磁暴對秦山核電主變的影響

王天宇

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

0 引言

太陽活動引發(fā)地磁分布場的激烈改變，稱之為磁暴（或者地磁暴）。地磁分布場的改變在交通地面自動感應出的分布電場，在輸電連接線路、中性點接地的變壓器與大地組成的循環(huán)回路里形成地磁自動感應工作電流（GIC）。高壓傳輸電網(wǎng)形成的地磁自動感應工作電流（GIC）的頻次是0.01～0.0001 Hz，造成的嚴重影響是變壓器鐵芯由于直流偏磁而半波充分飽和，直觀問題現(xiàn)象是變壓器的振動、噪聲加大與實際溫度增高。嚴重危害是鐵芯充分飽和形成的高次振蕩諧波、無功變化波動導致的安全保護設備誤動作。不管是輸電連接線路、還是變壓器的安全保護設備誤動作，都能引發(fā)整個高壓傳輸電網(wǎng)保護設備的連鎖運營反應，進而引起大范圍的高壓傳輸電網(wǎng)停電意外突發(fā)事故，導致巨額經(jīng)濟財產(chǎn)消耗與損失，以及直接嚴重影響社會。近年，伴隨著中國高壓傳輸電網(wǎng)規(guī)模的加大，江蘇省、浙江省、廣東省等高壓傳輸電網(wǎng)都產(chǎn)生了很多變壓器振動噪音異常的意外突發(fā)事件。

1 分析地磁感應電流對我廠主變的危害

GIC的重要影響和危害是促使變壓器鐵芯充分飽和而形成很多振蕩諧波，對高壓傳輸電網(wǎng)、變壓器、互感控制器設備、保護設備等創(chuàng)造巨大影響。高壓傳輸電網(wǎng)GIC的流通運轉(zhuǎn)途徑，具體如圖1所示。交通地面電勢可以看成是加在連接線路兩側(cè)變壓器接地點之間的工作電壓源。假定工作電路左側(cè)是電位高，右側(cè)是電位低，則GIC從左側(cè)變壓器中性點流入，經(jīng)過輸電線從右側(cè)變壓器中性點流回到大地。因為GIC為標準直流，所以流經(jīng)中性點的GIC是每一相輸電連接線路里的3倍。接地模式是影響GIC的重要影響因素，而我廠主變的中性點接地模式，選用了直接接地，其作用效果非常直接。

圖1 輸電線路GIC產(chǎn)生原理示意圖

除了高壓傳輸電網(wǎng)接地模式外，影響高壓傳輸電網(wǎng)GIC水平的影響因素還存在許多，但是變壓器充分飽和是導致有害影響的核心，而變壓器的充分飽和程度，包括抗直流偏磁水平和鐵芯組成結(jié)構相關。秦山核電站SFP7-400000/220主變壓器，是中國截至當前，220 kV級別里一臺有效容量最高的三相電力變壓器，由保定變壓器廠加工制造，變壓器應用全新五柱鐵芯。針對三相五柱鐵芯組成結(jié)構變壓器，GIC磁通的自動返回信號通道（2個邊柱）截斷面降低，在較低的偏磁工作電流下鐵芯就會充分飽和，所以，這類組成結(jié)構的變壓器抗GIC的水平非常弱（見如圖2）。

圖2 三相五柱式鐵心結(jié)構的GIC磁通通路

流進電力體系的地磁工作電流，對電氣機器設備將會形成不利的影響作用，而且在一定控制條件下可能導致意外突發(fā)事故。此外，磁暴還可能損害有線聯(lián)網(wǎng)與無線通信、載荷調(diào)節(jié)控制與遙測遠程遙控設備的任務工作。

在變壓器繞組里流動的地磁工作電流，使勵磁工作電流非常顯著加大，并且使鐵芯在工頻工作電流的每一半的周波里，都實現(xiàn)了充分飽和，進而使變壓器油里析出了很多氣體，促使變壓器繞組與構件設施局部過熱。大的偶次與奇次振蕩諧波工作電流，還將加大漏磁與附加能量損失。

振蕩諧波工作電流的振蕩幅值加大，可能會促使一些對振蕩諧波敏銳的繼電保護設備誤動作。加拿大一條東西方向走勢的500 kV連接線路，在地磁擾動時曾經(jīng)2次跳閘。而安裝設置濾波控制器設備，則可以規(guī)避地磁擾動引發(fā)的跳閘。

假如在超強磁暴時產(chǎn)生短路，而且二次振蕩諧波工作電流，促使繼電器設備制動操控而阻礙保護動作，則差動維護就可能會拒絕動作。

振蕩諧波振蕩幅值加大，將會促使變壓器噪聲增大，使發(fā)電機設備固定轉(zhuǎn)子過熱，使繼電保護誤動，并且使操作控制設備不可以正常運行。

變壓器鐵芯充分飽和使勵磁工作電流增大，引發(fā)磁通量形成相對應改變，進而使損耗的無功額定功率劇烈增長。

地磁工作電流的勵磁影響作用，還將會促使變壓器繞組與套管里的消耗充分增長。地磁工作電流流過的時候，導致磁場作用強度產(chǎn)生改變，這將會造成鐵芯與其他鋼構件設施的消耗增大。當鐵芯充分飽和時，鋼構件設施里的磁場作用強度可能加大到10~100。在鋼構件設施的表層，附加消耗的實際有效密度可以達到1.5～5 W/cm2。

地磁工作電流使鐵芯充分飽和的分布狀態(tài)連續(xù)時間愈長，變壓器產(chǎn)生問題故障與損害的危險性就愈大。我廠主升壓變壓器的繞組，按照△—Y模式鏈接的時候，能夠預防地磁工作電流流進發(fā)電機設備繞組，但是不可以預防變壓器的磁路形成充分飽和，從而，很多振蕩諧波工作電流與工頻負序工作電流可能流經(jīng)發(fā)電機設備繞組。負序工作電流流經(jīng)發(fā)電機設備繞組的作用后果是：固定轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生二次振蕩諧波工作電流，使固定轉(zhuǎn)子表面發(fā)熱，并且使固定轉(zhuǎn)子上的槽口受到電弧損害。

2 直流偏磁的危害

直流偏磁，是變壓器的一類非正常工作運行狀態(tài)，指的是在變壓器勵磁工作電流中產(chǎn)生了直流分量。直流偏磁的形成有很多種不同原因，地磁暴也是其中的一類。地磁暴會在高壓傳輸電網(wǎng)里形成地磁自動感應工作電流（GIC），GIC具備準直流特征，流進變壓器會引發(fā)直流偏磁，導致變壓器半波充分飽和，形成巨大的零序振蕩諧波工作電流。地磁暴對人力體系的影響作用現(xiàn)有150多年的數(shù)據(jù)記錄了，1989年3月產(chǎn)生的地磁暴引發(fā)的直流偏磁，促使那個時候加拿大電力體系里的變壓器鐵芯劇烈充分飽和，振蕩諧波大增，很多電容器設備退出運行工作，體系喪失載荷，在這期間有1臺變壓器鐵心過熱，油色譜研究分析異常不同。這次地磁暴造成了嚴重的停電意外突發(fā)事故，并且使美國加拿大等地區(qū)的通信體系、運行工作衛(wèi)星與電力體系一片混亂。

3 變壓器噪聲的理論分析

大規(guī)模電力變壓器在正常運行工作時都會發(fā)送比較多的噪聲。變壓器的噪聲主要包含：變壓器本體噪聲與協(xié)助冷卻處理設備噪聲兩大組成部分。變壓器的噪聲和其電氣作用功能、機械使用功能相同，都是變壓器里非常關鍵的專業(yè)技術系數(shù)。

以下是某生產(chǎn)廠商供應的實時動態(tài)聲額定功率的實踐經(jīng)驗運算方程式：

式中，LW為穩(wěn)態(tài)數(shù)值；K△V為工作電壓突變振蕩幅值%；K為改正參數(shù)；LFJ為變壓器內(nèi)部組成構造件的諧振聲額定功率。

當△V突變高于臨界的時候，K數(shù)值為5～7；當△V突變低于臨界的時候，K數(shù)值為0。

由運算方程式（1）能夠得知，變壓器的異常不同于噪聲，首先，是由鐵芯磁密突變引發(fā)的，其次，由變壓器內(nèi)部組成構造件的機械設備諧振引發(fā)的，事實上，常常是兩大類實際狀況一起作用的結(jié)果。運算方程式（1）能夠從原理上解釋說明很多變壓器運行工作里的異常不同噪聲與振動矛盾問題。所以，對變壓器的噪聲實時監(jiān)測也非常重要，能夠經(jīng)過對噪聲的改變，對機器設備內(nèi)部展開監(jiān)督控制，為核心主要變的問題故障診治判斷與分布狀態(tài)維修保護，供應可靠的數(shù)據(jù)信息基礎與長時間判定參考依據(jù)。

4 海岸效應

海岸效應，指的是因為海水具備偏低的額定電阻率，和海水對比陸地的額定電阻率高，海水和陸地交界處額定電阻率的差異不同，而造成高壓傳輸電網(wǎng)GIC加大。在全國，對直流輸電接地極入地工作電流受海洋影響矛盾問題展開了分析研究，提出因為海水額定電阻率低于陸地土壤額定電阻率，會影響沿海周圍大地電位的分散，全面進入海洋層后大地電位快速減小到了零電位位置，并且通過仿真模擬，得知了“沿海電廠、變電工作站的變壓器形成比較多的直流”的研究結(jié)論。即使磁暴災害原理與GIC形成原因和直流輸電的影響作用不相同，但是證實了海岸效應容易導致地工作電流對變壓器的影響作用加大。直流輸電的影響作用在數(shù)百公里的控制范圍里，評測涉及的大地額定電阻率實際有效深度小于或等于10 km。磁暴的影響作用和直流輸電不相同，因為太陽活動的影響基本上作用在全世界，與此同時產(chǎn)生，包括高壓傳輸電網(wǎng)在巨大的控制范圍里全面覆蓋整個交通地面，所以精確評測GIC要求探明數(shù)百千米深的大地額定電阻率。

5 磁暴對電網(wǎng)影響的案例

伴隨著連接線路有效長度增長、高壓傳輸電網(wǎng)規(guī)模加大，中國高壓傳輸電網(wǎng)發(fā)現(xiàn)得知的GIC矛盾問題在增長。舉例，2001年至2002年，在陽淮體系上河站變壓器的多次異常不同噪聲意外突發(fā)事件，經(jīng)過中國和日本研究學者一起對錄制噪聲研究分析，確定是GIC造成的直流偏磁所造成的。去年，浙江省中試所也確定了華東—福建省聯(lián)網(wǎng)線體系雙龍等變電工作站變壓器的多次異常不同噪聲和磁暴相關。

2003年10 月底至11月中旬產(chǎn)生過罕見的特大磁暴。我國地震管理局地球物理研究勘察院的磁暴數(shù)據(jù)報告說明：10月29日—10月30日（磁暴數(shù)據(jù)報告全球時折算北京市時為31日）與11月20日磁暴為強磁暴（K=9）。這一次罕見磁暴在全世界的影響作用巨大，造成了瑞典馬爾默高壓傳輸電網(wǎng)停電、中國滿洲中短波通信間斷等突發(fā)事故。因為對主變噪聲異常不同的描述表達是不夠持續(xù)的，包括31日與11月20日主變比較多異常不同和強磁暴產(chǎn)生時間吻合，11月5日異常不同和里強磁暴產(chǎn)生時間吻合；除此之外，廣西邕寧地磁臺磁暴數(shù)據(jù)信息DB/DT很大數(shù)值和北海主變噪聲異常不同時間的關聯(lián)性研究分析，可以明確，GIC是造成北海主變噪聲異常不同的根本原因，并不是因為主變少數(shù)組成部件的松動。2003年的強磁暴是造成北海2號主變產(chǎn)生噪聲異常問題的根本原因，變電工作站的連接線路長、海岸效應使北海220 kV變電工作站形成比較多的GIC。

截至當前，中國檢測的輸電連接線路GIC與運行工作里，發(fā)現(xiàn)GIC影響的相關公開發(fā)布甚少，因為地理實際位置的差異不同，低緯度高壓傳輸電網(wǎng)受地磁暴影響相對較低，沒有重視或者沒有展開測試也是根本原因。外國的分析研究最終結(jié)果說明：輸電連接線路載荷小則受GIC影響的概率性也小，伴隨著輸電連接線路的載荷加重，電力體系對GIC敏銳度將會加強。產(chǎn)生地磁暴的有效時間能夠經(jīng)過實時監(jiān)測太陽黑子的活動基本規(guī)律預先預計，產(chǎn)生磁暴前高壓傳輸電網(wǎng)運行工作調(diào)配部門對變壓器合適減載，能規(guī)避或者減少直流偏磁造成變壓器鐵芯劇烈充分飽和而引發(fā)的危害，進而規(guī)避體系突發(fā)事故產(chǎn)生。

6 監(jiān)測和防治

（1）在變壓器中性點安裝設置可測直流量的感應設備，振動數(shù)值非常顯著偏大的變壓器選用安裝設置振動調(diào)試設備。

（2）累計數(shù)據(jù)信息，展開變壓器中性線工作電流的直流與各次振蕩諧波分量和變壓器振動特征的相干性分析研究。

（3）對變壓器展開噪聲實時監(jiān)測，以提升對變壓器內(nèi)部之間的實時監(jiān)測與預維判定，累計數(shù)據(jù)信息，以提升對內(nèi)外問題故障的預判水平。

（4）在中性線的接地循環(huán)回路內(nèi)，連接到對工頻工作電流阻值不大，但是可完全阻攔地磁工作電流流過的一類額定阻抗。為了直接預防變壓器受地磁工作電流的影響作用，最好是在變壓器中性線的循環(huán)回路內(nèi)連接到能夠阻攔地磁工作電流流過的電容器設備。但是應該思考到，當變壓器的額定電容與額定電感靠近的時候，可能產(chǎn)生鐵共振過工作電壓。

（5）振蕩諧波與地磁工作電流引發(fā)的過載荷，可能減少機器設備的預期運用時間。在1989年產(chǎn)生磁暴之后，某一些電力體系的變壓器油內(nèi)曾發(fā)現(xiàn)CO2，這表明變壓器數(shù)據(jù)內(nèi)存在過熱位置。為了方便發(fā)現(xiàn)與去除這類問題，應該分析研究出可用于發(fā)現(xiàn)得知與監(jiān)督管理自動感應工作電流的模式。

（6）GIC通常都是經(jīng)過中性點接地的變壓器流進體系，從而GIC的綜合治理通常都是從變壓器開始。與此同時，能夠思考應用投入串補電容器設備、修改調(diào)配體系發(fā)展潮流與繼電保護定數(shù)值等模式降低GIC對高壓傳輸電網(wǎng)的影響作用。綜合治理GIC時，應思考所采用的措施手段對已有體系安全、穩(wěn)定運行工作的影響作用。

7 結(jié)語

受海岸效應問題現(xiàn)象的影響作用，沿海核電站的變壓器很容易受到磁暴的損害。筆者建議優(yōu)化核電站位置選址、變壓器型號選擇，來改進完善評測磁暴災害的潛在干擾，包括監(jiān)督控制體系綜合系統(tǒng)設計上增長變壓器直流偏磁工作電流的實時監(jiān)測作用功能。在策劃綜合系統(tǒng)設計與生產(chǎn)加工運行工作上，重視磁暴災害的影響作用，充分保障核電站變壓器的安全運行工作。因為災害經(jīng)濟損失和其他體系不相同，伴隨著高壓傳輸電網(wǎng)體系的多元性與龐雜性，包括高壓傳輸電網(wǎng)規(guī)模迅速發(fā)展進步，與此同時，地區(qū)地理特征，人類迄今還沒有找到發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟高效應對處理太陽風暴對大型高壓傳輸電網(wǎng)影響的高效模式，需要我們持續(xù)不斷地分析研究。