华北电力大学刘连光：发电厂地磁暴偏磁事故风险评估和安全防治措施

预知电力系统发展中一些新的、随时可能发生的严重事故，并采取有效的措施加以防护，是智慧电力系统建设的重大需求之一。其中，地磁暴对电网和油气管网安全运行的严重危害，是经工程院院士咨询项目论证、并得到国家高度关注和重视的新问题。

2019年8月21日，由中国能源研究会节能减排中心联合华北电力大学国家大学科技园共同举办的“2019年智慧电厂论坛（第二期）”在北京召开。主旨报告环节，华北电力大学教授、博士生导师 刘连光作了题为“发电厂地磁暴偏磁事故风险评估和安全防治措施”的报告。北极星电力网对本次会议进行全程直播。直播会议合作，请联系手机/微信：13693626116。

华北电力大学教授、博士生导师 刘连光

“地磁爆”这个词大家可能不太熟悉，地磁爆对电力系统安全影响是华北电力大学多年来开创的一项工作，这个工作现在已经得到工程院、科学院的有关重视，并联合向国家提出了建议。近两年这个工作，主要是在电力系统开始做一些防治，包括国家电网公司也立了一些项目。

我先介绍一下这个概念：

第一个概念，地磁爆，是太阳磁场变化和地球磁场相互作用引起的地磁扰动，是电磁学方面的问题。这些年除了地基的电网、输油管道、高速铁路以外，我们空间活动，像航空航天、卫星、宇航员也都未受到太阳风的应用，这个领域20年来已经形成了一个新的学科叫空间天气。

第二个概念，电磁感应电流，英文缩写是“GIC”。刚才说的磁场，在大地会感应电厂，这个电厂作用在输电线路两端接地的电压之间，在电网里会形成一个电流，这个电流是准直流性质的，所以这个电流是电磁感应电流，这个电流引发出很多事故，最著名的是1989年魁北克电网大停电事故。

第三个概念，变压器偏磁。变压器是通过电磁感应原理工作的，变压器当中有直流电流流过时，要向上偏移，这种情况叫变压器偏磁饱和。右边这个图是国外实测的由于地磁爆造成的变压器偏磁饱和有功变化、无功变化、谐波变化。变压器偏磁的时候造成的有功变化是很小的，但是会造成大量的无功变化，以及变压器的损耗增大，造成变压器电芯发热，直接损毁变压器。我们在运行当中能观测到的现象，就是震动和噪声增大。

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电网大停电，这个背景图是王梅义、吴竞昌、蒙定中三位老师写的《大电网技术》的背景资料。

这次造成的魁北克电网的大停电，当时不知道什么原因，我们现在研究智能电网或者智慧电厂，要去分析会产生事故的一些新的原因。下边这个是2003年10月30日那次地磁爆，造成南非电网变压器的损毁，一共损毁是十几台变压器。左边这个图，是1989年3月13日地磁爆造成的美国新泽西核电站变压器的损毁事故。

我下面用一些实测数据和计算数据来评估我们电力市场发生地磁爆造成的影响。

这个数据是2004年11月的地磁爆，2004年到2015年一共十几次地磁爆，获得了很多这样的数据，这是最严重的一次，但比1989年的地磁爆强度小得多。最下边这个曲线是广东肇庆地磁台对地磁扰动的实质数据，我们国家现在有80多个地磁台可以供我们研究使用。中间这个数据，是地磁数据的变化率，上边是广东岭澳核电站1号变压器中性点地磁感应电流的实测数据，这次地磁爆达到的水平75.5A，我们现在直流输电接地极造成的偏磁，治理的标准是中性点的电流不超过18A，18A以上要治理，而这次地磁爆达到75.5A。这个数据在国际上是第一次在全球中低维度国家获得电网地磁爆影响的实测数据，这个数据改变了高纬度地磁国家研究地磁爆的一些理论和他们的一些观点，中低纬度和他们是不一样的。

这是2013年工程院专门针对地磁爆的影响进行了两年的研究讨论，根据我们这么多年建立的理论模型，选择了甘肃和我们华东地区的特高压电网进行理论计算，为国家建议提供依据。

这是一部分数据。由于我们现在电网输电线路导线的直流电阻越来越小，计算的结果在特高压电网，由于最低采用500平方八分裂的导线，在一些终端电站，比如华南电网里我们管它叫终端变电站效应，对电厂多数升压站应该都是电网的终端站。

这个数据是我在做偏磁治理调试的时候正好发生地磁爆，这之前我们也获得了500千伏变压器点GIC产生的扰动数据，这是2017年9月8日地磁爆昌乐站，咱们的变压器测量系统可以获得这个数据。是中压测5000千伏测的数据，这个和刚才我说的国外的数据相比，由于我们1000千伏特高压数据容量非常大，所以产生的无功扰动波动还是很大的。

我刚才说了这个概念，为什么提出发电厂影响问题。这是一个电路图，代表4个变电站、4条线路、5个厂站，按照回路电流大家可以分析，不能详细解释。中间的站，流入变压器从中性点流入的电流，肯定是一个入地、一个流出，但是两端的站肯定是回路里的电流。在我们输电线路长度差不多的时候，两端变电站的GIC会大，这个就相当于是发电厂。

第三个，简单介绍一下，因为要详细计算很复杂，一个是要用到地磁台的地磁扰动数据，还要考虑大地的测深数据，国外做这个计算一般要到地下四五百公里深，我们现在做的，最多做到310公里深，完全做理论计算不是能完成的。这个是我们现在针对蒙东电网做偏磁治理做的计算。其中有一些变压器、有一些是发电厂，魏家卯就是一个电厂，发生魁北克大停电是北京地磁台的地磁数据来做的计算，远远超过我们现在直流输电接地极、入地电流造成的影响，所以在蒙东电网因为现在这方面没有标准，怎么去治理，所以我们就按照理论计算超过魁北克电网200A的水平去治理。现在针对蒙东电网的一期方案，是电流在150A、200A的时候选择先做测量。

这个不详细讲了，针对蒙东电网计算是我前面两个“863”项目，也在跟吉林大学搞地球物理的科学家合作，用他们提供的大地电磁测深的数据，测到310公里，当然不是专门为我这个做的，是他们研究辽河平原的演化做的数据，这个数据正好也用在了我们扎鲁特工程的评估上，所以建立的模型，用原来表述的半径是200公里，针对山东电网也是将近20万平方公里来建这个大数据模型。所以这个数据是准确的，这个数据也是直接指导了扎鲁特偏磁治理工程的建设，还有山东沂南工程。

这个是用山东的模型做出来的接地极用的电流的分布，这个不是地磁爆的，我要说明什么问题呢？为什么美国也是沿海的电厂，地磁爆发生变压器的损毁。在山东尤其青岛、日照四个电厂的影响，主要是因为海岸效应的影响、大面积水域的影响。

这些曲线是陆地形成的等电位分布，大家可以看出来，靠青岛日照这边，等电位线分布比较密集，所以说很短的电厂接入电网的线路就可能造成电网的偏磁电流比其他地方要大得多，当然这个问题很复杂。

结合蒙东电网，影响因素很复杂，我打钩的这几个变压器它的偏磁电流比较大？这和电网结构有关系，电网和电网结构有关系，但是从电厂角度来讲，也和电厂馈线接入电网的形式、方向、走向、导线的类型等很多因素有关系。我教大家一个简单的方法，我们以蒙东电网白音华电厂为例，因为纯粹的理论计算时间比较长，计算机建模计算比较长，计算白音华电厂在北向电厂的作用下它的GIC会达到145.88的水平，为什么？就是因为它接入电网线路比较长，这个线路长度，两条线，白巴1线、2线，都是152公里的水平。建不了模型怎么估计，作为我们电厂自己考虑的话，就是用接入电网的线路、导线的型号、单位变组是多少，都很方便能找得到，按照每一项，因为GIC属于在中性点的电流是三相线路电流的之合，三相：线路、变压器、绕组，这个回路的电流之合，所以可以一项一项算。按照标准，变压器大电流的接地系统的接地电阻是0.5，这是标准要求的，变压器绕组的电阻，5000千伏的变压器一般是不超过0.2欧的水平，所以有这样参数。1989年这次地磁爆，根据蒙东电网计算出来的地面电厂是1.7V，按152公里×1.7V，整个承受的地面电势是多少，最后可以求出来这个电流。这个估算的方法比理论计算的方法要大，为什么？因为我们理论计算的方法，地磁爆产生的电厂方向我们是不确定的，我们一般把它分解成东向电厂和北向电厂来算。我这个计算就相当于这个电位全部作用在这个电路上了，所以这种估算方法比理论计算方法要大一些，但是它可以作为我们估算电厂是不是存在发生地磁爆事故风险的一个基本方法，这是多年以来研究总结各方面的特征和规律，认为可以用这样的方法来进行估算。

除了空间物理的原因以外，变压器铁芯结构也是很重要的因素。我们现在一般500千伏以上变压器多数采用单相自耦变，所以比220千伏系统采用的三相三柱变压器抗偏磁能力要弱得多，三相三柱变压器因为直流相当于三相磁互相抵销，所以它的抗偏磁能力要强一些。另外，在电厂这种现象不容易发现，我们电网发现的这些偏磁，比如岭澳核电站、江苏、浙江电网、广东电网，都是运行人员，正好发生磁爆的时候走到那儿巡检，突然听见声音非常非常大，是这样发现的。现在用不着这样去发现了，社科院包括地区省的电科院都很熟悉这个事情，我们电厂一般环境的背景噪音可能大一些，通过声音是很难发现的，所以要进行估算，有问题要尽早采取措施进行消缺。

第四个，讲一下这个治理的技术，怎么去解决。这个图里是魁北克电网发生大停电以后魁北克水电局在北美电力可靠性协会治理下最后研究的方案，很多比较长的线路全装上了类似于现在的输电线路串补这样的电容，用这样的电容隔离输电线路的电流。为什么？我们现在的治理，主要在串电阻电流或者加电阻，主要因为北欧、北美国家靠近南北极，地球磁场比较强，所以包括220千伏系统的GIC，我们国家不是，如果像这样的治理太大了，所以现在美国、英国研究结论认为，如果现在再发生1989年类似的大停电，美国电网的损失至少在2万亿美元以上，因为电网发展情况和1989年不一样了。

这是国外在瑞典2013年10月30日这次大停电，在瑞典的一些变电站，一共是4个变电站实测的400千伏电网的GIC，瑞典400千伏电网GIC、包括加拿大我都去看过，加拿大魁北克事故大停电的电网输电线路早先是400千伏的。我们现在500千伏输电线路已经开始采用6分的导线了，这是技术发展产生的。导线节能电阻很大的400千伏电网，电流的水平可能比我们现在500千伏电网是一个等级。所以在治理上我们经过多年研究，认为我们国家还是可以采用在中性点串电阻或者加电流的技术，这些年国家电网公司在治理治理接地极偏磁的时候，前面采用觉得简单、投资少，但是最后造成治理影响范围扩大，为什么？因为形成的电厂总在里面产生电流，你在一些站点把它堵住了它总要流，所以越流越远。华北电力大学在一个中低纬度的地磁爆的治理，首先提出一种叫均摊电网GIC的理论来进行地磁爆电网事故风险的治理，这个就是用电阻，我不详细说了，我们相关的文章大家可以看。

但要注意的问题，在扎鲁特换流站治理，这是国家电网公司在特高压电网建设最不希望看到的，但它设计的时候没有事先考虑这个问题，就造成了这样一种情况，我们怎么去评估不在混流站里不行，在外面治理也解决不了扎鲁特换流站的问题。上午江苏的发电公司也是有8台机组，这里提出问题，你做治理的时候要注意，不能因为你治理带来新的风险。所以我们现在在电网做接地治理存在这样的问题，扎鲁特一共在换流站装了8台装置，上午说江苏的发电集团电厂也是有8台机组。做治理的时候，如果一台装置发生故障退出运行，你退出运行的这台变压器承受的偏磁风险比不治理之前还要大。

治理，因为这是一个新的问题，现在没有相关的治理标准，所以一些厂家生产的产品不满足要求，比如我们在发电厂、变电站、变压器中心点设备选择的时候的绝缘水平，现在的治理装置没按照这个水平去做，在实际运行当中发生的事故也比较多，所以在治理装置上，我们也总结出了经验，原来这种传统的用不锈钢电阻片做的治理装置，不能满足我们发电厂和电网变电站变压器绝缘水平的要求。左边这个是我们提出的，用无感技术做的绕先电阻做偏磁治理。

应该说采用技术手段，基于电网去治理还是需要很大的投资，本来不应该有这个东西，加了这个东西不是什么好事情。我们下一步要努力去克服怎么预报空间天气，这个不是大气的风雨雷电，这个问题很复杂，当然美国也在努力做这件事情，也走在我们前面，他们从1996年、1997年就发射太阳观测卫星去观测，包括我们现在研究预报，也要用他们的数据，但平时和平时期这个数据是公开的，暂时他不会。所以我们现在也在加强我们的基础设施建设，也有发射太阳卫星的计划，但现在主要还是从地面叫子午工程去观测、去做这方面的研究。如果预报的问题能解决，我们预防地磁爆的灾害可以变得更简单一些，不需要那么大的投资。

我就介绍到这里。谢谢！

来源：北极星电力网

（本文根据现场速记整理，未经发言人审核。）