境特点,分别针对电力、通信、银行和金融、燃料/能源、运输、食品、供水、应急、空间及政府等基础设施,进行了级联响应及易损性分析,并提出了防护建议,图12为重要基础设施之间的协同关系[53]。

图12 重要基础设施之间的协同关系[53]Fig.12 Synergies between key infrastructures[53]

3.2 基于评估模型的易损性分析

另一种思路是基于对电力系统组成框架和电力设备工作特性,注重系统组成部分之间的协同关系,采用评估理论模型实行电力系统的电磁脉冲易损性分析与评估。

美国橡树岭国家实验室提出了一种配电系统单个故障集和多个重复故障集的表征模型,开展了电磁脉冲对输配电系统同步稳定性的影响研究[54],讨论了电磁脉冲与电力系统耦合的各种模式与影响输电系统同步稳定性的因素,研究了多故障和重复故障响应与扰动区域面积、故障密度和故障位置与传输系统之间的有效阻抗关系等重要参数,分析了扰动时主要减载和联络线开关的影响。图13为主要发电厂断电前后电能流动的情况。评估结果表明,电磁脉冲可能引起配电网扰动,导致扰动区域内的大部分传输网络失去同步,最终导致大规模停电。

评估存在一定的概率分布特性,也可能因评估方法与模型的差异而得到不同的结果。斯坦福大学通过分析核爆炸产生的各类电磁脉冲及历史概况,比较了电磁脉冲与雷电、太阳风暴等自然现象的特点,评估了高空核爆炸对美国电网的影响[55]。研究结果认为,HEMP效应被夸大了,HEMP电场幅值只有局部接近50 kV·m-1,与电力系统传输的能量相比,HEMP总能量并不算高,且核爆炸产生的电离会严重削弱HEMP。

西安交通大学基于电力系统关键设备的HEMP易损性分析,将电力设备分为SCADA系统与继电保护设备、变压器与互感器等线圈类设备、避雷器等保护类设备几大类,总结了其HEMP效应模式与多等级效应评估模型,综合分析了E1和E3环境协同作用下的电力系统故障链模式[56]。另外,将不确定性量化与设备效应评估相结合,提出了基于裕量与不确定性量化(QMU)的电力电子设备易损性评估方法[57],即设备威胁电平与效应阈值概率分布的分析方法。

图13 主要发电机断电前后电能流动的情况Fig.13 Power flow before and after power failure of main generator

另外,由于E3与地磁爆具有相似的广域作用特性,因此,目前针对电力系统E3的易损性评估主要基于节点模型[58-60]开展,且评估过程中往往结合E1环境共同进行。

3.3 电磁脉冲效应减缓与防御

电力系统分布范围极广,构成要素复杂多样,全面完整地进行电磁脉冲防护加固造价极大,难以实现。因此,主要采用加固关键节点,增加全局冗余设计和应急措施,结合管理制度 设计提高系统恢复能力的防御路线。

美国政府非常重视强电磁脉冲威胁,从法律的角度推动了重要基础设施的电磁脉冲防御工作,强调了防御工作的重要性,明确了主管部门的职责,并对大型电力变压器、应急电源等关键电力设备进行战略储备[51]。另外,先后提出了恢复力和弹性电网的概念[61],通过研发新技术提高电力系统快速恢复的能力,并于2017年发布了电磁脉冲恢复行动计划[62]。

克莱姆森大学考虑为缓解因E3、地磁暴及逆变器故障等导致电力系统直流的不良影响,而引入的中性点闭锁装置(NBD)对电力设备和电网稳定运行(EENS等)的影响,提出了一种增强设备电气安全的风险管理框架[63],如图14所示,分析并推荐了中性点阻塞策略,重点关注了这些装置在电磁脉冲攻击、网络攻击及设备故障条件下NBD运行安全的相关风险,并提出了一种理想的NBD操作设计方法。该研究对电力设备安全管理有较好的借鉴意义。

图14 NBD风险管理框架[63]Fig.14 NBD risk management framework[63]

西安交通大学在分析强电磁环境小概率和高风险特点的基础上,提出了国家关键基础设施电磁安全的三棱锥模型与电磁恢复力的概念[64],并以电网为例讨论了关键基础设施电磁恢复力的内涵和外延。另外,还提出并发展了弹性电力系统的概念[65-66],图15为弹性电力系统应对极端事件的基本过程。基于HEMP环境效应特征分析和初步评估结果,兼顾能源转型下电力系统面临的安全问题,提出了以高恢复力的弹性电力系统建设作为应对策略,阐述了弹性电力系统发展步骤及具体研究框架[67]。

综上所述,以美国为主的发达国家基于大量试验和仿真数据,采用基于概率、系统理论及故障集表征模型等评估方法对输配电系统同步稳定性、电力系统失负荷概率及国家能源级联响应进行了效应评估与易损性分析,研究成果丰富,其评估分析理论具有较好的借鉴意义。美国还从政府层面,根据电网发展情况,组织进行了多轮次国家关键基础设施的电磁脉冲攻击威胁评估,对电力系统电磁脉冲防御的发展有重要作用。我国近几年也逐步开展了系统级HEMP易损性评估研究,但在电磁脉冲作用下电力设备的基础试验数据和电力系统仿真模型方面的积累尚不足以支撑完备的评估研究,且与欧美国家相比,整系统评估理论与方法方面存在差距,使电力系统HEMP易损性研究尚处于定性分析的初步阶段。

图15 弹性电力系统应对极端事件的基本过程[66]Fig.15 Basic process of elastic power system in dealing with extreme events[66]

4 总结与展望

HEMP是少数大范围威胁级电磁环境之一,而电力系统又是典型的大型广域分布式系统,其互联输配电线路长达数千千米,在HEMP作用下极易形成复杂的强电磁脉冲传导环境,对变电站设备和输配电系统造成不可逆的损伤。本文综合大量研究文献,结合HEMP环境特征,从效应和评估2个层面概括了国内外学者针对电力系统电磁脉冲效应和易损性评估的研究成果。然而,在该领域仍然存在很多值得深入探索的问题:

(1) 电力系统HEMP传导环境研究。HEMP覆盖范围达上千千米,各处辐射波场强、波形并不相同,而现有计算模型中所采用的HEMP标准电磁场波形为统计波形,与实际线路耦合场之间存在一定的区别,引起计算结果的偏差。另外,HEMP的宽频带特性使电力设备等效电路模型模型参数往往范围较宽,计算过程难以简化,且需考虑杂散参数和趋肤效应的影响,使参数求解过程复杂,计算量大。为此,有必要针对HEMP环境构建电力设备的宽频带等效电路模型,开展电力系统输配电线缆和关键电力设备端口的传导环境研究。

(2) 成熟的试验平台及故障诊断技术研究。国内外针对电力系统的HEMP效应研究尚无标准的方法和试验平台,也缺乏完备的故障诊断方法。且目前电力设备的HEMP效应研究聚焦于设备的硬损伤阈值,而对局部放电、绕组变形及绝缘劣化等引起的性能降级缺乏关注。这将影响电力设备的使用寿命,并给电力系统的安全稳定运行带来较大的不确定性因素。对电力系统这种广域分布式互联系统,电力设备性能降级可能比设备直接损伤带来的危害更大。为此,需在关键电力设备HEMP效应阈值研究的基础上,扩展效应故障诊断技术,深化获取电力设备性能降级的微观机理和宏观表现,为变压器等关键节点设备的局部加固和HEMP环境下的生存能力评估提供更准确的数据输入。

(3) HEMP作用下电力设备绝缘放电特性与损伤机理研究。电力设备的绝缘性能与其所处的电磁环境密切相关,放电特性与损伤机理受缺陷模型、电应力特征及绝缘介质材料等多个因素共同作用。获取HEMP等纳秒脉冲作用下电力设备绝缘失效特性及影响规律,构建电力设备损伤程度评估方法,涉及绝缘微观形貌特征与理化特性等微观层面的表征,流注放电、局部放电及碳化通道形成等宏观效应现象量化等问题。现有研究成果涉及主要为工频、直流及雷电等典型环境,与HEMP有较大差异,无法直接应用。因此,需充分开展HEMP作用下电力设备绝缘放电特性和机理相关研究,深入探究绝缘微观形貌与理化特性内在联系,构建绝缘损伤程度量化分析评估方法,为从根本上强化电力设备应对HEMP的性能奠定基础。

(4) 广域分布式系统HEMP易损性评估方法研究。针对电力系统HEMP效应开展量化评估难度很大,对电网分布模型、HEMP环境特征与耦合模型、关键电力设备损伤及故障模型等方面的研究均提出了较高的技术要求。未来可将电力系统电磁脉冲易损性评估过程分解为耦合与损伤2个层级,并结合电力系统构成特征与网络拓扑开展,同时发展成熟的评估方法与理论。另外,随着电力系统的“双碳”发展规划,大比例新能源发电及高压直流输电等方面的电磁脉冲效应与易损性研究也亟待研究。