2021 年10 月11 日地磁暴对两座变电站GIC 的影响*

高贺 张倩然 刘连光 王鹏 姜楠 周立超

1(国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院 呼和浩特 010020)

2(华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206)

0 引言

地磁感应电流（Geomagnetically Induced Current，GIC）是地磁扰动（GMD）效应，属灾害空间天气地面效应范畴。GIC 侵害电网中的发电厂或变电站变压器，次生的无功扰动和温升诱发了加拿大魁北克和瑞典马尔默电网大停电[1,2]，以及北美和南非电网大量变压器损毁事故[3,4]。Liu等[5,6]对GMD侵害中国电网和高铁轨道电路系统的GIC 实测数据进行过分析，Yu等[7]对输油管道的GIC 和管地电位实测数据进行过分析。与高铁的GIC 量值和GIC 对管道腐蚀影响相比[6,7]，GIC 对电网的影响及危害更大[8]。

1974 年Albertson等[9]揭示了电网GIC 的产生机理和物理过程。1989 年魁北克大停电事故后相关研究不断深入。2000 年Pirjola[10]提出研究电网GIC需要采取两个相对独立的步骤，一是地球物理学步骤，确定驱动电网GIC 的感应地电场；二是电气工程学步骤，建立电网模型并求解GIC。大量研究证明电网GIC 与GMD 强度[10]、大地电性及其构造[11]以及电网条件[12]有关。在2000 年以前，中低纬电网GIC问题相关研究很少，电网GIC 被认为只是高磁纬地区电网存在的问题。

华北电力大学在曾研究获取过地磁暴侵害广东岭澳核电站[5]及江苏上河[13]等厂站变压器的GIC 实测数据。但是由于其监测装置旨在开展科学实验[14]，采用低压霍尔传感器在变压器中性点采集GIC，使得该监测方法无法满足中性点设备耐受高电压的要求，因此监测装置的使用受到限制。此外，中国电网没有长期在线监测GIC 的装置，因此未获得过同次地磁暴侵害不同电网变压器的GIC 实测数据。

本文研发了一种基于超特高压导线等电位方法监测GIC 的装置。该装置于2021 年9 月26 日在500 kV 阿拉坦变电站（48.7°N，116.8°E）完成安装，2021 年9 月29 日投入运行。装置运行后获得了2021年9 月28 日和2021 年10 月9 日等CME 事件地磁暴的GIC 秒钟数据。分析2021 年10 月11 日地磁暴期间阿拉坦变电站和江苏上河站（33.4°N，119.2°E）监测的变压器GIC 数据，以两站的实测GIC 数据为基础，研究其GIC 影响因素。

1 观测数据同化与分析

1.1 观测数据同化

GIC 诱发大停电可在十几秒内发生[1]，为利用监测的数据直接计算GIC 次生的无功扰动[15]，研发的监测装置时间采样频率设为1 s。装置安装在阿拉坦站1#主变500 kV 侧B 相二分裂导线的分支导线上，即二倍测量值为变压器的每相GIC。220 kV 线路的GIC 不会向500 kV 电网传输[16]，不计220 kV 线路对自耦变公共绕组GIC 的贡献，6 倍的测量值即为变压器中性点的GIC。

上河站装置是为测量直流输电接地极入地电流偏磁设计的装置，其安装在变压器的中性点，监测系统后台数据的时间采样率为2 min。由于两站监测装置的安装位置不同，对阿拉坦站监测数据采用均值法换算到中性点然后进行2 min 同化处理，将满洲里地磁台站（49.4°N,117.3°E）和武汉九峰地磁台站（30.5°N,114.5°E）的GMD 数据进行2 min 同化处理。

1.2 阿拉坦站GIC 分析

GIC 决定地磁暴GMD 水平分量（H）的变化率。取测量得到的阿拉坦站主变中性点GIC，满洲里台站H分量的变化率dH/dt随时间（世界时）的变化曲线如图1 所示。图1（a）为阿拉坦站变压器中性点GIC 在2 min 采样率下的变化曲线，其最大值为4.86 A，最大值对应时刻为2021 年10 月12 日01:46 UT。图1（b）给出了满洲里地磁台GMD 水平分量2 min采样率的变化率曲线。

图1 中两组数据的斯皮尔曼相关系数ρ=0.91，属于极高度相关，证明测到的电流数据是由GMD 产生的GIC。此外，该次地磁暴Kp指数为6，是对电网影响较小的地磁暴，获得的数据更能够证明监测装置有效，可测量小磁暴GIC。

1.3 上河站GIC 分析

将武汉九峰地磁台站GMD的H分量1 s 采样率数据等值为2 min 采样率数据，并求变化率dH/dt，其与500 kV 上河站变压器中性点实测GIC 的变化曲线如图2 所示。图2（a）为上河站GIC 的2 min 采样率的数据变化曲线，GIC 最大值为6.64 A，最大值出现时间与阿拉坦站相同。图2（b）给出了九峰地磁台GMD 水平分量2 min 采样数据时间变化率dH/dt的变化曲线。两组数据相关系数ρ=0.89。

1.4 地磁暴GMD 分析

图2 与图1 中数据比较结果表明，虽然两图中的两组数据均为极高度相关，但是阿拉坦和上河变电站GIC 最大值的差别很大，这可能与阿拉坦和上河变电站大地电性构造、电网条件以及满洲里、九峰地磁台（站）GMD 强度因素有关。满洲里和九峰地磁台站H分量数据的时间变化曲线如图3 所示。

图1 阿拉坦站GIC 和满洲里台站dH/dt 数据随时间的变化Fig.1 Time evolution of GIC and dH/ dt data at Alatan station and Manchurian station

由图3 可见，满洲里与九峰地磁台站GMD的H分量强度存在量值上的不同，但是两站GMD 的变化特征及规律一致，并且可以明显看出，图1（a）阿拉坦站和图2（a）上河站的GIC 最大量值，对应于2021 年10 月12 日01:00-03:00 时段H分量变化率dH/dt的最大值。图3 中九峰站GMD 高于满洲里站的原因还需深入研究。

图2 上河站GIC 与九峰地磁台数据比较Fig.2 Comparison of GIC between Shanghe station and Jiufeng geomagnetic station

图3 九峰和满洲里地磁台站GMD 数据比较Fig.3 Comparison of GMD data between Jiufeng and Manzhouli geomagnetic stations

2 大地电性及构造对GIC 的影响

高土壤电阻率地区电网的GIC 相对较大。火成岩地质构造、地震断裂带以及大地电性构造突变处的GMD 地电场大[17]，电网GIC 相对较大。阿拉坦站位于内蒙古扎鲁特旗境内，这里根据吉林大学地球探测科学与技术学院提供的大地电磁测深数据，计算地磁暴GMD 的地电场和阿拉坦站及近区厂站的GIC。其中，与阿拉坦站较近的扎鲁特-昌图大地电磁剖面数据如图4 所示，阿拉坦站在扎鲁特-舍伯吐剖面范围内。由图4 中扎鲁特-舍伯吐段的大地电阻率数据可见，其最大电阻率不超过2000 Ω·m，浅层电阻率只有几十Ω·m，没有明显的断层和断裂带。

上河站位于江苏省淮安市境内，未检索到上河站近区有类似于图4 的深层电磁测深数据。但是大量的文献研究表明，江苏苏北和淮安地区属于冲击平原地质构造，大地电阻率量值相对较小；此外未见江苏有火成岩地质构造或地震断裂带的文献报道。根据文献[18]中江苏各地区地下矿物岩石类型，查取各种类型岩石的电阻率，可以得到江苏各地区的电阻率数据（见表1）。由表1 可知，其电阻率数据与图4 中数据相似。

图4 扎鲁特-昌图大地电磁剖面数据Fig.4 Geomagnetic profile data of Zarut-Changtu

表1 江苏各地区岩石电性特征Table 1 Rock electrical characteristics in Jiangsu province

在GMD 强度、大地电性及其构造、电网结构与设备参数三方面影响因素中，GMD 强度作为驱动源除外，大地电性及构造、电网结构与设备参数两方面因素中，哪种对变压器GIC 的贡献大，以及大地深层电阻率和浅层电阻率哪个对GIC 的贡献大，是目前广泛关注的问题。由于地磁暴GMD 的重现率极低，大地深层电磁测深和电网GIC 的实测数据少，大量研究获得的GMD 地电场理论计算结果尚无法证实。

直流输电在以单极大地方式运行时，接地极入地电流的地电位差产生与GIC 效应相同的偏磁电流[19]。在工程上，该问题的研究方法与GIC 相同，即建立大地模型和电网模型，计算地电位差和偏磁电流，指导偏磁治理工程开展实测工作[20]。扎鲁特、青州和酒泉等接地极偏磁治理工程的实测数据证明：大地电性及其构造对地电位有影响，例如阿尔金地震断裂带对酒泉农丰村接地极的近区地电位影响很大；在没有地震断裂带的影响因素时，浅层电阻率的贡献大。

3 电网结构与设备参数对GIC 的影响

标准化变电站的设计参数列于表2。依据国际GIC 标准[21]以及电网GIC 机理和流通路径，在复杂的蒙东和江苏省电网中提取阿拉坦和上河变电站相关输电线路，根据两站电网结构与设备参数，研究其对GIC 的影响。

表2 500 kV 和220 kV 变电站电阻参数Table 2 Resistance parameters of 500 kV and 220 kV substations

3.1 阿拉坦站的GIC 影响

阿拉坦站及相关电网的GIC 电路模型如图5 所示，500 kV 和220 kV 变电站采用标准化设计，阿拉坦站变压器绕组电阻和变电站接地电阻列于表2，相关电网输电线路参数列于表3。

图5 阿拉坦站GIC 计算模型Fig.5 GIC calculation model of Alatan station

变电站的GIC 为相关线路GIC 的代数和，每条三相线路的每相线路GIC 自成回路。例如，在沿霍林河坑口-科尔沁500 kV 线路方向GMD 地电场作用下，霍林河坑口-铝都线路及其两端接地的变压器与大地回路产生的GIC，在铝都站流入大地，在霍林河坑口站流出大地；其他段输电线路的GIC 同理。因此，铝都站的GIC 为霍林河坑口-铝都与铝都-阿拉坦线路GIC 的代数和；同理，阿拉坦站GIC 为铝都-阿拉坦与阿拉坦-科尔沁线路GIC 的代数和。

220 kV 线路GIC 只对变压器的公共绕组有贡献，不向500 kV 高压电网传输[16]。由表2 可见，500 kV 变压器公共绕组直流电阻为0.097Ω，串联绕组直流电阻为0.238Ω，公共绕组电阻是串联绕组电阻的0.041%；由表3 可见，阿拉坦站GIC 相关的阿拉坦-科尔沁和铝都-阿拉坦线路均采用6 mm×300 mm导线；220kV线路除阿拉坦-北沙线为2mm×300 mm 双分裂导线外，其他线路均为400 mm2单导线，导线截面小，直流电阻大，GIC 量值小；昆都楞-阿拉坦和保安-阿拉坦线路与500 kV 线路垂直，线路的GIC 方向相反，对变压器GIC 没有贡献。综合这些因素的影响，图1 中实测变压器GIC 以及对阿拉坦站变压器的影响主要来自于500 kV 线路。

表3 阿拉坦站GIC 模型输电线路参数Table 3 GIC model transmission line parameters of Alatan station

3.2 江苏上河站GIC 影响

上河站及相关电网电路模型如图6 所示，其标准化变电站的设备参数和接地电阻与阿拉坦站设计相同（见表2），输电线路的参数列于表4。

图6 中500 kV 上河站曾是山西阳城-江苏淮安输电系统的终端站，阳淮输电系统特点是线路长、导线截面大，2006 年12 月14-16 日在上河站测到过最大值为13 A 的GIC[13]。500 kV 任庄和双泗站是在阳淮输电系统建成后扩建的变电站；因此，图2 中的GIC 来自于500 kV 任庄-上河与双泗-上河线路GIC 的共同作用，从表4 中220 kV 线路的长度和导线截面可见，220 kV 线路GIC 可以忽略。

图6 上河站GIC 计算模型Fig.6 GIC calculation model of Shanghe station

表4 上河站GIC 模型输电线路参数Table 4 GIC model transmission line parameters of Shanghe station

4 讨论与结论

（1）针对Kp指数为6 的中等强度地磁暴，研究了纬度上具有一定差距的变电站GIC。结果表明，地磁暴在纬度相对较低的上河变电站实测GIC 量值，比纬度相对较高的上河变电站GIC 大；上河变电站的GIC 量值相对较大，这是由于上河站500 kV 输电线路导线截面大、导线电阻小造成的。研究结果表明，输电线路电阻对电网GIC 的贡献大。

（2）由于没有获得江苏地区深层大地的电磁测深数据，采用统计江苏地区矿物岩石类型及浅层电阻率的方法评价大地电性及其构造对GMD 地电场的影响不够准确。但是GIC 相关研究和直流输电工程实践表明，在没有大面积地震断裂带的地区，大地电性及其构造条件对变压器GIC 的评估结果影响不大；在没有地震断裂带的地区，可采用文献[8]中1.6 V·km-1的地电场计算大电网GIC。

（3）变压器铁芯的GIC 温升是损毁变压器的原因。2017 年，北美电力可靠性委员会（NERC）颁布了变压器GIC 温升效应的评价标准。该标准建议[22]，根据变压器的类型和GIC 量值、持续时间等条件，取2 min 和5 min 的GIC 量值评价变压器温升事故风险。但是GIC 次生的大量变压器的无功扰动可能在十几秒内引发电网大停电，阿拉坦站监测装置采集的GIC 秒数据可用于评估电网安全稳定的风险。

（4）中国能源资源和地区经济发展不均衡，需要将中西部能源转化为电力供给东部沿海。为实现远距离传输电力，近年来远距离大功率输电系统建设，采用630 mm2四分裂和500 mm2八分裂及以上导线，采用单相四柱式和单相五柱式的变压器。变压器服役期不同造成的差异影响，以及超强地磁暴侵害下的事故风险等是有待研究和解决的问题。

（5）电网GIC 问题复杂，在GIC 量值上，电网条件是最主要的贡献。图3 结果表明，在中国大陆范围内研究电网GIC，不同纬度GMD 强度的差别不起主要作用，但图3 中1～3 时段地磁暴GMDH分量出场时间持续下降，造成较大的dH/dt变化，其产生原因有待进一步深入研究。

致谢本文使用的满洲里和九峰地磁台站GMD 数据由子午工程数据中心（https://data.meridianproject.ac.cn）提供,扎鲁特-昌图大地电磁剖面数据由吉林大学地球探测科学与技术学院提供，江苏上河站GIC 数据由国网江苏省电科院提供。