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电网地磁感应电流问题及基本理论与算法的研究


中国电机工程学会电力系统专业委员会 20 年学术年会论文集 05

电网地磁感应电流问题及基本理论与算法的研究

刘连光 ’ 王倩 ’ 史卫萍 ’ 郭建辉 ’ (. 1华北电 力大学电 气工程学院, 北京 120;  026 2湖南省郴州电 . 业局, 湖 南郴州 430 )                         200

>〔 要〕 太阳活动引发的磁暴是全球性自 摘 : 然灾害。 磁暴在输电线产生的地磁感应电流 ( I) GC 对电力系统安全运行 有很大影响. 依据江苏阳一 淮输电系统、 黑龙江等电网发现的多起 GC影响事件, I 对输电线路 GC的基本理论、 I 分析算法、 监测技术等开展了研究工作。本文分析了 我国电网的GC问 I 题及研究意义, 论述了 输电线GC I 机理和
特征,并通过对输电线 GC基本理论及算法的分析与研究,提出了计算我国电网GC的方法和思路。 I I

〔 关挂词」 :输电线路;地磁暴;地磁感应电 流; I GC算法

1 引言
太阳活动、地震、火山爆发等原因引起的地磁场剧烈变化称为磁暴或地磁暴,其中,以太      阳活动引发的磁暴危害最大。磁暴引发地磁感应电流 ( I )对电力系统、输油管道、通信网 GC

络等现代人工网络系统都有很大的影响[Z -] ,[。加拿大魁北克大停电 1 ] 和大量的 线路、 输电 变压器、
静止补偿器跳闸事故表明,长距离、东西走向的输电 线路更容易受到GC的 I 严重影响[3 1] ]0 (
我国能源资源和电力需求分布的不均衡,决定了长距离输电是我国电网的必然选择。近年,课      题组根据我国江苏阳一 淮输电系统、东北黑龙江电网和广东岭奥核电站等发现的 GC问题,对输电 I 线路 GC的基本理论、 I 计算方法和监测技术等问题开展了研究工作。 本文通过电网GC基本理论和 I 理论算法的研究,给出了计算 GC问题的方法和思路。 I

2 主要问题和研究意义
依据课题任务开展了大量调研工作。结果表明,我国电网的GC问题需要研究。      I

2 题初步调研结果 . 1问
江苏阳一 0k      50V输电系统从 20 年 3 淮 01 月最初投运到 20 年 1 月期间, 02 0 系统中上河变电
站多次发现变压器持续达 1 小时的噪声异常现象,变电站 70 A变压器为日本三菱公司 -2 5MV

制造,经中日 双方专家共同对录制的噪声分析后认为是 GC导致的变压器直流偏磁所致[5 I [] a0 ] [
除阳一 淮系统外,广东岭奥核电站、黑龙江黑河电网等也都发现过遭受地磁暴侵袭的事件。

为了分析直流输电      接地电 流对变压器造成的 影响, 广东岭澳核电 站于20 年6 03 月安装了 直流电
流监测装置, 对进入变压器的直流电流进行在线监测。20 年 7 7日 1 月8 04 月2 和 1 日的两天, 装置 监测到了两次非直流输电引起的、 数值为2 多安的中性点直流电流。 0 经课题组对这两天的磁暴发生

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情况调查表明, 两天均发生了较强的磁暴, 广州地磁台提供的磁暴强度均为K 9。因此, =- 广东岭澳
核电站两天中记录到的变压器运行异常,也是磁暴引起 GC造成的变压器偏磁饱和所致。 I 通过调研还了解到,东北电网赤峰一      董家和北安一 孙吴一 黑河系统,西北电网龙羊峡一 格尔木

等系统都发现过变压器不明原因的噪声异常现象, 现在分析是 GC造成的影响。 I 我国电网从前 以省、大区电网为基础,长距离输电线路少,GC的影响相对较小,所以对一些不明原因现象 I 缺乏研究,问题也没有引起关注。因此,长距离输电系统发现的GC新问 I 题需要研究。

2 课题 . 2 工作重要意义
除发现的问题需要研究外,我国在建和拟建的系统更值得认真研究。例如,20      06年,总长为 65m的两条 70V输电工程将在西北地区建成。到 21 年,西北电网拟建的 70V输电 7k 5k 00 5k 线路将
达到 20k 00m以上,规划方案 B如图2 所示。该系统不仅呈明显的东西走向,并且比受 GC影响发 I

生大停电的加拿大魁北克系统的输电线路还要长;另外,系统处于中高等地纬、磁纬地区和高寒多
冻土地带,这种系统容易遭受 GC的严重侵袭 。 I
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图 1  1 年西北70V系统地理接线图 (                             2 0 0 5k B方案)

除西北电网外,我国还有很多在建和拟建输电系统的输电线长度更长。这些系统中哪种、哪些      输电线路存在 GC的问题,以及是否会带来严重的危害需要研究。因此,本课题提出结合我国的实 I 际工程,研究磁暴在长远距离输电系统、大规模电网引起的 GC问题,这对我国超高压、长距离输 I 电工程的建设具有重要意义和实用价值。

3 电网GC I 机理和特征
太阳耀斑爆发导致的地磁暴会使地球表面地磁场发生变化。在变化的地球磁场作用下,在土壤     

电 率 高 区 诱 每 里 伏 十 伏, 续 间 几 钟 几 时 地 电 ( P。 高 阻 较 地 可 发 公 几 到 几 持 时 从 分 到 小 的 面 势 E )在 S
压输电 系统中,由于变压器中性点直接接地, S E P会在高纬度地区、东西走向、长距离输电线路与
大地形成的回路中产生 GC I,如图 1 所示。
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图2 输电线路 G C原理图 I

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E P作为电压源加在输电线路两端的变压器中性点之间,产生的GC在变压器和三相输电线路      S I 中流动,E P S 越大、输电线路越长,产生的GC越大。电网GC的大小除与磁暴强度、地理纬度、 I I

线路一 长短相关之外,还受土壤电阻率、线路参数、变压器铁芯结构、接地方式等因素的影响。
GC的变化频率一般在 0 0H 一0 H 之间,与电网 5H 的交流电相比较,G 可看作为一      I . 1z . z O I 0 z C I

准直流电 。这种特征的G 如果过大, ] 6 [ c l 会造成变压器铁心半波高 度饱和, 将给电网中变压器、电
流互感器、保护装置等设备的正常运行带来一系列有害的影响,对系统安全稳定运行构成威胁。加

拿 魁北 统的 停电 典 事 【 大 克系 大 就是 型 例 ’ 〕

4 输电线 EP S 的理论算法
评估G 的影响依赖于电网G 的计算,      C I C I 而计算G 的核心和关键在E P求得E P C I S。 S 可用P C D SA 等工具软件仿真计算输电线的G 。经国外学者多年研究,提出了几种计算输电线或管道系统 E P C I S 的理论算法。这些理论算法的要点如下。

. 4 平面波理论 1 平      面波理 论提出比 ,有 性的 . 哟 a 人的 作7] 该 论以 距 球 远 较早具 代表 是R o 等 工 1 。 理 太阳 地 很 为 Pl 8 [ ]
基本依据,假设太阳喷发的粒子流为无限远、密度恒定、面积无限大的片状电流或线状电流,诱发
的地磁场为垂直地面的平面波。

然后,再假设地面近似平面,且地面电导率均匀不变,      通过测量磁暴发生时地磁场水平分量 B x

与B , y 根据M w 方程和F a 感应定 可估算磁暴引 感应电 x y xl ae ry aa d 律, 发的 场E 与E 大小。 产生的
感应电场计算模型为
。, 、 1

“一石霜 妙 )

() 1

式中, t     为水平感应电 x y 脚为真空磁导率, 为大地电 ( E) 场E 或E, 0 导率, t ( g 为地磁场水平分 )
量B 或B 的 x y 变化率。
求得感应电场 (S 之后,依据电网的物理结构、地理位置、地质结构建立数学模型,选用      EP ) 合适工具软件可计算输电线路的G 。 C I

. 4 复镜像法理论 2
复镜像法 C 是计算距地面一定高     ( M) I 度时变电 流产生的 地面电 场和磁场的算法1‘。当磁暴 ] 〕 9” [

发生时, 磁暴对地电 作 场的 用可用粒子流源位于 距地面深 度为p的 镜像良 导体表示。
._ 2 P ‘ 丁 二 二 一 () 2
‘ 竹尸0            t

2 Z叻为大 抗,田为工 二 ( 地阻 频角频率,尸 为 磁导率。 。 真空 最初只是一个纯 数学的 论算法, 理 但如果 用于Gc l 计算时 确的 有明 物理意义, 实部与 p的
虚部分别对应土壤中流过的、与粒子流同相或反相电流的位置。C 地面电场可表示为 M I
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其 , se空 粒 流 地 表 产 的 场 宜a 镜 电 在 面 生 电 。   亘u为 间 子 在 球 面 生 电 , i 为 像 流 地 产 的 场 中 o r c m g e
采用CM理论的关键是建立大地阻抗的      I 数学模型,以 及实现对大地参数的分层处理。CM理 I
论能准确地反映地质结构对 G C的影响。 I

4 DT . S L和S C 理论 3  ES
D T 和 SC 两种理论是针对连续接地的网     E S SL 络系统 GC提出的算法, I 通常主要用于输油气管

道的分析,并已 经在包含分支线路的管道工程中 得到了实际应用[川。 2 对地下电 ]  [ 缆或海底电缆,以
及含有导体管道等连续接地的网 络,当 存在屏蔽层或管道绝缘不良 可用D T 理论计算屏蔽 时, SL 层
或管道周围地面的电 势差。SC 理论主要用于高纬度的地区, ES 应用需要对空间等效的粒子流建模, 对数据的要求高、使用复杂。 S L S C 理论在电力系统很少采用,在此仅做简要的介绍。 DT 和 E S

4 两 用理 较 . 种常 论比 4
平面波 E 理论提出较早,     P S 普遍认为是中低纬度可采用的算法。 其原理简单, 但由于假设
条件多, 因此比较粗糙。 前面对平面波理论算法的介绍, 也仅仅是基本理论和概念的简单描述。

在算法实现和实际应用中,需要完成相关数据的处理、建摸,以及假设条件的改进、完善等大
量的工作才能使用。很多影响因素处理不当,会影响分析、计算结果的准确性。近年,芬兰学

者深入的研究工作表明,平面波理论也可以满足高纬度地区工程计算的需要[1 10 2
CM是针对高纬度地区提出的理论算法,算法实现了对大地土壤的多层处理,能准确地反      I 映地质结构对电网 GC的影响, I 用于高纬度地区比平面波理论更为准确。 I 理论在高纬度地 CM

区的国家已 得到了普遍认可, 实际应用也取得了良 好效果[l但与平面波理论相比, I [。 1 7 CM需要 先在频域内进行计算, 然后再转化为时域的表达式, 计算上比较繁琐。 另外, I CM理论基于对
土壤分层处理,在具有海岸效应的地区不适用。

5 电网GC 工 分析计算方法
基于平面波理论的输电线E P      S 算法和软件研发已取得初步成果,目 前重点问 题是研究大地电性

结构的建模。限于篇幅, 本文简要阐述输电 线路GC计算的总体方法和思路。 I

5 基 数据收 . 础 1 集
磁暴是产生GC的      I 根本原因, 磁暴数据是计算电网GC的基本依据。 I 磁暴引 起的地磁扰动用磁
情指标K表示。 按K值大小磁暴可分为三级[ :  5 [ K 为弱磁暴; = ,  磁暴; = ,  1 = 3 ]  K 67 为中 K 89 为

强磁暴。 通常,当K大于5 时, 或6 就会对长距离输电 线路产生明 显的影响[3 可根据研究对象 1) ]。 [
的位置, 收集相关地磁台的监测数据, 我国3 个地磁台中的部分新建台站有数字化的监测仪, 7 数据
经过处理可用于电网GC的分析、计算。 I

5地 构 . 质结 建摸 2
EP      S 计算对大地电导率 a的建摸要求,与一般发电厂和变电站接地系统不同,需要考虑到深 层乃至地壳大地电性参数,故称其为大地电阻率。由于我国幅员辽阔、地质条件复杂,输电线路穿

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越距离远,因此大地电导率准确建摸是十分困难的_作。一般认为,磁暴在火成岩地质结构地区诱 〔

发的EP S 较大,输电 线的GC也较大[] I 1a a
课题组完成了基于地质数据和均值算法的电阻率建摸工作,      基本可以 满足较长输电线GC评估 I 的需要。但更准确、细致的建摸方法,可以考虑地质、探矿部门 采用的大地电 磁探深 ( 法)技 MT

术获取大地电 性参数[] 建立更为准确的大地电阻率模型计算电网GC 但M 法建摸需要技术 1,以 5 I。 T
手段、工作量大,建议相关部门能参与研究。

5 影响因素处理 . 3
输电线路GC的问题复杂、影响因素多。除磁暴强度、      I 地理纬度、地质结构等条件外,从我国
不同地区、不同电网发现的问题来看,输电线路的地理结构和海岸效应是重要因素;或者可以说,

输电 线长度、 是我国电网GC的决定因素。 走向 I 海岸效应是GC的重要特点[, I [ 广东电网 i l ] 发现的问
题可以证实这一点, 这也是研究广东电网 GC影响计算中需注意的问题。因此, I 影响因素是 E P S建 摸、软件编制和仿真计算中需要认真研究的问题。

5 仿真软件选择 . 4
在获得输电线路 E P的基础上,可考虑输电线长度、走向和变压器参数、结构,建立电网模型      S 完成 GC计算、分析工作。仿真计算软件可以考虑自 I 行开发,鉴于变压器结构、特性建摸工作量和 自 主软件标定等问题, 采用 P C DE D S A /MT C对阳一 电系统 G C问题进行了研究。由于缺乏实 淮输 I 际测量结果,得到的计算数据虽然不能完成说明问题,使用工具是可行选择。为检验理论研究
成果,课题组正在研发电网 GC监测装置。 I

6 结论
输电线路中的GC如果过大,会造成变压器铁心的半波饱和,这将给电网中的变压器、电流互      I 感器、保护装置等设备的正常运行带来一系列的有害影响,对系统安全稳定运行构成威胁。课题组

的研究工作表明,电网GC是我国 I 现代大规模电网发现的新问 题,为保证电力系统的安全、稳定运
行,电网 GC影响问题值得深入研究。 I 课题组提出了分析我国电网GC问题的思路; I 研发了基于平 面波理论的输电线 E P S 分析软件;目 前正在进行细致的理论研究和开发电网GC监测装置。 I 但影响

电网GC因素多、情况复杂,相关理论问题有待进行更深入的研究,同时建议相关单位参与工作。 I

致 谢
本文课题研究工作得到了国家自      然科学基金项目 ( 批准号: 0709 、中国地震局地球物 5473)
理研究所和湖南省电力公司、江苏电力科学研究院等单位大力支持,在此表示衷心感谢。

参考文献
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[RPjl AVlnn o p x g m t d cl li e ciad  nt fl p dc b a ar a 9 .r a .i e, m l iae h f a u tg  tc  m gec d r ue y  u r ] i ,  j C e m o a e o o c an l r n a i i s  d  n o l r  e e o
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[ ]o l DHG o ant H zrs  odcn N tok[,a r H zes 02 8 -) 3^51 1 B te .,em gec  a tC nut g  w rs  t a aad, 0, ( 3: 7 6 ; 2 e r  i a d o  i e JN u l  ] 2 22 5 [ ] h G Kpem n tm de cm ec et n ad oie go antay ue crn rk t 1 J n  apn a.o s dn  m ne n eet n a ct em gecl i c u e is  3 o .  Sr u o m v s  s ad  s i l n d r t  o d s
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Pw r i r J ur 9, 15^5 o eD le ,  a 1 4 () 0 - evy a y 9 9 : n 8

作者简介:
刘连光 ( 5-,教授,从事电力系统运行、分析与控制方面的教学和科研工作;     94) 1

王倩 (9 -,硕士研究生,从事电力系统分析方面的研究工作;     0) 18 史卫萍 ( 8-,硕士研究生,从事电力系统分析方面的研究工作;     92) 1
郭建辉 ( 7-     91 ,工程师,从事电力系统运行管理工作。 1 )
基金项 目:国家 自然科学基金资助项 目 ( 0 7 0 9 5 4 73 )

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