CN106159927A - 一种消除磁暴对电网影响的方法 - Google Patents

Abstract

一种消除磁暴对电网影响的方法，本发明涉及电网安全运行和降低电网损耗，特别是消除磁暴对电网影响的方法。太阳活动引起的地磁场剧烈变化称为地磁暴或磁暴。一方面对变压器本身造成如温升、振动、噪声增加等诸多不利影响，另一方面产生的大量谐波可能引起系统电压跌落、无功波动、继电保护误动等可能影响整个电网安全运行的事故。在电网的中性点加装一个非线性电阻(避雷器)来断开地磁感应电流保护变压器安全，同时降低变压器损耗。同时在电网发生故障的时候不影响接地短路电流。

Description

一种消除磁暴对电网影响的方法

技术领域

本发明涉及电网安全运行和降低电网损耗，特别是消除磁暴对电网影响的方法。

背景技术

太阳活动引起的地磁场剧烈变化称为地磁暴或磁暴。磁暴直接或间接地损伤电网、通信和卫星等高技术系统的装置或设备，引发这些高技术系统的严重事故。太阳活动引起的地磁场剧烈变化称为磁暴。时变磁场在地面感应出的电场通过输电线、中性点接地变压器和大地构成的回路产生地磁感应电流(geomagnetically induced current，GIC)。GIC的频率成分一般为0.000 1~0.01 Hz，这种准直流流入变压器后在磁路中产生偏置磁通，由于铁芯材料的非线性，该磁通使得变压器铁芯产生半波饱和，此时变压器的励磁电流急剧增大，且波形严重畸变，一方面对变压器本身造成如温升、振动、噪声增加等诸多不利影响，另一方面产生的大量谐波可能引起系统电压跌落、无功波动、继电保护误动等可能影响整个电网安全运行的事故[1]。磁纬较高的地区(如北美、北欧等)，地磁场变化较剧烈，这些地区的电网曾多次因GIC而引发跳闸事故，甚至曾导致过加拿大魁北克电网的大规模停电[2]。虽然我国大部分地区位于中低磁纬，但近年来，随着长距离输电系统的发展建设，我国江苏、广东等地的电网也发生了一些磁暴侵袭事件。第22 太阳活动周中， 1989 年3 月13日大磁暴，造成了加拿大魁北克大面积的停电， 60 多条输电线路( 变压器) 保护跳闸;第23 太阳活动周中，2003 年10 月30 日大磁暴，造成了瑞典马尔默的大停电，美国、南非等20 余台大型变压器永久损坏，以及我国江苏、广东等地电网变压器的严重振动及强烈噪声等。

我国地处纬度( 磁纬) 比北欧北美低，在相同磁暴、电网结构和大地构造条件下，电网致灾的可能性低于北欧北美，但我国当前和规划电网规模巨大，特高压交直流输电示范工程的正式投运，使得国家电网迈入世界上电压等级最高、规模最大李威，等灾害磁暴影响电网安全运行的途径及其综合防御方案探讨的交直流混联电网运行阶段。大磁暴对未来电网的影响和损害以及相应的防范措施亟待研究。

本文以1989 年强磁暴影响加拿大电网为实例，总结和分析了灾害磁暴影响电网的途径和故障类型，指出目前电网对灾害磁暴防御措施的不足，结合我国电网安全稳定防御系统研究现状，提出进一步拓展极端外部自然灾害停电防御系统以应对极端灾害磁暴可能对电网安全运行造成的影响。

1 灾害磁暴影响电网的途径和故障类型

1． 1 影响途径

在地球磁场发生波动时，时变磁场将在地面感应出电场，并通过输电线、中性点接地变压器和大地构成的回路，形成地面感应电势( ESP) ，产生地磁感应电流( GIC) 。GIC 变化周期约为6 min，故称GIC 为准直流电流，这种准直流流入变压器后在磁路中产生偏置磁通，由于铁心材料的非线性，该磁通使得变压器铁心产生半波饱和，此时变压器的励磁电流急剧增大，且波形严重畸变，一方面对变压器本身造成如温升、振动、噪声增加等诸多不利影响，另一方面产生的大量谐波可能引起系统电压跌落、无功波动、继电保护误动等可能影响整个电网安全运行的事故。基于GIC的准直流特性和电网直流参数的特点，在计算GIC时做如下假设：1）只考虑直流通路和直流参数(电阻)。 2）每相中流过的GIC相等，计算时只考虑一相。 3）高电压电网电阻小，是GIC的主要通路，忽略较低电压等级电网的作用。4）所有变压器绕组的电阻都取为0.3 Ω；所有并联高抗的电阻都取为2.5 Ω；所有变电站的接地电阻都取为0.3 Ω(折算成单相参数时要乘以3，即0.9 Ω)。5）线路按8分裂考虑，电阻取为9.5 m Ω/km。

在1989 年强磁暴事件中，强磁暴首先影响加拿大魁北克水电站拉格兰德分站的变压器，使其输出大量奇、偶次谐波，从而使拉格兰德电网中7台静止无功补偿器( 735 kV)过载，并在不到1min 的时间内，因保护动作而全部退出运行。8 s后，由于失去了无功补偿器对电压的调整作用，拉格兰德水电厂的低周减载保护动作，使1 回735kV 线路跳开。经过不到1 s 的系统扰动，电网中仅剩的4 回735 kV 线路也相继跳开而退出运行，至此拉格兰德电网丧失全部9 500 MW 发电容量。由于该电网的装机容量占魁北克系统总容量的44%，因此导致魁北克系统中其他电网的电压和频率相继持续降低。在拉格兰德电网退出运行6s 后，魁北克系统功率出现波动，导致绰赤尔佛尔水电厂2 000 MW 的发电功率退出运行，使东北部电网与魁北克系统解列，又过了18 s，整个魁北克系统崩溃，9h 后仍有17%的负载未能供电。该事故波及了近600 万人，造成了巨大的社会影响和经济损失。

1． 2 故障类型

灾害磁暴下的GIC 直接损伤变压器和电抗器等设备，并使得变压器和并联电抗器成为谐波源，产生次生灾害干扰或损伤电力系统保护、自动化装置，最终导致灾害扩大。

( 1) 直接损伤

GIC 在变压器产生的磁通使磁路饱和，引起励磁电流显著增大，从而使变压器的高次谐波电流及无功损耗急剧增加。在超、特高压系统中，为了抑制系统轻载运行时输电线路过剩的充电无功功率，避免输电线路电压过高，变电站通常装有并联电抗器，其主电抗多采用Y0 接线方式的铁心式电抗器。主电抗的铁心在GIC 作用下可能产生直流偏磁，其作用机制与变压器直流偏磁相同，因此GIC 对并联电抗器的危害与变压器相同。在GIC 作用下会导致变压器出现以下严重

问题:

1) 振动和可听噪声极大增加。实测表明，直流偏磁下的变压器可听噪声为正常运行时的5倍。

2) 过热及损耗增大。由于变压器铁心磁路饱和，主磁通只能通过油箱、铁心紧固件流通，从而引起这些路径上的元件产生附加损耗，元件发热加剧。过热可极大地破坏绝缘材料，使变压器油起泡和燃烧。实测获得的强磁暴期间变压器铁心温度曾达到175℃。计算证明: 变压器中性线上流过80 A 的GIC 时，可能导致变压器局部温度高达400℃。

3) 吸收无功功率剧增。由于励磁电流近似滞后于变压器工作电压90°，因此励磁电流峰值的极大增加，使变压器从交流系统吸收的感性无功随之加大。实测表明: 正常运行时，1 台600MVA 的三相变压器吸收的无功功率不足1 Mvar，而在每相25 A 的GIC 作用下，吸收无功功率升至50 Mvar，为变压器额定容量的8． 3%。

( 2) 次生灾害

1) 对并联补偿电容器及静止无功补偿装置的影响。由于GIC 在电网产生大量偶次谐波电流，使系统中大量的并联补偿电容器组及静止无功补偿装置中的电容器产生谐波过流，迫使其退出运行，在某些运行方式下，可能使局部电网发生谐波放大，甚至产生谐振，引起并联电容器及静止无功补偿设备过载，可能烧毁这些设备。

2) 使继电保护装置误动作。由于变压器饱和产生的基波及谐波零序电流，可能使接地过流保护动作; 此外，由于变压器励磁电流增大从而增加了差动电流，其差动保护也可能误动。而在变压器事故时，因饱和产生的偶次谐波电流也可能使得继电保护拒动。

3) 对高压直流输电系统的影响。当高压直流输电( HVDC) 换流变压器铁心产生直流偏磁，导致换流站交流母线谐波电压含量异常增大，使换流变交直流两侧谐波电压、电流急剧增加，严重影响HVDC 系统的正常运行。当HVDC 系统对某次谐波存在谐振点，或呈现高阻抗时，磁暴产生的地面电势可能导致系统产生谐波放大或谐波谐振，严重时会引起直流工程闭锁。灾害磁暴属于大范围自然灾害，具有广域性和群发性的特点，随着电网的规模化和复杂化，灾害磁暴对电力系统的影响也逐渐加剧。通常情况下，灾害磁暴对电力系统设备的影响并不仅仅是单一发生，而更多的可能是会像1989 年3 月18日加拿大魁北克电网事故一样，除了变压器受磁暴影响产生振动、发热、噪声、吸收无功功率剧烈增多之外，谐波电流还可能导致并联补偿电容器和静止无功补偿装置退出运行，甚至还会使得继电保护装置误动等，引发大面积群发性故障，最终演变成电力系统综合灾难。

2 灾害磁暴引发电力系统故障的治理及防御

2． 1 治理现状

目前，针对灾害磁暴引发的电力系统综合灾难的治理，主要是从加强电网的GIC 监测能力和电网GIC 抑制两方面着手。电网GIC 监测系统采用分布式结构，由安装在发电厂、变电站的监测装置、监测中心计算机和网络系统等3 部分组成。监测装置的安装位置可根据长距离输电系统GIC 仿真结果确定，监测中心计算机可通过公共电话网络实现对多个监

测装置的管理。电网GIC 的抑制方法主要有3 种

( 1)变压器中性点直流电流补偿法，在变压器中性点施加与GIC 大小相等、方向相反的直流电流，这是一种有源补偿方法; ( 2) 变压器中性点串接电容法，该方法是在变压器中性点与地网之间串接一电容器，以切断GIC 的流动回路，属于隔离方法; ( 3) 串联补偿法，若输电线路装有串联补偿装置，则可有效阻止GIC 的流动。

非线性是指电阻在某些条件下，阻值会发生急剧的变化，比如电视机的消磁电阻，在电视机正常工作时，它的阻值是无穷大的，然而在电视机刚刚接通电源的一刹那，电视机的消磁电阻是很小的，这样电流就可通过消磁线圈对显像管消磁，消磁完毕后，消磁电阻又变的很大，保证了用电的安全可靠。所以不是非固定电阻就是非线性电阻。

避雷器在正常系统工作电压下，呈现高电阻状态，仅有微安级电流通过。在过电压大电流作用下它便呈现低电阻，从而限制了避雷器两端的残压。

1．管式避雷器，其基本工作原理是内间隙（又称灭弧间隙）置于产气材料制成的灭弧管内，外间隙将管子与电网隔开。雷电过电压使内外间隙放电，内间隙电弧高温使产气材料产生气体，管内气压迅速增加，高压气体从喷口喷出灭弧。管式避雷器具有较大的冲击通流能力，可用在雷电流幅值很大的地方。但管式避雷器放电电压较高且分散性大，动作时产生截波，保护性能较差。主要用于变电所、发电厂的进线保护和线路绝缘弱点的保护。

2．碳化硅避雷器，其基本工作原理是叠装于密封瓷套内的火花间隙和碳化硅阀片（电压等级高的避雷器产品具有多节瓷套）。火花间隙的主要作用是平时将阀片与带电导体隔离，在过电压时放电和切断电源供给的续流。碳化硅避雷器的火花间隙由许多间隙串联组成，放电分散性小，伏秒特性平坦，灭弧性能好。碳化硅阀片是以电工碳化硅为主体，与结合剂混合后，经压形、烧结而成的非线性电阻体，呈圆饼状。碳化硅阀片的主要作用是吸收过电压能量，利用其电阻的非线性（高电压大电流下电阻值大幅度下降）限制放电电流通过自身的压降（称残压）和限制续流幅值，与火花间隙协同作用熄灭续流电弧。碳化硅避雷器按结构不同，又分为普通阀式和磁吹阀式两类。后者利用磁场驱动电弧来提高灭弧性能，从而具有更好的保护性能。碳化硅避雷器保护性能好，广泛用于交、直流系统，保护发电、变电设备的绝缘。

3．金属氧化物避雷器，其基本工作原理是密封在瓷套内的氧化锌阀片。氧化锌阀片是以ZnO为基体,添加少量的;Bi2O3、MnO2、Sb2O3、Co3O3、Cr2O3等制成的非线性电阻体，具有比碳化硅好得多的非线性伏安特性，在持续工作电压下仅流过微安级的泄漏电流，动作后无续流。因此金属氧化锌避雷器不需要火花间隙，从而使结构简化，并具有动作响应快、耐多重雷电过电压或操作过电压作用、能量吸收能力大、耐污秽性能好等优点。由于金属氧化锌避雷器保护性能优于碳化硅避雷器，已在逐步取代碳化硅避雷器，广泛用于交、直流系统，保护发电、变电设备的绝缘，尤其适合于中性点有效接地(见电力系统中性点接地方式)的110千伏及以上电网。

发明内容

将电网的中性点加装一个非线性电阻(避雷器)如图1所示。线路及变压器绕组1，中性点2，非线性电阻（避雷器）3，接地4。

线路及变压器绕组1连接中性点2，中性点2连接非线性电阻（避雷器）3，非线性电阻（避雷器）3连接接地4。

非线性电阻的导通电压设置在线路额定电压85%以下。可以阻断输电线路与大地构成的回路中产生地磁感应电流。在线路遭遇雷击产生的过电压时非线性电阻在高电压下导通将电流导入大地。在平时磁暴较小的时候可以隔绝较小的地磁感应电流提升大幅提高变压器和线路的运行效率。

工作原理

正常情况下地面感应电势( ESP)这个值相对线路额定电压比较小，在变压器中性点加装一个非线性电阻导通电压大于地面感应电势( ESP)，这时没有地磁感应电流( GIC)，消除了消除磁暴对电网影响。在线路接地短路时候，短路电压（接地短路电压为相电压）加在非线性电阻上立刻导通，非线性电阻的阻值接接近零，可以将短路电流导通至大地。在地磁场变化较小的时候杜绝地磁感应电流( GIC)，减少线路损耗，绕组损耗和铁心损耗提高电网效率。在地磁场变化剧烈的时候减少线路损耗，绕组损耗和铁心损耗提高电网效率同时保证电网的安全运行，避免停电和大面积停电，提高电网可靠性。

假设在地磁水平较弱的时候，变压器正常运行电流为100安，输电线路与大地构成的电流为2安。如果杜绝这个2安的电流，效率不考虑铁心发热可以提高3.9%，考虑铁心发热效率将会更高。非线性电阻其伏安特性与避雷器一样，只是导通电压不一样而已,这样的一个非线性电阻的导通在1伏特到10000伏特之间。

假设非线性电阻导通电压为5000伏特，在电压小于5000伏特时候电阻很大很大几乎没有电流通过( 有微安级电流)，当到达5000伏特级以上时候电阻迅速减小到很小的一个阻值。这样在5000伏特级以上时候，避雷器可以毫无影响的导通大电流。

在发生接地短路的时候，短路电压高于非线性电阻电压，这样短路电流可以没有阻碍的流过。

附图说明

图1是消除磁暴对电网影响的电气连接原理图 。

Claims (5)

1.一种消除磁暴对电网影响的方法其特征在于：电网的中性点加装一个非线性电阻(避雷器)。

2.一种消除磁暴对电网影响的方法其特征在于：电网的中性点加装一个非线性电阻(避雷器)，避雷器的导通电压小于线路额定电压的85%。

3.一种消除磁暴对电网影响的方法其特征在于：电网的中性点加装一个非线性电阻(避雷器),这样的一个非线性电阻（避雷器）的导通电压在1伏特到10000伏特。

4.一种消除磁暴对电网影响的方法其特征在于：非线性电阻导通电压大于地面感应电势( ESP)。

5.一种消除磁暴对电网影响的方法其特征在于：变压器绕组与非线性电阻的电气连接，非线性电阻与接地装置的电气连接。