地磁暴来袭！来自电气学术领域的研究应对之策

地磁暴是太阳剧烈活动时随日冕抛射出的物质引起的地球磁场全球性的剧烈扰动。极光就是太阳风携带的带电粒子流与地球磁场发生碰撞的表现，所以一般常伴随着地磁暴出现。从2019年12月之后，进入第25个太阳周。根据科学家的推算，第25个太阳周的太阳活动要比第24个太阳周剧烈。目前正处于太阳活动逐渐上升的阶段，第25个太阳周的太阳活动极大值预计出现在2025年7月左右。

地磁暴发生时，地球磁场的剧烈波动会使大地表面感应出电场，在其作用下，会在高压电网、地面管网、高铁等闭合回路中感生出地磁感应电流。地磁感应电流的频率相对于工频来说可以看作直流，中性点接地的变压器是电网遭受地磁暴侵害时的敏感元件，当地磁感应电流流过变压器时，铁心中便会产生对应的直流磁通。直流磁通加上原本存在的交流磁通，使得变压器直流偏磁，铁心半波饱和。这会导致变压器振动和噪声增大、温升增加还会引起变压器的励磁电流严重畸变，并产生巨大的无功增量，严重时甚至会导致变压器退出运行。

由于地磁暴在全球范围内几乎同一时间发生，当地磁感应电流在电网内流通，会使一个地区内所有变压器都半波饱和。地磁感应电流通过变压器产生的谐波还可能导致其他设备的继电保护装置误动跳闸，地磁感应电流通过变压器增发的无功增量会导致系统出现无功缺额。这些都会导致电压波动和功率裕度减小，进而影响电网的稳定性。

我国大多数国土位于中低纬度地区，一般来讲，电网受地磁暴的影响不大。目前，工程上常用变压器中性点串联电容、电阻的方法防止地磁暴侵害电网。目前还有学者提出利用对无功补偿设备进行优化配置、两相磁性材料减小变压器直流偏磁、和利用空间天气预报数据对电网运行方式进行优化调度的方法减小地磁暴对电网的影响，但目前应用较少。

解决地磁暴对电力系统的威胁问题，产学研之间的交流与合作不可或缺，共同分享研究成果和经验，能够促进对这一问题的深入研究，为应对地磁暴提供更多的理论支持和实践指导。

为帮助各位读者分析地磁暴对电力系统的影响，研讨应对之策，小编特别采撷相关电气学术期刊的研究报道，为防范地磁暴、保障电力系统安全稳定运行提供多角度的思考。

地磁暴侵害油气管道的管地电位效应

作者：刘连光, 张鹏飞, 王开让, 毕武喜, 葛艾天

摘要： 由于输油气管道埋在地下,钢质管道内外壁有绝缘涂层,不与大地直接接触,油气管道遭受地磁暴侵害的响应机制与电网不同,研究油气管道的干扰机制、物理过程以及干扰效应,对分析地磁暴对油气管道的影响及危害具有重要意义。

针对2012年～2014年9次中、小地磁暴侵害我国西气东输一线和陕京二线等输气管道引发的管地电位(PSP)现象,研究了地磁暴引发管道地磁感应电流(GIC)的机制与过程以及GIC衍生管道PSP的机理,利用PSP算法,假设感应电场沿管道分布,大小取0.1 V/km,计算了不同形态管道的PSP水平。实测和仿真计算数据表明,即使是遭受中、小地磁暴的侵害,钢质油气管道的PSP也会超过管道杂散电流干扰防护标准规定的限值,证明了管道干扰及防护研究要考虑中、小地磁暴的影响。

引用本文：刘连光, 张鹏飞, 王开让, 毕武喜, 葛艾天. 地磁暴侵害油气管道的管地电位效应[J]. 电工技术学报, 2016, 31(9): 68-74.

地磁感应电流作用下大型变压器的温升特性计算

作者：朱涛, 王丰华

摘要： 为准确分析电力变压器在地磁感应电流（GIC）作用下的温升特性,该文通过建立某500kV三相共体油浸式电力变压器的电磁-流热场耦合三维仿真模型,计算变压器满负载运行及不同GIC作用下其内部构件的损耗密度和温度场分布,并依据IEEE C57.163标准,计算GIC作用下变压器内部构件的动态温升曲线。

仿真计算结果与设计值的良好吻合说明了该文计算结果的正确性。同时发现,受GIC影响后,电力变压器的夹件、拉板、油箱等的涡流损耗分布极不均匀,且随GIC电流的增加而增大。GIC脉冲作用下的变压器金属构件局部温度会急剧上升,在100A直流脉冲下,变压器主柱拉板的局部温升达到允许限值。研究结果可为GIC作用下大型变压器的耐受性能分析提供重要参考依据。

引用本文：朱涛, 王丰华. 地磁感应电流作用下大型变压器的温升特性计算[J]. 电工技术学报, 2022, 37(8): 1915-1925.

变压器偏磁效应噪声特性的多场耦合分析与抑制

作者：潘超, 安景革, 刘闯, 蔡国伟, 孙正龙, 罗远翔

摘要： 针对变压器在直流扰动下的噪声问题,提出一种电磁-机械-声的多物理场耦合方法。构建三相变压器三维电磁模型,求解三相变压器在偏磁效应下的内部构件磁场与受力情况。利用电磁-机械耦合原理计算铁心和线圈的振动加速度,并基于机械-声耦合原理进一步建立声学波动模型,计算空间声压分布。

以Yd接线三相三柱式变压器为例,仿真研究多种交直流混杂模式下的电磁、振动及噪声状态,总结其模-态特征及变化规律。搭建变压器偏磁动模实验平台,测量振动噪声参数,并与仿真结果对比,验证所提方法与结论的正确性和有效性。通过分析变压器偏磁效应噪声特性,为基于信息物理融合的设备状态监测与故障辨识提供新思路。

引用本文：潘超, 安景革, 刘闯, 蔡国伟, 孙正龙, 罗远翔. 变压器偏磁效应噪声特性的多场耦合分析与抑制[J]. 电工技术学报, 2023, 38(18): 5077-5088.

地磁暴对电力系统稳定性的影响

作者：王泽忠, 司远, 刘连光

摘要： 鉴于近年来地磁暴侵害中低纬度地区电网事件的增加及强地磁暴引起的魁北克大停电事故,分析地磁暴对电力系统稳定运行的影响十分必要。受各种因素的约束,电力系统往往运行在极限稳定状态,地磁暴感应电流（GIC）会引起变压器无功损耗（以下简称为GIC-Q）增加,具有全网群发性和波动性的GIC-Q是否会增大系统失稳风险以及直流系统的加入是否会对电网抗磁暴能力产生影响尚未得到研究。

从电力系统稳定的角度出发,研究长时间尺度下变电站GIC-Q的概率分布规律,结合GIC标准算例,在系统原有负荷的基础上将GIC-Q作为一种无功负荷,分析地磁暴对交流系统及交直流混联系统概率稳定性的影响。

引用本文：王泽忠, 司远, 刘连光. 地磁暴对电力系统稳定性的影响[J]. 电工技术学报, 2022, 37(7): 1780-1788.

考虑地磁暴期间电网电压下降的GIC-Q计算及易损区域识别

作者：刘青，马龙雄，查虹丽，陈梁金，周宁馨

摘要： 地磁暴诱发的GIC及其次生GIC-Q对电网的不同变电站影响程度不同，目前计算GIC-Q没有考虑电网电压下降，因此有必要提高GIC-Q的准确性和识别出易损区域以指导电网安全运行。

文中提出了考虑地磁暴期间电网电压下降的GIC-Q计算方法，以新疆电网为算例计算了角度为90°，大小为1 V/km的地电场作用时各变电站变压器GIC；根据潮流计算模型，比较了是否考虑地磁暴期间电网电压下降的各变电站GIC-Q和电压的计算结果，以及喀什站GIC-Q和电压随地电场强度变化趋势；分析了地磁暴期间发电机无功储备对电网电压影响，以及线路有功功率和无功功率分布变化；分别提出了GIC严重度和电压越限严重度描述GIC对变压器的影响程度和GIC-Q对电网电压的影响程度，根据提出的变电站易损严重度来描述地电场对变电站的危害程度，并识别了新疆电网易损区域。

结果表明，考虑地磁暴期间电网电压下降可以修正GIC-Q和节点电压计算结果，电网易损区域一般位于网络边缘。

引用本文：刘青,马龙雄,查虹丽,陈梁金,周宁馨.考虑地磁暴期间电网电压下降的GIC-Q计算及易损区域识别[J].高压电器,2023,59(03):163-170.

地磁暴影响下特高压交流电网电压稳定性量化评估方法

作者：辛文凯, 王泽忠, 刘春明, 李宇妍

摘要： 地磁暴时,地磁感应电流（GIC）流经变压器会产生大量无功损耗,引起电网电压波动。随着我国特高压交流电网规模的扩大,地磁暴给特高压交流电网电压稳定带来的威胁越来越大。为了准确评估地磁暴对电力系统电压稳定的影响,该文建立了适用于地磁暴期间衍生无功扰动影响电压稳定的分析模型,通过对线路的等效变换,适应于多电压等级电网的多进线节点电压稳定分析。

该文将地磁暴造成的无功扰动加入电压稳定分析模型得出地磁暴影响下的PV曲线解析式,并提出电压失稳指标,避免了连续潮流法预测校正过程中步长难以准确选取、计算复杂等问题,便于确定电网遭受地磁暴侵害时的电压稳定薄弱点和负荷裕度,并通过规划的华东特高压交流电网算例对该方法的有效性进行了验证。

引用本文：辛文凯, 王泽忠, 刘春明, 李宇妍. 地磁暴影响下特高压交流电网电压稳定性量化评估方法[J]. 电工技术学报, 2023, 38(21): 5771-5780.

考虑磁暴时GIC-Q模糊相关性的电网无功优化配置研究

作者：王泽忠, 司远, 刘连光

摘要： 磁暴时地磁感应电流引起的变压器无功损耗（GIC-Q）具有全网群发性及不确定性,破坏电网无功平衡,造成电压波动,影响系统稳定运行。变压器GIC-Q的相关性会导致系统内的无功负荷同增同减,忽略这一因素会使治理方案无法达到最优防灾效果。

该文提出以一个太阳活动周期内发生地磁暴时的变压器GIC-Q为样本,统计其数字特征,利用多项式正态变换方法建立其概率分布模型,将计及不同地理位置变压器GIC-Q模糊相关性的概率潮流嵌入非支配排序遗传算法求解无功优化配置问题。以GIC标准算例进行测试,分析了GIC-Q的模糊相关性对系统运行状态的影响,证明其为采用无功配置进行地磁暴灾害防治不可忽略的因素。

引用本文：王泽忠, 司远, 刘连光. 考虑磁暴时GIC-Q模糊相关性的电网无功优化配置研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(zk1): 106-115.

2021年10月11日地磁暴对两座变电站GIC的影响

作者：高贺，张倩然，刘连光，王鹏，姜楠，周立超

摘要： 近年来中国相继监测到地磁暴侵害电网、铁路轨道电路和油气管道系统产生的地磁感应电流（Geomagnetically Induced Current,GIC）数据，但是目前实测的GIC数据还相对较少。

根据2021年10月9日日冕物质抛射事件（CME）产生的Kp指数为6的地磁扰动（Geomagnetic Disturbance,GMD）数据，500kV阿拉坦变电站（48.7°N,116.8°E）和上河变电站（33.4°N,119.2°E）及输电系统的参数，分析了2021年10月11日地磁暴期间在两座变电站监测到的GIC数据以及输电系统参数对GIC量值的影响。结果表明：地磁暴在500 kV上河变电站产生的GIC比阿拉坦变电站GIC量值相对较大。分析结果说明，在这次磁暴事件中，输电线路导线电阻是影响变电站GIC的主要因素。

引用本文：高贺, 张倩然, 刘连光, 王鹏, 姜楠, 周立超. 2021年10月11日地磁暴对两座变电站GIC的影响[J]. 空间科学学报, 2022, 42(6): 1145-1151.

中低纬电离层不同季节地磁暴响应的事例分析

作者：李维新, 陈艳红, 袁天娇

摘要： 利用中国中低纬台站漠河（53.5°N，122.3°E）、北京（40.3°N，116.2°E）、武汉（30.5°N，114.2°E）和三亚（18.3°N，109.6°E）的电离层观测数据，对比分析了4个台站电离层参数在2015年不同季节4个地磁扰动事件期间的变化特征。

结果表明，4个磁暴事件期间电离层的响应特征并不完全一致，有着明显的季节特征，春季、夏季和秋季电离层以负相扰动为主，冬季以正相扰动为主.分析发现，中性成分O/N2的降低与电离层负相扰动有关，但三亚地区的负相扰动还与扰动发电机电场相关.正相扰动的机制在不同事件中并不相同，穿透电场可能是引起春季磁暴事件期间电离层短时正暴效应的原因，而冬季长时间的正暴效应则是扰动电场和中性风共同作用的结果。

引用本文：李维新, 陈艳红, 袁天娇. 中低纬电离层不同季节地磁暴响应的事例分析[J]. 空间科学学报, 2021, 41(5): 746-759. doi: 10.11728/cjss2021.05.746