論文黑龍江5kV電網(wǎng)GIC水平評估及其優(yōu)化治理的研究

1、第1章 緒 論第1章 緒 論1.1課題研究的背景和意義由太陽活動引起的全球性的地球磁場劇烈波動現(xiàn)象稱為地磁暴。在地磁暴的作用下，地表面感應(yīng)出的電場會在輸電線路、中性點(diǎn)接地變壓器以及大地構(gòu)成的回路中產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流GIC(geomagnetically induced current)。GIC會給許多現(xiàn)代人造網(wǎng)絡(luò)，如石油與天然氣管道、通信線路、電力系統(tǒng)等帶來一系列嚴(yán)重影響1-3。例如1989年3月發(fā)生的地磁暴，其產(chǎn)生的GIC使得加拿大魁北克省電網(wǎng)變壓器被燒毀，在不到90秒的時(shí)間內(nèi)整個(gè)電網(wǎng)癱瘓，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失4。文獻(xiàn)5指出電網(wǎng)GIC的水平主要取決于地磁暴強(qiáng)度、地理緯度、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線參數(shù)和大

2、地電性結(jié)構(gòu)等因素。由于以前我國電網(wǎng)輸電線路距離短并且容量小，因此GIC對電網(wǎng)的影響不是很突出，問題沒有得到足夠的重視。近年來，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式的多樣化，GIC成為我國超高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的潛在威脅。江蘇、廣東等地電網(wǎng)曾多次發(fā)生地磁暴侵襲事件并且對電網(wǎng)造成了一定的影響。隨著我國“西電東送”、全國聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，我國將建設(shè)大量高電壓、遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)，500kV及以上線路將成為我國電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架4。因此，研究500kV超高壓電網(wǎng)GIC問題具有重要意義。黑龍江電網(wǎng)是我國緯度最高的省級大電網(wǎng)，并且與加拿大魁北克省在磁緯、土壤電阻率和土壤質(zhì)地等方面都比較接近。從地磁暴在電網(wǎng)中產(chǎn)生GIC的機(jī)理分

3、析，黑龍江電網(wǎng)在我國最容易受到GIC的潛在威脅，并且在強(qiáng)磁暴作用下可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。科學(xué)研究表明，近半個(gè)世紀(jì)以來，太陽黑子活動明顯增多，導(dǎo)致太陽耀斑幾乎以每11年為一個(gè)周期頻繁的爆發(fā)，2013年前后正是太陽活動24周峰年6。因此，隨著下一個(gè)太陽活動高峰期的來臨，結(jié)合2011年黑龍江電網(wǎng)的建設(shè)，研究其500kV電網(wǎng)的GIC水平及優(yōu)化治理措施有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代國外就已經(jīng)對GIC問題展開了大規(guī)模的研究。位于北美、北歐等地的高緯度國家，針對本國電網(wǎng)實(shí)際情況，進(jìn)行了大范圍的理論分析和實(shí)際監(jiān)測工作，并取得了不少成果。由于我國大部分地區(qū)處于中低緯度，且以前輸電線路容

4、量小，因此對GIC問題的關(guān)注較晚，研究工作始于20世紀(jì)90年代后期。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在電網(wǎng)GIC問題已經(jīng)得到了一定的重視，開展了一系列較深入的研究。1.2.1監(jiān)測裝置研究現(xiàn)狀電網(wǎng)GIC實(shí)際監(jiān)測方面，美國、加拿大、芬蘭、英國等多年來堅(jiān)持研究地磁暴的監(jiān)測以及防治工作，其成果代表著這個(gè)領(lǐng)域的世界水平7-8。早在1977年，芬蘭就以其400kV電網(wǎng)為基礎(chǔ)，對電網(wǎng)GIC問題進(jìn)行了分析和監(jiān)測，并對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行了相應(yīng)改造9；加拿大從1989年對電網(wǎng)GIC進(jìn)行了監(jiān)測，并用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法研究了GIC與地磁活動指數(shù)之間的關(guān)系，取得了一定的成果；鑒于1989年3月地磁暴造成的嚴(yán)重影響，1992年

5、由美國電科院（EPRI）研制的SUNBURST系統(tǒng)，它可同時(shí)監(jiān)測20多個(gè)變電站的GIC，不僅能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)GIC在線監(jiān)測和提供防治策略，而且能對用戶進(jìn)行GIC預(yù)警并提供實(shí)時(shí)的地磁暴數(shù)據(jù)，對于GIC的研究和治理起到了很大的數(shù)據(jù)支持作用；英國也在2000年左右實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)GIC的監(jiān)測；此外，1990年以后，瑞典、南非、加拿大等國也都先后開展了對電網(wǎng)GIC的實(shí)際監(jiān)測、預(yù)警工作，且技術(shù)日趨成熟。隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，華北電力大學(xué)首先提出研究地磁暴對我國實(shí)際電網(wǎng)的影響。其研發(fā)的電網(wǎng)GIC在線監(jiān)測系統(tǒng)，可靠、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)了對GIC這種準(zhǔn)直流、突發(fā)性信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)據(jù)存儲，為掌握電網(wǎng)GIC水平與繼續(xù)深入研

6、究GIC對電網(wǎng)安全的影響提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)10。目前，此監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)變電站安裝并投入運(yùn)行。1.2.2理論分析研究現(xiàn)狀 1.地面感應(yīng)電場算法電網(wǎng)GIC理論分析的關(guān)鍵在于正確分析地面感應(yīng)電場。目前，經(jīng)過國內(nèi)外多年的研究總結(jié)，在地面感應(yīng)電場計(jì)算領(lǐng)域上，形成了大量的理論模型和方法。諸如，平面波法(The Plane Wave)、有限元法（The Finite Element Method）、SECS法(Spherical Elementary Currents Systems)、合成鏡像法(The Complex Image Method)等。每種方法均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，下面分別介紹。 （1）平面波

7、法平面波法11-12主要是假設(shè)空間電流在大地中所感應(yīng)的電場為垂直向下傳播的平面波。這種方法忽略了地表的曲率，假設(shè)地面為無限大半空間，且大地電導(dǎo)率均勻不變，通過測量地磁暴發(fā)生時(shí)的地磁場水平分量Bx與By，根據(jù)麥克斯韋方程和法拉第感應(yīng)定律，估算出地面感應(yīng)電場的水平分量Ex與Ey的大小。平面波法出現(xiàn)較早，假設(shè)條件較多，所以在描述極地區(qū)域的強(qiáng)烈地磁暴時(shí)，GIC的計(jì)算比較粗糙。但文獻(xiàn)13通過實(shí)例計(jì)算表明，平面波法在中低緯地面感應(yīng)電場計(jì)算中能達(dá)到一定的精度，可以滿足分析需求。 （2）有限元法 1960年前后出現(xiàn)的有限元法起初是單獨(dú)作為一種進(jìn)行數(shù)值分析的方法14。在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用則可以追溯到1968年，到目

8、前為止，這種方法已經(jīng)在各領(lǐng)域得到了全面的運(yùn)用。在我國，從1970年起，也先后開始推廣基于有限元法的應(yīng)用并開展了三維電磁場的研究，如今已經(jīng)取得了豐富的研究成果?？梢哉f，有限元法的引入，對于電力工業(yè)的研究和發(fā)展起到了很大的推動作用。本課題中，在計(jì)算地面感應(yīng)電場問題上，可以采用有限元法。這種理論在計(jì)算高壓直流輸電地表面電勢中的能力已經(jīng)得到了充分證明，只需要根據(jù)有限元的理論方法搭建基本的數(shù)學(xué)模型以及建立相應(yīng)符合原則的幾何模型。在模型中，單元格式、性能定義及網(wǎng)格劃分是主要的幾項(xiàng)工作，這里所說的網(wǎng)格劃分就是將所研究區(qū)域劃分為一系列子區(qū)域，在這些子區(qū)域中構(gòu)建線性插值函數(shù)，再通過離散化方法，以期可以將偏微分方

9、程求解問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程求解問題。在問題最后，根據(jù)約束條件即可以計(jì)算出各子區(qū)域的地面感應(yīng)電場。因?yàn)榇蟮仉娮杪实木W(wǎng)絡(luò)分層分區(qū)的詳盡要求在有限元法的運(yùn)用上必須得到充分的考慮，而現(xiàn)有的情況很難實(shí)現(xiàn)這樣苛刻的要求來進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和獲取，因此這種需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持的有限元法在實(shí)際工程中的應(yīng)用比較困難。 （3）SECS法 FMI(the Finnish Meteorological Institute in Helsinki)的Pulkkinen等人最先提出使用SECS(Spherical Elementary Currents Systems)理論計(jì)算地磁感應(yīng)電流的思想。這種算法雖然地面感應(yīng)電場能夠通過地

10、磁暴數(shù)據(jù)和本地地表阻抗而得，但是，在利用地磁儀進(jìn)行內(nèi)外插值得到地磁暴數(shù)據(jù)方面有所要求。這種理論最初是出現(xiàn)在文獻(xiàn)15中，文獻(xiàn)通過SECS方法來計(jì)算地磁感應(yīng)電流，同時(shí)對等效電離電子流進(jìn)行建模。這種方法現(xiàn)今已得到一定的運(yùn)用，有了一些應(yīng)用實(shí)例。在芬蘭，F(xiàn)ennoscandia運(yùn)用SECS算法對高壓電網(wǎng)以及天然氣管道等進(jìn)行了計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，其結(jié)果表明，SECS算法具有非常強(qiáng)的高效性和快速性。但是由于SECS理論在對等效電離電子流建模方面有很高的要求，因此目前來看只在高緯度地區(qū)考慮應(yīng)用。 （4）合成鏡像法合成鏡像法的初始模型來自于在電磁學(xué)電場和磁場的計(jì)算中的鏡像法。鏡像法實(shí)質(zhì)是以邊

11、界面外的虛擬量(集中量)來等效邊界面上的實(shí)際量，以保持邊界條件不變作為等效量，所以通常被用于解決電磁場的邊界問題。合成鏡像法也稱復(fù)合鏡像法，1975年前后由Pirjola首次提出。在文獻(xiàn)16中，他將前面提到的鏡像法做適當(dāng)改進(jìn)后運(yùn)用于地面感應(yīng)電場計(jì)算中，以期達(dá)到快速近似計(jì)算效果。Pirjola依據(jù)源與鏡像的對稱性基本理論，在已知源所產(chǎn)生的初始場情況下，明確的整理出地面感應(yīng)電場的表達(dá)式。合成鏡像法的優(yōu)點(diǎn)就是沒有回避對土壤分層處理的問題，對于不同土壤特質(zhì)的地理特征都能夠做到有效區(qū)分，更精確了土壤電導(dǎo)率最終的取值。但是這種方法雖然能夠較為準(zhǔn)確地反映各地區(qū)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)，但由于影響電網(wǎng)GIC的因素有很多，

12、也就限制了這種方法的應(yīng)用環(huán)境（比如在具有海岸效應(yīng)的地區(qū)，這種方法對于土壤分層的考慮就不可使用）。此外，在與平面波法的比較中可以發(fā)現(xiàn)，合成鏡像法需要先在頻域內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，然后再轉(zhuǎn)化為時(shí)域表達(dá)式，比較繁瑣。綜上所述，目前在國內(nèi)外研究中，平面波法和合成鏡像法的應(yīng)用最為廣泛，而有限元法和SECS理論限于現(xiàn)有條件暫時(shí)還沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。 2.電網(wǎng)GIC的計(jì)算方法 由于GIC具有準(zhǔn)直流特性，因此在電網(wǎng)GIC的計(jì)算中只需要考慮電阻的作用。在電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)已知的情況下，GIC的計(jì)算實(shí)質(zhì)上可視為電路問題。依據(jù)具體的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在建立大地模型的基礎(chǔ)上計(jì)算出對應(yīng)的地面感應(yīng)電場，其對電網(wǎng)的作用可以相當(dāng)于施加在

13、不同接地點(diǎn)之間的電壓源，再按基爾霍夫定律(KCL、KVL)即可以計(jì)算出各變電站的GIC值17-19。1.2.3治理措施研究現(xiàn)狀地磁感應(yīng)電流GIC主要通過中性點(diǎn)直接接地的變壓器流入電網(wǎng),因而對其治理的研究主要從變壓器入手。為了抑制GIC對電力系統(tǒng)的不利影響，經(jīng)過國內(nèi)外多年的研究總結(jié)，目前常用的治理措施主要有補(bǔ)償措施、削弱措施和隔離措施3種20-26。 多年來，曾受過地磁暴侵襲的國家，如美國、加拿大、日本、芬蘭等，針對自己國家電網(wǎng)的具體情況，在GIC治理措施方面所做的嘗試，都為電網(wǎng)GIC治理工作貢獻(xiàn)了巨大的力量27-29。例如，1989年加拿大魁北克省電網(wǎng)遭遇地磁暴侵襲后，其在1990年采用基于在

14、輸電線路上串聯(lián)電容器的隔離措施進(jìn)行治理，隔開了GIC在輸電線路中的流通路徑，有效防止了以后GIC對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的重大影響；2005年，R.Pirjola教授針對芬蘭電網(wǎng)的具體情況，對其電網(wǎng)GIC的治理措施進(jìn)行了研究，最終分析了基于中性點(diǎn)串接電阻的削弱措施在芬蘭的可行性。目前，國內(nèi)也已經(jīng)有基于注入反向電流的補(bǔ)償措施成功應(yīng)用于江蘇常州武南變電站的主變上。 終上所述，國內(nèi)外在GIC監(jiān)測方面的研究都已經(jīng)日趨成熟，但在理論分析和治理措施方面，由于國外電網(wǎng)規(guī)模小且國內(nèi)起步較晚，因此針對大規(guī)模電網(wǎng)GIC計(jì)算和治理的研究工作不多。所以，本課題在結(jié)合前人研究分析的基礎(chǔ)上，對黑龍江2011年末500kV規(guī)劃電網(wǎng)的

15、GIC問題開展分析，評估其GIC水平以及研究具體的治理措施優(yōu)化方案，對大規(guī)模電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及電力系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)都具有重要意義。1.3本文主要工作基于以上對課題意義及研究現(xiàn)狀的分析，本文闡述了電網(wǎng)GIC的產(chǎn)生機(jī)理及其對電力系統(tǒng)的影響，建立了基于地磁暴數(shù)據(jù)和大地電導(dǎo)率的地面感應(yīng)電場模型以及電網(wǎng)GIC計(jì)算模型，并對黑龍江省2011年末500kV規(guī)劃電網(wǎng)的GIC水平進(jìn)行了評估以及優(yōu)化治理。主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：1 介紹了電網(wǎng)GIC的產(chǎn)生機(jī)理及其對電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的影響，著重分析了由GIC導(dǎo)致的變壓器直流偏磁現(xiàn)象的原理，進(jìn)一步說明了研究黑龍江省500kV電網(wǎng)GIC問題的必要性；2 基于大地電導(dǎo)率

16、和地磁暴數(shù)據(jù)，選取適合中低緯度地區(qū)的平面波法求解出了地面感應(yīng)電場；3根據(jù)GIC的準(zhǔn)直流特性，建立了合適的電網(wǎng)GIC計(jì)算模型；并且考慮到網(wǎng)絡(luò)常數(shù)的直觀性，推導(dǎo)了網(wǎng)絡(luò)常數(shù)a值和b值的求解公式，對黑龍江2011年末500kV規(guī)劃電網(wǎng)的GIC水平進(jìn)行了評估并作出了分析；4在深入分析和研究目前常用的電網(wǎng)GIC治理措施優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，指出傳統(tǒng)的只在某個(gè)變電站安裝GIC治理裝置的方法，并不能從根本上解決GIC問題，并給出合理建議；5建立了抑制電網(wǎng)GIC的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以及約束條件；基于靈敏度分析法每次都能夠快速方便的得到對目標(biāo)函數(shù)影響最大的參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用靈敏度分析法對黑龍江500kV電網(wǎng)GIC治理措施進(jìn)行了

17、優(yōu)化，并給出了最后的優(yōu)化結(jié)果和方案。- 11 - 第2章 電網(wǎng)GIC產(chǎn)生機(jī)理及危害第2章 電網(wǎng)GIC產(chǎn)生機(jī)理及危害由地磁暴產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流GIC在輸電線路、中性點(diǎn)接地變壓器與大地構(gòu)成的回路中流動，可能對電力系統(tǒng)或電力設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對地磁暴的研究也日漸引起人們的重視。本章將從GIC的產(chǎn)生機(jī)理及其對電網(wǎng)的危害兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。2.1電網(wǎng)GIC產(chǎn)生機(jī)理科學(xué)研究表明，近半個(gè)世紀(jì)以來，太陽黑子活動明顯增多，導(dǎo)致太陽耀斑幾乎以每11年為一個(gè)周期頻繁的爆發(fā)。圖2-1顯示的是當(dāng)前太陽黑子活動周期，實(shí)線表示月平均太陽黑子數(shù)，虛線表示預(yù)測值的上限與下限30。可以看出

18、，現(xiàn)在正處于太陽活動的上升期，下一個(gè)太陽活動極大年即將在2013年左右到來。圖2-1 當(dāng)前太陽黑子活動周期當(dāng)太陽活動（如：耀斑爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射等）劇烈時(shí)，太陽能量劇增向外部空間釋放大量高速中性粒子流，稱為太陽風(fēng)。太陽風(fēng)約經(jīng)一到四天到達(dá)地球后，撞擊地球磁層，與地球磁場發(fā)生復(fù)雜的相互作用，一部分能量被傳送到地球磁層內(nèi)部，引起磁層-電離層電流在方向和強(qiáng)度上的快速變化，導(dǎo)致地球磁場劇烈擾動，從而引發(fā)地磁暴31-32。通常用磁情指數(shù)Kp來描述地磁臺每3小時(shí)內(nèi)地磁擾動的強(qiáng)度33，從0到9共分為10級，分別對應(yīng)不同的干擾幅度。按Kp的最大值，一般將地磁暴分為三級：Kp5為弱磁暴；Kp=6，7為中等磁暴；K

19、p=8，9為強(qiáng)磁暴。地磁暴發(fā)生時(shí)，在極電流作用下形成的磁場，與受極電流擾動的地磁場所合成的磁場是一個(gè)時(shí)變的磁場。由于地球是一個(gè)導(dǎo)電的球體，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知：在時(shí)變磁場作用下，地表面會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當(dāng)?shù)孛嫔洗嬖谌珉娋W(wǎng)、通信線路等導(dǎo)電性能良好的人造網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就會進(jìn)而在其中產(chǎn)生GIC。有研究表明：當(dāng)Kp大于5或6時(shí)，由地磁暴產(chǎn)生的GIC就會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的影響34-36。GIC的產(chǎn)生機(jī)理具體如圖2-2所示。圖2-2 地磁感應(yīng)電流GIC產(chǎn)生機(jī)理 電網(wǎng)輸電線路中產(chǎn)生GIC原理如圖2-3所示。圖2-3 輸電線路GIC產(chǎn)生原理圖研究表明，GIC一般具有以下三大特點(diǎn)37：（1） GIC的準(zhǔn)直流特點(diǎn)

20、。GIC的變化頻率一般在0.0010.1Hz之間，與頻率為50Hz或60Hz的工頻電流相比，可以看作為準(zhǔn)直流。（2） GIC具有方向性。由于太陽風(fēng)流動的方向多為東-西方向，因此，由其產(chǎn)生的地磁暴和進(jìn)而感應(yīng)出的地面感應(yīng)電場、GIC都具有較強(qiáng)的方向性。通常情況下，東-西走向的輸電線路中更易產(chǎn)生較大的地面感應(yīng)電場或GIC。（3） GIC具有海岸效應(yīng)。由于水的電導(dǎo)率較高，岸邊陸地的電導(dǎo)率相對較低，而水中產(chǎn)生的GIC與陸地上產(chǎn)生的GIC應(yīng)該在相交處連續(xù)，因此，在岸邊陸地上可能會產(chǎn)生很大的地面感應(yīng)電場或GIC。2.2GIC對電網(wǎng)的危害2.2.1對變壓器的危害電網(wǎng)中的GIC在輸電線路、中性點(diǎn)接地的變壓器和大

21、地構(gòu)成的回路中流通。由于GIC的變化頻率很低，這種準(zhǔn)直流在交流系統(tǒng)中流動，會導(dǎo)致變壓器直流偏磁，造成變壓器鐵心半波飽和38，如圖2-4所示。圖2-4 變壓器直流偏磁示意圖圖2-4中，（b）是變壓器的磁化特性曲線，鐵心中磁通與勵(lì)磁電流i是非線性關(guān)系。當(dāng)具有準(zhǔn)直流特性的地磁感應(yīng)電流GIC流經(jīng)變壓器繞組時(shí)，與交流勵(lì)磁磁通相疊加，改變了變壓器的工作點(diǎn)，使原來磁化曲線工作區(qū)的一部分移至鐵心飽和區(qū)，導(dǎo)致與直流方向一致的半個(gè)周波的磁通密度大大增加，另外半個(gè)周波的磁通密度減小，這種現(xiàn)象即稱為變壓器直流偏磁現(xiàn)象。當(dāng)變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)，與磁通相對應(yīng)的勵(lì)磁電流i的波形也會發(fā)生變化，呈現(xiàn)明顯的正、負(fù)半波不對稱。如（

22、c）所示，勵(lì)磁電流i的負(fù)半波為正弦波而正半波出現(xiàn)尖頂波，最終導(dǎo)致變壓器振動增大，嚴(yán)重時(shí)會引發(fā)變壓器噪聲、局部過熱甚至損壞等一系列的危害，并且對系統(tǒng)中其他設(shè)備也會產(chǎn)生不利影響。2.2.2對發(fā)電機(jī)的危害一般而言，GIC對發(fā)電機(jī)的影響相對較小，但也可能造成危害39。這是因?yàn)閺脑砩现v星角連接的升壓變壓器可以防止GIC流入發(fā)電機(jī)，而發(fā)電機(jī)正是與星角連接的升壓變相連的，之所以說也會造成危害是由于不平衡電壓和多次諧波不規(guī)則變化產(chǎn)生的非直接影響。另一方面，由于流入發(fā)電機(jī)的負(fù)、正序諧波電流峰值超過可能的承受值，容易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過熱、過激與機(jī)械振動等情況的產(chǎn)生。根據(jù)麥克斯韋方程，發(fā)電機(jī)定子電流會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生持續(xù)振

23、蕩的感應(yīng)磁通分量?；趯Υ磐ㄔ淼牧私庵来磐ù┩干疃仁桥c其頻率為反比關(guān)系，通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)幾乎所有高次諧波的能量都集中在轉(zhuǎn)子表面，這些大量的超過限值的磁通分量在轉(zhuǎn)子中通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流會使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子局部過熱進(jìn)而導(dǎo)致灼傷。雖然GIC導(dǎo)致發(fā)電機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞的事件在實(shí)際操作和文獻(xiàn)中還沒有被發(fā)現(xiàn)或提及，但通過分析可以表明GIC的存在的確影響了發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，長期積累會對變壓器造成了一定的損害。2.2.3對微機(jī)繼電保護(hù)的危害傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置多采用電磁型繼電器，通過檢測電流的有效值實(shí)現(xiàn)保護(hù)。近年來，在建設(shè)智能電網(wǎng)的大背景下，隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)電網(wǎng)都已經(jīng)將繼電保護(hù)裝置更換為數(shù)字繼電器。

24、相對于電磁型繼電器，數(shù)字繼電器則通過檢測電流的峰值實(shí)現(xiàn)保護(hù)，并且對諧波敏感。通過2.2.1的分析可以知道，地磁暴發(fā)生期間，GIC流入變壓器引起變壓器的半波飽和，造成諧波畸變并且含量增加，此時(shí)容易導(dǎo)致數(shù)字式的繼電器動作?？笨耸鹿手姓怯捎诓黄胶怆妷罕Ｗo(hù)裝置的誤動導(dǎo)致并聯(lián)電容器組的退出而引發(fā)的。雖然可以通過提高數(shù)字繼電器動作定值的方法避免其動作正確性的降低，但同時(shí)由于定值的提高，在非磁暴期間會降低保護(hù)的可靠性。這就需要監(jiān)測磁暴的發(fā)生時(shí)間，根據(jù)磁暴數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整定值，難度較大。2.3本章小結(jié)本章通過對太陽風(fēng)引起地磁暴，進(jìn)而在人工網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流GIC這種現(xiàn)象的深入分析，研究了電網(wǎng)GIC的影響因

25、素及特點(diǎn)。基于GIC的準(zhǔn)直流特性，本章第二節(jié)著重分析了由GIC導(dǎo)致的變壓器直流偏磁現(xiàn)象的原理及GIC對變壓器、發(fā)電機(jī)、微機(jī)繼電保護(hù)等的危害。結(jié)果表明，GIC在交流線路中流動，必然會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生潛在的威脅，第3章 黑龍江500kV電網(wǎng)GIC水平第3章 黑龍江500kV電網(wǎng)GIC水平 電網(wǎng)地磁感應(yīng)電流GIC的計(jì)算可以分為兩個(gè)獨(dú)立步驟40，第一：磁層-電離層電流在大地中感應(yīng)出地電場，這是地球物理問題，本章采用平面波法求解；第二：地電場通過中性點(diǎn)接地的變壓器作用于電網(wǎng)產(chǎn)生GIC，這是工程問題，本章采用網(wǎng)絡(luò)常數(shù)法求解。如果地面感應(yīng)電場已知，通過將其對電網(wǎng)的作用等效成網(wǎng)絡(luò)中的電壓源，可以將GI

26、C的計(jì)算轉(zhuǎn)化為電路問題，因此計(jì)算地面感應(yīng)電場是評估電網(wǎng)GIC水平的關(guān)鍵。3.1地面感應(yīng)電場3.1.1磁暴數(shù)據(jù)分析地表某點(diǎn)的地磁場強(qiáng)度是個(gè)矢量，描述它需要有三個(gè)獨(dú)立的分量。參考坐標(biāo)系選擇如圖3-1所示。圖3-1 地磁七要素示意圖原點(diǎn)O為觀測點(diǎn)；x軸指向地理北；y軸指向地理東，z軸垂直向下，指向地心。在此坐標(biāo)系中，為地磁場矢量，其模OF稱為地磁場總強(qiáng)度；矢量在坐標(biāo)系的xoy地平面上及沿各坐標(biāo)軸的投影H、X、Y、Z分別稱為地磁場的水平分量、北向分量、東向分量和垂直分量；D為地磁場水平分量H與x軸的夾角，稱為磁偏角，H向東偏為正；I為與地平面xoy的夾角，稱為磁傾角，F(xiàn)向下傾為正。磁偏角D、磁傾角I、

27、地磁場總強(qiáng)度F、水平分量H、北向分量X、東向分量Y和垂直分量Z，統(tǒng)稱為地磁七要素。地磁要素隨時(shí)間而不斷發(fā)生變化，七要素中每三個(gè)獨(dú)立分量的組合都能確定某一點(diǎn)的磁場情況。地磁臺是觀測、記錄和研究地磁場及其變化規(guī)律的機(jī)構(gòu)。為了保證提供準(zhǔn)確、完整、連續(xù)的地磁要素變化資料，地磁臺要保證各種儀器處于正常的工作狀態(tài)，定時(shí)進(jìn)行觀測。地磁臺對磁場的觀測，通常采用相對記錄和絕對觀測兩種方法。相對記錄是連續(xù)記錄，目前記錄儀器的時(shí)間分辨率可以達(dá)到1秒，甚至更高，記錄的是地磁場的變化；而絕對觀測，一周進(jìn)行兩次，測量的是地磁場的絕對數(shù)值，測算被測要素真實(shí)的大小和方向。根據(jù)這兩部分同時(shí)觀測得到的數(shù)值確定基線值，基線值即記錄

28、到的磁場變化的起始值。我國地磁臺站通常記錄D、H、Z三個(gè)要素。本文采用的地磁暴數(shù)據(jù)從靜海地磁臺收集得到，2006年12月14日地磁暴的最大Kp值為7，且在14:0015:30期間最為強(qiáng)烈，因此本文選取了此時(shí)間內(nèi)的5400個(gè)地磁測量數(shù)據(jù)（采樣間隔為1s)，如圖3-2所示。圖3-2 2006年12月14日靜海地磁臺數(shù)據(jù)3.1.2基于平面波法的地面感應(yīng)電場計(jì)算研究電網(wǎng)GIC問題的關(guān)鍵是正確分析地面感應(yīng)電場。目前，經(jīng)過國內(nèi)外多年的研究總結(jié)，在地面感應(yīng)電場計(jì)算領(lǐng)域上應(yīng)用的方法主要有合成鏡像法和平面波法兩種。合成鏡像法需要考慮大地電導(dǎo)率各個(gè)單元十分詳盡的具體結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)有條件，勘測和獲取比較困難。文獻(xiàn)41

29、通過實(shí)例計(jì)算表明，平面波法在中低緯地面感應(yīng)電場計(jì)算中能達(dá)到一定的精度，數(shù)據(jù)分析后說明其在工程計(jì)算上能滿足要求，可以用來估算電網(wǎng)GIC水平；南非開普敦大學(xué)的J.Koen教授等人也將平面波法應(yīng)用于南非高壓電網(wǎng)GIC問題的研究，其理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合。黑龍江電網(wǎng)雖是我國緯度最高的省級大電網(wǎng)，但其在北半球仍屬于中緯度，因此本文對黑龍江500kV電網(wǎng)的GIC水平評估選用平面波法。 平面波法主要是假設(shè)空間電流在大地中所感應(yīng)的電場為垂直向下傳播的平面波。這種方法忽略了地表的曲率，假設(shè)地面為無限大半空間，且大地電導(dǎo)率均勻不變，按照公式，分別計(jì)算出地磁場水平分量Bx與By，根據(jù)麥克斯韋方程和法拉第電磁感

30、應(yīng)定律，估算出感應(yīng)電場的水平分量Ex與Ey的大小。感應(yīng)電場的水平分量與磁場的水平分量在時(shí)域內(nèi)有如下關(guān)系： （3-1）式（3-1）中：E(t)為感應(yīng)電場的水平分量；為真空電導(dǎo)率；為大地電導(dǎo)率；g(t)為地磁場水平分量的變化率。為了評估在中等地磁暴作用下，黑龍江2011年末500kV規(guī)劃電網(wǎng)的GIC水平，本文利用了靜海地磁臺2006年12月14日14:0015:30期間的5400個(gè)數(shù)據(jù)（采樣間隔為1s）進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于大地測探的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，大地電導(dǎo)率的實(shí)際情況很難精確得知，因此一般考慮最不利的情況。由相關(guān)地質(zhì)資料得知，我國東北多火成巖地帶，在火成巖地質(zhì)條件下，地表導(dǎo)電率低，由相關(guān)

31、資料分析，選取大地電導(dǎo)率=0.0015s/m。根據(jù)上述地磁數(shù)據(jù)以及大地電導(dǎo)率值計(jì)算出的地面感應(yīng)電場Ex和Ey如圖3-3所示。 圖3-3 2006年12月14日地磁暴作用于黑龍江電網(wǎng)產(chǎn)生的地面感應(yīng)電場3.2地磁感應(yīng)電流的計(jì)算3.2.1電網(wǎng)元件的等效由于地磁感應(yīng)電流GIC的變化頻率在0.0010.1Hz之間，相對于50Hz的工頻電流具有準(zhǔn)直流特性，為了簡化計(jì)算，在建立電網(wǎng)GIC模型只需要考慮電網(wǎng)元件的直流參數(shù)。磁暴發(fā)生時(shí)地面感應(yīng)電場相當(dāng)于一個(gè)電壓源加在不同變壓器中性點(diǎn)之間，依據(jù)GIC在輸電線路、中性點(diǎn)接地的變壓器和大地構(gòu)成的回路中流通，因此電網(wǎng)GIC模型應(yīng)該是由電阻元件和磁暴發(fā)生時(shí)感應(yīng)出的地面感應(yīng)

32、電場即等效電壓源構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，它主要需要考慮的是輸電線與變電站的等效。 （1）輸電線路的等效 因?yàn)橐话阊馗邏狠旊娋€架設(shè)的是不直接接地或通過桿塔接地的避雷線，其接地電阻遠(yuǎn)大于變電站的接地電阻，所以相對而言可以忽略避雷線對地面感應(yīng)電場的影響。文獻(xiàn)42通過數(shù)值計(jì)算分析了避雷線對于GIC計(jì)算的影響，結(jié)果證明了以上觀點(diǎn)。如果在100km范圍內(nèi)不考慮避雷線的影響會對GIC計(jì)算產(chǎn)生隨著線路長度的增加誤差不斷減小的不大于5%的誤差。實(shí)際中，高壓輸電線路的長度基本上都長于100km?；谝陨蟽牲c(diǎn)結(jié)論，在做輸電線路模型時(shí)可以忽略了避雷線的影響。在線路等效中，假設(shè)每一相中流過的GIC值都相等，這樣計(jì)算時(shí)可以只考慮單相

33、，使計(jì)算得到簡化。最后再累加三相的總和，計(jì)算出相對應(yīng)的的GIC值。因此，本文對輸電線路只作單相電阻等效。另外，在同一輸電走廊內(nèi)有雙回或多回線的情況下，此時(shí)節(jié)點(diǎn)之間的等效電阻為多回線路電阻的并聯(lián)，節(jié)點(diǎn)之間流通的GIC是各回線線路GIC累加和。 （2）變壓器的等效 GIC流入或流出電網(wǎng)的主要通路是接地的變壓器中性點(diǎn)，因此變壓器的等效對于模型的建立至關(guān)重要。在我國，一般的變壓器多采用星角連接，對于這種變壓器，影響GIC的參數(shù)只有高壓側(cè)繞組的直流電阻，因?yàn)樗母叩蛪簝蓚?cè)之間并無直流流通路徑?；谶@種觀點(diǎn)，對這種變壓器而言，可簡便的把它等效成一個(gè)電阻。本文討論的是黑龍江500kV電網(wǎng)GIC水平，500k

34、V及以上電壓等級的變電站多采用自耦變壓器。在建立GIC等效模型時(shí)，需要將其公共繞組與串聯(lián)繞組分開考慮。由圖3-4（a）所示的雙繞組自耦變壓器單相接線圖可見，自耦變壓器的高、低壓側(cè)之間存在公共繞組ax，因此，當(dāng)GIC流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)時(shí)，也會流入低壓系統(tǒng)部分。類似地，圖3-4（b）所示的是三繞組自耦變壓器單相接線圖，當(dāng)GIC流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)時(shí)，會同時(shí)進(jìn)入高壓與中壓側(cè)繞組。因此，自耦變壓器在GIC計(jì)算中的等效模型圖3-4（c）所示。圖3-4 自耦變壓器單相接線圖及GIC計(jì)算中其等效模型 （3）并聯(lián)電抗器的等效并聯(lián)電抗器一般安裝在超高壓輸電線路的末端，且其中性點(diǎn)主要通過小電抗器接地20。并聯(lián)電抗器的G

35、IC計(jì)算等效模型如圖3-5所示。其中左圖為并聯(lián)電抗器的三相等效模型，、分別表示A、B、C各相的GIC計(jì)算模型等效電阻，表示小電抗器的GIC計(jì)算模型等效電阻；右圖為并聯(lián)電抗器的單相等效模型。假設(shè)每一相中流過的GIC值都相等，左圖中流過小電抗器的GIC值是流過A、B、C三相的GIC值總和，即單相GIC值的3倍，因此在右圖的并聯(lián)電抗器單相模型等效中，小電抗器的等效電阻為3R0。圖3-5 GIC計(jì)算中并聯(lián)電抗器等效模型 （4）變電站的等效 圖3-6中，左圖所示的是將變壓器以及并聯(lián)電抗器分別等效并連接在一起形成的變電站等效模型，表示變電站的接地電阻（因?yàn)槠渲辛鬟^的GIC值為三相電流的3倍，所以單相模型等

36、效時(shí)，接地電阻為）；右圖是其簡化后的等效模型。在進(jìn)行GIC計(jì)算模型等效時(shí)，如果變電站中存在2臺或多臺變壓器并列運(yùn)行，則將它們作并聯(lián)等效。由于實(shí)際并聯(lián)電抗器的阻值遠(yuǎn)大于變壓器和接地電阻的阻值，因此，在GIC建模及計(jì)算過程中通常忽略并聯(lián)電抗器的阻值。圖3-6 GIC計(jì)算中變電站等效模型3.2.2 網(wǎng)絡(luò)常數(shù)a和b由于GIC具有準(zhǔn)直流特性，因此在電路中只需要考慮電阻的作用。在電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)已知的情況下，GIC的計(jì)算實(shí)質(zhì)上可視為電路問題。依據(jù)具體的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，按基爾霍夫定律(KCL、KVL)即可計(jì)算出各變電站的GIC值。根據(jù)公式（3-1）得到地磁暴發(fā)生時(shí)的地面感應(yīng)電場后，其對電網(wǎng)的作用相當(dāng)于施加在

37、不同節(jié)點(diǎn)之間的電壓源，大小為地面感應(yīng)電場沿線路的積分，即: （3-2）由于上述平面波法采用的是均勻大地電導(dǎo)率，所以計(jì)算出的地面感應(yīng)電場也是均勻的，即公式（3-2）的積分與路徑無關(guān)，可簡化為： （3-3）式（3-3）中，為線路ij兩端間的直線距離；為線路ij與正東方向的夾角。在500kV電網(wǎng)中，每個(gè)變電站變壓器中性點(diǎn)都直接接地，可設(shè)變電站數(shù)目為n，電網(wǎng)GIC計(jì)算的等效模型如圖3-7所示。圖3-7 節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)GIC計(jì)算等效模型在圖3-7中，表示任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)和之間的等效電阻；為地磁暴數(shù)據(jù)計(jì)算出的地表電勢ESP沿線路的積分，其對電網(wǎng)模型的作用等效為施加在不同接地點(diǎn)之間的電壓源；定義網(wǎng)絡(luò)接地阻抗矩陣，其元

38、素為各變電站接地支路的等效電阻，為一個(gè)對角陣，則各節(jié)點(diǎn)的入地電流與各節(jié)點(diǎn)的電壓之間的表達(dá)式為： （3-4） 定義的網(wǎng)絡(luò)支路導(dǎo)納矩陣，其元素由節(jié)點(diǎn)間的線路電阻R決定，具體表達(dá)式為：； （3-5）定義向量，其反映了理想接地條件(即)下，地面感應(yīng)電場在電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的GIC，元素按下式計(jì)算： （3-6） 在圖3-7所示的節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)GIC計(jì)算等效模型中，由節(jié)點(diǎn)電壓法可得到的表達(dá)式為： （3-7） 將式（3-4）代入式（3-7），可得到如下表達(dá)式為： （3-8） 將式（3-8）整理后，即得各變電站中流過的GIC值為： （3-9） 將式（3-3）代入式（3-6），得節(jié)點(diǎn)電源電流列陣Ji的表達(dá)式為： （3-1

39、0） 定義一個(gè)n×2矩陣，2×1矩陣，其中， （3-11） （3-12） 則式（3-10）可簡化為： （3-13） 代入式（3-9）中，可得： （3-14） 令，則各變電站的GIC值為： （3-15） 式（3-15）中，a和b即為網(wǎng)絡(luò)常數(shù)。由以上推導(dǎo)可知，其值由具體的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及地理位置而定。3.3黑龍江500kV電網(wǎng)GIC水平基于MATLAB已經(jīng)成為電力行業(yè)仿真、模擬不可或缺的工具軟件，以及其在矩陣計(jì)算和圖形處理方面無可比擬的能力，本文利用MATLAB軟件仿真計(jì)算黑龍江500kV電網(wǎng)GIC水平。通過本章前2節(jié)綜合分析可得，各變電站中流過的地磁感應(yīng)電流GIC水平計(jì)算流程如圖3

40、-8所示。圖3-8 電網(wǎng)GIC計(jì)算流程圖3.3.1 黑龍江電網(wǎng)等效模型 黑龍江500kV電網(wǎng)由東部、中部、西部三部分組成。截止到2011年末，黑龍江省500kV變電站可達(dá)十多個(gè)，超高壓電網(wǎng)已基本覆蓋全省，并且與外省電網(wǎng)以及地區(qū)網(wǎng)進(jìn)行了互聯(lián)，其具體的地理接線圖如附錄A所示。黑龍江省東部電網(wǎng)中的雙鴨山B廠、鶴崗B廠、七臺河等發(fā)電廠，通過500kV集賢、長興、群林和方正變電站與中部電網(wǎng)的500kV興福、永源變電站相連，并且500kV方正變電站經(jīng)過500kV林海變電站與吉林省電網(wǎng)中的500kV平安變電站相連；西部電網(wǎng)中的內(nèi)蒙古伊敏等發(fā)電廠，通過500kV馮屯變電站、大慶變電站與中部電網(wǎng)中的500kV松

41、北變電站相連；中部電網(wǎng)中500kV哈南變電站與吉林省電網(wǎng)中的500kV合心變電站相連，500kV永源變電站與吉林省電網(wǎng)的500kV包家變電站相連，500kV興福變電站與500kV黑河換流站相連。為了簡化電網(wǎng)模型，本文從以下方面做了等效： （1）復(fù)雜電網(wǎng)中一般節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，建立包含所有節(jié)點(diǎn)的電網(wǎng)GIC計(jì)算模型的工作量很大。文獻(xiàn)43表明：在計(jì)算電網(wǎng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的GIC時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中間隔兩個(gè)節(jié)點(diǎn)以上的部分可以忽略。根據(jù)這一結(jié)論,在建立電網(wǎng)GIC等效模型時(shí)可以將黑龍江電網(wǎng)從整個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)中分拆出來，然后從每個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)再向外延伸2個(gè)節(jié)點(diǎn)作為實(shí)際邊界進(jìn)行計(jì)算即可； （2）在實(shí)際電網(wǎng)中，為了能夠降低輸電系統(tǒng)的電抗，

42、縮短送受端之間的電氣距離，提高線路的輸電能力和輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，伊敏馮屯線路已經(jīng)裝有固定串補(bǔ)(FSC)，隔斷了GIC的流通路徑。所以本文電網(wǎng)GIC模型中不考慮馮屯以外的部分； （3）500kV電壓等級的變電站一般采用自耦變壓器，自耦變壓器500kV側(cè)與220kV側(cè)存在電的聯(lián)系，所以在評估500kV電網(wǎng)GIC水平時(shí)，應(yīng)考慮220kV系統(tǒng)的影響。但文獻(xiàn)44通過計(jì)算指出，220kV系統(tǒng)相對于500kV系統(tǒng)來說，等效電阻參數(shù)比較大，GIC會選擇等效電阻較小的路徑流通，從而使得220kV系統(tǒng)中GIC的分流較小。因此，在建模時(shí)也忽略了220kV系統(tǒng)的部分； （4）由3.2.1分析可知，每相中流過的GIC值

43、都相等，所以，黑龍江電網(wǎng)GIC水平評估中也只考慮單相；且由于實(shí)際并聯(lián)電抗器的阻值遠(yuǎn)大于變壓器和接地電阻的阻值，因此，在黑龍江電網(wǎng)的GIC建模及計(jì)算過程中忽略并聯(lián)電抗器的阻值。 簡化后的黑龍江500kV電網(wǎng)包括15個(gè)節(jié)點(diǎn)。以4號興福變電站為中心原點(diǎn)，設(shè)地球直徑為6371km，1經(jīng)度=107.2743km，1緯度=111.1949km，則根據(jù)各變電站與興福變電站的經(jīng)度差及緯度差，即可以計(jì)算出各變電站的等效經(jīng)度及等效緯度，2011年末黑龍江省500kV電網(wǎng)布局如圖3-9所示。圖3-9 2011年末黑龍江500kV電網(wǎng)布局 依據(jù)3.2.1介紹的電網(wǎng)元件等效方法建立模型，并計(jì)算相關(guān)節(jié)點(diǎn)以及輸電線路的等效

44、參數(shù)，具體如表3-1和表3-2所示。表3-1 黑龍江500kV電網(wǎng)GIC模型的節(jié)點(diǎn)等效參數(shù)節(jié)點(diǎn)編號變電站名稱等效經(jīng)度等效緯度等效電阻（）1馮屯-268.1857560.04521.52大慶-183.439-3.33581.23松北-71.8737-131.20991.64興福001.65哈南-13.9456-170.12811.2續(xù)表3-1 黑龍江500kV電網(wǎng)GIC模型的節(jié)點(diǎn)等效參數(shù)節(jié)點(diǎn)編號變電站名稱等效經(jīng)度等效緯度等效電阻（）6永源32.1822-138.99361.47黑河-86.8921349.15191.88群林256.3855120.09041.29方正195.2392-30.02

45、261.510林海305.7317-239.0691.611鶴崗B廠220.985184.58351.712集賢371.169159.00871.613雙B廠389.4057171.24011.314長興310.022733.35841.615七臺河334.69587.78361.2表3-2 黑龍江500kV電網(wǎng)GIC模型的線路等效參數(shù)線路編號起點(diǎn)終點(diǎn)長度（km）回路數(shù)等效電阻（）0102馮屯大慶104.130.650203大慶松北149.530.930304松北興福103.811.940305松北哈南64.820.610406興福永源11112.080407興福黑河410.717.68040

46、8興福群林263.913.290506哈南永源56.820.530609永源方正181.221.690809群林方正121.621.140811群林鶴崗B廠64.612.340812群林集賢166.913.120910方正林海18412.220914方正長興133.121.24續(xù)表3-2 黑龍江500kV電網(wǎng)GIC模型的線路等效參數(shù)線路編號起點(diǎn)終點(diǎn)長度（km）回路數(shù)等效電阻（）1213集賢雙B廠11.910.221214集賢長興107.512.011415長興七臺河48.120.453.3.2 黑龍江500kV電網(wǎng)GIC水平根據(jù)黑龍江2011年末500kV電網(wǎng)地理位置及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，利用3.2.2

47、中的公式求出的網(wǎng)絡(luò)常數(shù)a和b如表3-3所示。表3-3 各變電站對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)常數(shù)a和b的值節(jié)點(diǎn)編號變電站名稱網(wǎng)絡(luò)常數(shù)a值網(wǎng)絡(luò)常數(shù)b值1馮屯42.020-58.2492大慶22.469-33.7413松北-25.585-9.0474興福16.102-12.9565哈南-29.8655.3226永源-10.2720.0107黑河39.548-11.3538群林52.65334.3969方正1.1245-2.27210林海-35.73843.67811鶴崗B廠31.6031.45412集賢27.53724.07413雙B廠37.03337.33914長興6.750715.68215七臺河-8.95373

48、0.160 利用3.1.2計(jì)算出的地面感應(yīng)電場、，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)常數(shù)a值和b值，即可計(jì)算出黑龍江500kV電網(wǎng)各變電站中流過的GIC值。以群林變電站、松北變電站、興福變電站和方正變電站為例，其GIC隨時(shí)間變化的曲線如圖3-10所示（其余變電站GIC曲線見附錄B）。a） 群林變電站GIC值b） 松北變電站GIC值c） 興福變電站GIC值d）方正變電站GIC值圖3-10 群林變電站、松北變電站、興福變電站和方正變電站的GIC值 由圖3-10可以看出，GIC隨時(shí)間的變化而變化，而電網(wǎng)中關(guān)注的往往是其流過變壓器的峰值的大小。因此，將各變電站變壓器中性點(diǎn)流過的GIC的絕對值的最大值統(tǒng)計(jì)如表3-4所示。表3-4

49、 黑龍江500kV電網(wǎng)各變電站中流過的GIC的絕對值的最大值節(jié)點(diǎn)編號變電站名稱GIC絕對值的最大值（A)1馮屯19.8212大慶10.1753松北25.0144興福9.12265哈南23.4516永源8.72427黑河29.4968群林57.1899方正0.69310林海17.81411鶴崗B廠27.38012集賢32.11113雙B廠44.98114長興11.41215七臺河10.849 從圖3-10和表3-4的計(jì)算結(jié)果可看出，GIC值最大的節(jié)點(diǎn)為群林變電站，其峰值超過了57A/相，這意味著發(fā)生強(qiáng)磁暴時(shí)群林變電站變壓器中性點(diǎn)將流過超過170A的直流。在電網(wǎng)的末端節(jié)點(diǎn)，如黑河換流站、雙鴨山B廠

50、、鶴崗B廠等，這些節(jié)點(diǎn)的GIC數(shù)值也都較大，呈現(xiàn)明顯的拐角效應(yīng)。對于不影響變壓器正常工作的中性點(diǎn)直流電流控制指標(biāo)，中國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 6051996高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定：通過變壓器繞組中的直流電流應(yīng)不大于額定電流的0.7%。參考黑龍江電網(wǎng)所使用的變壓器參數(shù)，經(jīng)過理論分析表明，黑龍江電網(wǎng)通過變壓器中性點(diǎn)的直流量不應(yīng)該超過8A。而從計(jì)算結(jié)果來看，即使地磁暴Kp指數(shù)為7，大部分變電站中流過的GIC都已經(jīng)大大超過了這個(gè)安全限值。通過以上分析可知，若發(fā)生中強(qiáng)地磁暴，GIC必然會對黑龍江電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成很大的威脅，因此必須引起足夠的重視，研究電網(wǎng)GIC的優(yōu)化治理也具有廣泛的實(shí)際意義和工程

51、意義。3.4本章小結(jié)黑龍江電網(wǎng)是我國緯度最高的省級大電網(wǎng),最容易受到地磁暴的威脅。因此本章針對黑龍江省2011年末500kV規(guī)劃電網(wǎng)，在研究分析地磁暴數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了電網(wǎng)GIC計(jì)算的等效模型，并推導(dǎo)了計(jì)算公式；描述了電網(wǎng)GIC的計(jì)算流程，利用平面波法和網(wǎng)絡(luò)常數(shù)，對中等強(qiáng)度地磁暴作用下黑龍江省500kV各個(gè)變電站的GIC水平進(jìn)行了評估并作出了分析。結(jié)果表明GIC對黑龍江電網(wǎng)的影響是必然存在的，并且對某幾個(gè)變電站的影響很大，會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。-27 - 第4章 黑龍江500kV電網(wǎng)GIC優(yōu)化治理第4章 黑龍江500kV電網(wǎng)GIC優(yōu)化治理4.1常用治理措施分析地磁感應(yīng)電流GIC主要通

52、過變壓器的中性點(diǎn)流入交流系統(tǒng)。在我國，110kV及以上的系統(tǒng)中性點(diǎn)才直接接地，60kV及以下的系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，因而治理主要從110kV及以上系統(tǒng)的變壓器入手。為了抑制GIC對電力系統(tǒng)的不利影響，目前常用的治理措施主要有3種：a）補(bǔ)償措施：在變壓器中性點(diǎn)串接一個(gè)直流電壓源，通過控制其輸出直流電流的大小和方向，抵消原有的地磁感應(yīng)電流，達(dá)到治理目的；b）削弱措施：將非線性或線性電阻設(shè)備串入到變壓器中性點(diǎn)與大地構(gòu)成的回路中，根據(jù)偏磁電流的大小，調(diào)整電阻阻值大小，使變壓器中性點(diǎn)流過的直流電流符合要求；c）隔離措施：利用電容器“隔直通交”的特性，在變壓器中性點(diǎn)或交流輸電線上串聯(lián)電容，隔斷GIC的流通路徑

53、。 除了以上提到的幾種措施，還有一種治理措施就是在變壓器內(nèi)部安裝補(bǔ)償繞組。這是一種自激補(bǔ)償法，通過在變壓器每一相鐵心位置放置一個(gè)開式三角補(bǔ)償繞組（要求每相補(bǔ)償繞組的匝數(shù)為變壓器每相匝數(shù)的1/3），在實(shí)際運(yùn)行中，此補(bǔ)償繞組中產(chǎn)生的磁動勢能夠抵消掉變壓器繞組中產(chǎn)生的大部分磁動勢，根據(jù)這樣的原理，削弱地磁感應(yīng)電流GIC對變壓器的影響。但是這種方法涉及到變壓器的制造過程，以及需要與制造廠商進(jìn)行協(xié)商等大量的人力物力投入，因此在變壓器內(nèi)部安裝補(bǔ)償繞組這種措施目前還沒有得到廣泛的應(yīng)用，所以在本章中不作討論。4.1.1電網(wǎng)GIC治理理論分析 由3.2.1分析可知，對于地磁感應(yīng)電流GIC的計(jì)算而言，任何一個(gè)復(fù)雜的實(shí)際電網(wǎng)，都可以等效為只包含電阻和電壓源的電路，再應(yīng)用歐姆定律和基爾霍夫定律（KCL、KVL），即可以求解出各線路和各變電站中流過的GIC值。為了清楚直觀的分析GIC常用治理措施，本章以5個(gè)變電站依次相連構(gòu)成的小電網(wǎng)為例，其