2021 年10 月11 日地磁暴對兩座變電站GIC 的影響*

高賀 張倩然 劉連光 王鵬 姜楠 周立超

1(國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院 呼和浩特 010020)

2(華北電力大學電氣與電子工程學院 北京 102206)

0 引言

地磁感應電流（Geomagnetically Induced Current，GIC）是地磁擾動（GMD）效應，屬災害空間天氣地面效應范疇。GIC 侵害電網中的發電廠或變電站變壓器，次生的無功擾動和溫升誘發了加拿大魁北克和瑞典馬爾默電網大停電[1,2]，以及北美和南非電網大量變壓器損毀事故[3,4]。Liu等[5,6]對GMD侵害中國電網和高鐵軌道電路系統的GIC 實測數據進行過分析，Yu等[7]對輸油管道的GIC 和管地電位實測數據進行過分析。與高鐵的GIC 量值和GIC 對管道腐蝕影響相比[6,7]，GIC 對電網的影響及危害更大[8]。

1974 年Albertson等[9]揭示了電網GIC 的產生機理和物理過程。1989 年魁北克大停電事故后相關研究不斷深入。2000 年Pirjola[10]提出研究電網GIC需要采取兩個相對獨立的步驟，一是地球物理學步驟，確定驅動電網GIC 的感應地電場；二是電氣工程學步驟，建立電網模型并求解GIC。大量研究證明電網GIC 與GMD 強度[10]、大地電性及其構造[11]以及電網條件[12]有關。在2000 年以前，中低緯電網GIC問題相關研究很少，電網GIC 被認為只是高磁緯地區電網存在的問題。

華北電力大學在曾研究獲取過地磁暴侵害廣東嶺澳核電站[5]及江蘇上河[13]等廠站變壓器的GIC 實測數據。但是由于其監測裝置旨在開展科學實驗[14]，采用低壓霍爾傳感器在變壓器中性點采集GIC，使得該監測方法無法滿足中性點設備耐受高電壓的要求，因此監測裝置的使用受到限制。此外，中國電網沒有長期在線監測GIC 的裝置，因此未獲得過同次地磁暴侵害不同電網變壓器的GIC 實測數據。

本文研發了一種基于超特高壓導線等電位方法監測GIC 的裝置。該裝置于2021 年9 月26 日在500 kV 阿拉坦變電站（48.7°N，116.8°E）完成安裝，2021 年9 月29 日投入運行。裝置運行后獲得了2021年9 月28 日和2021 年10 月9 日等CME 事件地磁暴的GIC 秒鐘數據。分析2021 年10 月11 日地磁暴期間阿拉坦變電站和江蘇上河站（33.4°N，119.2°E）監測的變壓器GIC 數據，以兩站的實測GIC 數據為基礎，研究其GIC 影響因素。

1 觀測數據同化與分析

1.1 觀測數據同化

GIC 誘發大停電可在十幾秒內發生[1]，為利用監測的數據直接計算GIC 次生的無功擾動[15]，研發的監測裝置時間采樣頻率設為1 s。裝置安裝在阿拉坦站1#主變500 kV 側B 相二分裂導線的分支導線上，即二倍測量值為變壓器的每相GIC。220 kV 線路的GIC 不會向500 kV 電網傳輸[16]，不計220 kV 線路對自耦變公共繞組GIC 的貢獻，6 倍的測量值即為變壓器中性點的GIC。

上河站裝置是為測量直流輸電接地極入地電流偏磁設計的裝置，其安裝在變壓器的中性點，監測系統后臺數據的時間采樣率為2 min。由于兩站監測裝置的安裝位置不同，對阿拉坦站監測數據采用均值法換算到中性點然后進行2 min 同化處理，將滿洲里地磁臺站（49.4°N,117.3°E）和武漢九峰地磁臺站（30.5°N,114.5°E）的GMD 數據進行2 min 同化處理。

1.2 阿拉坦站GIC 分析

GIC 決定地磁暴GMD 水平分量（H）的變化率。取測量得到的阿拉坦站主變中性點GIC，滿洲里臺站H分量的變化率dH/dt隨時間（世界時）的變化曲線如圖1 所示。圖1（a）為阿拉坦站變壓器中性點GIC 在2 min 采樣率下的變化曲線，其最大值為4.86 A，最大值對應時刻為2021 年10 月12 日01:46 UT。圖1（b）給出了滿洲里地磁臺GMD 水平分量2 min采樣率的變化率曲線。

圖1 中兩組數據的斯皮爾曼相關系數ρ=0.91，屬于極高度相關，證明測到的電流數據是由GMD 產生的GIC。此外，該次地磁暴Kp指數為6，是對電網影響較小的地磁暴，獲得的數據更能夠證明監測裝置有效，可測量小磁暴GIC。

1.3 上河站GIC 分析

將武漢九峰地磁臺站GMD的H分量1 s 采樣率數據等值為2 min 采樣率數據，并求變化率dH/dt，其與500 kV 上河站變壓器中性點實測GIC 的變化曲線如圖2 所示。圖2（a）為上河站GIC 的2 min 采樣率的數據變化曲線，GIC 最大值為6.64 A，最大值出現時間與阿拉坦站相同。圖2（b）給出了九峰地磁臺GMD 水平分量2 min 采樣數據時間變化率dH/dt的變化曲線。兩組數據相關系數ρ=0.89。

1.4 地磁暴GMD 分析

圖2 與圖1 中數據比較結果表明，雖然兩圖中的兩組數據均為極高度相關，但是阿拉坦和上河變電站GIC 最大值的差別很大，這可能與阿拉坦和上河變電站大地電性構造、電網條件以及滿洲里、九峰地磁臺（站）GMD 強度因素有關。滿洲里和九峰地磁臺站H分量數據的時間變化曲線如圖3 所示。

圖1 阿拉坦站GIC 和滿洲里臺站dH/dt 數據隨時間的變化Fig.1 Time evolution of GIC and dH/ dt data at Alatan station and Manchurian station

由圖3 可見，滿洲里與九峰地磁臺站GMD的H分量強度存在量值上的不同，但是兩站GMD 的變化特征及規律一致，并且可以明顯看出，圖1（a）阿拉坦站和圖2（a）上河站的GIC 最大量值，對應于2021 年10 月12 日01:00-03:00 時段H分量變化率dH/dt的最大值。圖3 中九峰站GMD 高于滿洲里站的原因還需深入研究。

圖2 上河站GIC 與九峰地磁臺數據比較Fig.2 Comparison of GIC between Shanghe station and Jiufeng geomagnetic station

圖3 九峰和滿洲里地磁臺站GMD 數據比較Fig.3 Comparison of GMD data between Jiufeng and Manzhouli geomagnetic stations

2 大地電性及構造對GIC 的影響

高土壤電阻率地區電網的GIC 相對較大。火成巖地質構造、地震斷裂帶以及大地電性構造突變處的GMD 地電場大[17]，電網GIC 相對較大。阿拉坦站位于內蒙古扎魯特旗境內，這里根據吉林大學地球探測科學與技術學院提供的大地電磁測深數據，計算地磁暴GMD 的地電場和阿拉坦站及近區廠站的GIC。其中，與阿拉坦站較近的扎魯特-昌圖大地電磁剖面數據如圖4 所示，阿拉坦站在扎魯特-舍伯吐剖面范圍內。由圖4 中扎魯特-舍伯吐段的大地電阻率數據可見，其最大電阻率不超過2000 Ω·m，淺層電阻率只有幾十Ω·m，沒有明顯的斷層和斷裂帶。

上河站位于江蘇省淮安市境內，未檢索到上河站近區有類似于圖4 的深層電磁測深數據。但是大量的文獻研究表明，江蘇蘇北和淮安地區屬于沖擊平原地質構造，大地電阻率量值相對較小；此外未見江蘇有火成巖地質構造或地震斷裂帶的文獻報道。根據文獻[18]中江蘇各地區地下礦物巖石類型，查取各種類型巖石的電阻率，可以得到江蘇各地區的電阻率數據（見表1）。由表1 可知，其電阻率數據與圖4 中數據相似。

圖4 扎魯特-昌圖大地電磁剖面數據Fig.4 Geomagnetic profile data of Zarut-Changtu

表1 江蘇各地區巖石電性特征Table 1 Rock electrical characteristics in Jiangsu province

在GMD 強度、大地電性及其構造、電網結構與設備參數三方面影響因素中，GMD 強度作為驅動源除外，大地電性及構造、電網結構與設備參數兩方面因素中，哪種對變壓器GIC 的貢獻大，以及大地深層電阻率和淺層電阻率哪個對GIC 的貢獻大，是目前廣泛關注的問題。由于地磁暴GMD 的重現率極低，大地深層電磁測深和電網GIC 的實測數據少，大量研究獲得的GMD 地電場理論計算結果尚無法證實。

直流輸電在以單極大地方式運行時，接地極入地電流的地電位差產生與GIC 效應相同的偏磁電流[19]。在工程上，該問題的研究方法與GIC 相同，即建立大地模型和電網模型，計算地電位差和偏磁電流，指導偏磁治理工程開展實測工作[20]。扎魯特、青州和酒泉等接地極偏磁治理工程的實測數據證明：大地電性及其構造對地電位有影響，例如阿爾金地震斷裂帶對酒泉農豐村接地極的近區地電位影響很大；在沒有地震斷裂帶的影響因素時，淺層電阻率的貢獻大。

3 電網結構與設備參數對GIC 的影響

標準化變電站的設計參數列于表2。依據國際GIC 標準[21]以及電網GIC 機理和流通路徑，在復雜的蒙東和江蘇省電網中提取阿拉坦和上河變電站相關輸電線路，根據兩站電網結構與設備參數，研究其對GIC 的影響。

表2 500 kV 和220 kV 變電站電阻參數Table 2 Resistance parameters of 500 kV and 220 kV substations

3.1 阿拉坦站的GIC 影響

阿拉坦站及相關電網的GIC 電路模型如圖5 所示，500 kV 和220 kV 變電站采用標準化設計，阿拉坦站變壓器繞組電阻和變電站接地電阻列于表2，相關電網輸電線路參數列于表3。

圖5 阿拉坦站GIC 計算模型Fig.5 GIC calculation model of Alatan station

變電站的GIC 為相關線路GIC 的代數和，每條三相線路的每相線路GIC 自成回路。例如，在沿霍林河坑口-科爾沁500 kV 線路方向GMD 地電場作用下，霍林河坑口-鋁都線路及其兩端接地的變壓器與大地回路產生的GIC，在鋁都站流入大地，在霍林河坑口站流出大地；其他段輸電線路的GIC 同理。因此，鋁都站的GIC 為霍林河坑口-鋁都與鋁都-阿拉坦線路GIC 的代數和；同理，阿拉坦站GIC 為鋁都-阿拉坦與阿拉坦-科爾沁線路GIC 的代數和。

220 kV 線路GIC 只對變壓器的公共繞組有貢獻，不向500 kV 高壓電網傳輸[16]。由表2 可見，500 kV 變壓器公共繞組直流電阻為0.097Ω，串聯繞組直流電阻為0.238Ω，公共繞組電阻是串聯繞組電阻的0.041%；由表3 可見，阿拉坦站GIC 相關的阿拉坦-科爾沁和鋁都-阿拉坦線路均采用6 mm×300 mm導線；220kV線路除阿拉坦-北沙線為2mm×300 mm 雙分裂導線外，其他線路均為400 mm2單導線，導線截面小，直流電阻大，GIC 量值??；昆都楞-阿拉坦和保安-阿拉坦線路與500 kV 線路垂直，線路的GIC 方向相反，對變壓器GIC 沒有貢獻。綜合這些因素的影響，圖1 中實測變壓器GIC 以及對阿拉坦站變壓器的影響主要來自于500 kV 線路。

表3 阿拉坦站GIC 模型輸電線路參數Table 3 GIC model transmission line parameters of Alatan station

3.2 江蘇上河站GIC 影響

上河站及相關電網電路模型如圖6 所示，其標準化變電站的設備參數和接地電阻與阿拉坦站設計相同（見表2），輸電線路的參數列于表4。

圖6 中500 kV 上河站曾是山西陽城-江蘇淮安輸電系統的終端站，陽淮輸電系統特點是線路長、導線截面大，2006 年12 月14-16 日在上河站測到過最大值為13 A 的GIC[13]。500 kV 任莊和雙泗站是在陽淮輸電系統建成后擴建的變電站；因此，圖2 中的GIC 來自于500 kV 任莊-上河與雙泗-上河線路GIC 的共同作用，從表4 中220 kV 線路的長度和導線截面可見，220 kV 線路GIC 可以忽略。

圖6 上河站GIC 計算模型Fig.6 GIC calculation model of Shanghe station

表4 上河站GIC 模型輸電線路參數Table 4 GIC model transmission line parameters of Shanghe station

4 討論與結論

（1）針對Kp指數為6 的中等強度地磁暴，研究了緯度上具有一定差距的變電站GIC。結果表明，地磁暴在緯度相對較低的上河變電站實測GIC 量值，比緯度相對較高的上河變電站GIC 大；上河變電站的GIC 量值相對較大，這是由于上河站500 kV 輸電線路導線截面大、導線電阻小造成的。研究結果表明，輸電線路電阻對電網GIC 的貢獻大。

（2）由于沒有獲得江蘇地區深層大地的電磁測深數據，采用統計江蘇地區礦物巖石類型及淺層電阻率的方法評價大地電性及其構造對GMD 地電場的影響不夠準確。但是GIC 相關研究和直流輸電工程實踐表明，在沒有大面積地震斷裂帶的地區，大地電性及其構造條件對變壓器GIC 的評估結果影響不大；在沒有地震斷裂帶的地區，可采用文獻[8]中1.6 V·km-1的地電場計算大電網GIC。

（3）變壓器鐵芯的GIC 溫升是損毀變壓器的原因。2017 年，北美電力可靠性委員會（NERC）頒布了變壓器GIC 溫升效應的評價標準。該標準建議[22]，根據變壓器的類型和GIC 量值、持續時間等條件，取2 min 和5 min 的GIC 量值評價變壓器溫升事故風險。但是GIC 次生的大量變壓器的無功擾動可能在十幾秒內引發電網大停電，阿拉坦站監測裝置采集的GIC 秒數據可用于評估電網安全穩定的風險。

（4）中國能源資源和地區經濟發展不均衡，需要將中西部能源轉化為電力供給東部沿海。為實現遠距離傳輸電力，近年來遠距離大功率輸電系統建設，采用630 mm2四分裂和500 mm2八分裂及以上導線，采用單相四柱式和單相五柱式的變壓器。變壓器服役期不同造成的差異影響，以及超強地磁暴侵害下的事故風險等是有待研究和解決的問題。

（5）電網GIC 問題復雜，在GIC 量值上，電網條件是最主要的貢獻。圖3 結果表明，在中國大陸范圍內研究電網GIC，不同緯度GMD 強度的差別不起主要作用，但圖3 中1～3 時段地磁暴GMDH分量出場時間持續下降，造成較大的dH/dt變化，其產生原因有待進一步深入研究。

致謝本文使用的滿洲里和九峰地磁臺站GMD 數據由子午工程數據中心（https://data.meridianproject.ac.cn）提供,扎魯特-昌圖大地電磁剖面數據由吉林大學地球探測科學與技術學院提供，江蘇上河站GIC 數據由國網江蘇省電科院提供。