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专注地磁暴管网灾害 保障重大工程安全
发表时间 2018-04-20 15:19 来源 本站原创

  ——记华北电力大学刘连光教授团队及科研成果

  课题提出和研究背景

  1989年3月13日,加拿大魁北克735kV及以下电压等级电网突然发生全网大面积停电事故,共计损失电力负荷2200多万kW,导致600多万人(接近加拿大总人口的五分之一)无电可用,由于不清楚发生大停电的原因,停电恢复花费了9个多小时,因为事故时逢北美地区的冬季,大停电造成了严重的社会影响和巨大的经济损失。事故后的分析和计算结果表明,事故的原因与太阳剧烈活动引发地磁暴的地磁扰动(GMD)有关,该次地磁暴在魁北克400mm2四分裂导线电网产生的地磁感应电流(GIC)最大值为200A。

  事故后,北美电力可靠性协会(NERC)组织北美、北欧地区国家科学家开展研究,揭示了魁北克电网大停电事故的机理:超强的灾害性的地磁暴GMD在电网产生的GIC侵害变压器次生的谐波和无功扰动干扰导致的电网局部故障是起因,时逢冬季电网的负荷过重和局部故障引起的连锁反应是事故的主要原因。事故起因的研究结论包括:地磁暴的GMD在高磁纬地区、东西走向的输电线路中产生GIC。受该理论的影响,在全球中低纬地区的国家中,没有人对中低纬电网和输油气管道、铁路系统的GIC开展过研究。

  刘连光教授团队与国外合作专家合影

 

  电网和输油气管道、铁路系统都是国家的重要基础设施,这些地基重大工程的安全关系国民经济的安全稳定,以至国家的安全。地磁暴会对中低纬的这些地基的重大工程造成影响吗?2000年,针对我国的西电东送、全国联网战略,以及中低纬地区地磁暴的GMD相对弱、东西和南北向的GMD都很大的特征,华北电力大学刘连光教授率先提出和组织团队研究中低纬的GIC。多年来,在7项国家自然科学基金、2项863计划和科技部国际合作计划、国家重点研发计划等项目的支持下,研究取得了一系列的重要成果。

  研究成果与成果意义

  实验成果:针对电网、输油气管道和铁路电气系统的构成不同以及遭受地磁暴侵害的衍生效应不同,提出了地磁暴侵害电网、输油气管道和铁路电气系统效应观测的实验方法、关键技术及实验系统。在全球中低纬地区的国家中,首先获得了地磁暴侵害电网衍生的GIC的实测数据,地磁暴侵害管道衍生的管地电位(PSP)和GIC的实测数据;在国际上,首次获得了地磁暴侵害高速铁路轨道电路系统的GIC的实测数据,首次通过电网同步向量测量装置(PMU)获得了GIC侵害变压器次生的无功(GIC-Q)扰动计算结果。观测实验数据结果表明,地磁暴对中低纬电网、输油气管道和铁路系统的影响普遍存在,包括中小地磁暴在我国输油气管道产生的GIC都会超过国家标准对直流杂散加以限制的要求。

  理论成果:针对中低纬地磁暴的GMD相对弱、扰动电磁场方向不确定等特征,提出了适用于计算中低纬GMD地电场的方法和电网、管道、铁路系统GIC效应的方法,GIC侵害750kV及1000kV电网变压器次生的温升和GIC-Q扰动的计算方法,评估双电压等级电网GIC及其电网GIC故障高风险站点的方法,以及基于均摊电网GIC思路的减轻灾害性地磁暴影响的优化算法。这些理论成果,建立了评估中低纬地区电网GIC及其防治的理论与方法体系,揭示了双电压等级电网GIC相互影响、相互作用的特征和大规模电网GIC故障高风险节点的特征,为研究、治理750kV及1000kV电网GIC和防御地磁暴的电网灾害奠定了理论基础,提出了基于大规模电网治理GIC、防御灾害性地磁暴的方法。不同管网GIC实测数据和结合管网工程的计算结果表明,由于重大管网工程导体的单位长度的直流电阻越来越小,工程导体中的GIC越来越大是地磁暴造成特别严重灾害的原因。

  成果应用:根据重大管网工程导体GIC观测实验的实际需求,提出了大规模电网GIC、油气管道PSP和GIC、高铁牵引网和轨道电路系统GIC的监测方法、关键技术和实施方案,开发了管网地磁暴侵害效应监测装置和数据远程采集平台并在电网、管道和高铁系统获得了广泛的应用,获得了不同强度地磁暴侵害电网、管道和高铁系统的数据;提出的中低纬电网GIC的评价理论与方法已在西北5省区电网和吉林、山西和福建等电网中应用,为电网规划GIC风险评估和电网运行GIC影响评估提供了理论支撑;提出了基于大电网治理GIC的技术方法与方案,开发了抑制GIC、减轻灾害性地磁暴对电网影响的装置,该装置可根据安装站点GIC的大小自动调控,降低电网地磁暴灾害的风险。其中,“磁暴对电网安全影响的监测和评估技术研发及应用”项目2011年获国家安监总局科技成果一等奖。

  重要意义:由于以前管网工程的规模和导体单位长度的直流电阻小,地磁暴在我国管网工程导体中产生的GIC也相对小,地磁暴尚未在我国管网工程引发特别严重的事故。与加拿大魁北克事故电网相比,我国2005年开始建设的750kV超高压电网最小采用400mm2六分裂导线,2009年开始建设的1000kV特高压电网最小采用500mm2八分裂导线,以及我国西气东输管道和一些输油管道的口径大,直流电阻小,管网系统的GIC会很大。因此,我国750kV电网和1000kV电网是强地磁暴可能导致严重灾害的高风险电网,这两种电压等级电网地磁暴灾害的防治,以及中小型地磁暴GIC对大规模输油气管道腐蚀的影响与防护是我国重大工程建设和安全运行都需要研究的重要前沿课题。刘连光教授团队率先针对地磁暴对中低纬地区管网影响开展的研究工作及成果在国内外形成了重要的影响。

  未来方向及研究目标

  与地磁暴侵害电网的效应和可能突发严重事故的危害相比,目前管道的影响研究还局限于GIC会加速管道腐蚀的认识,对铁路系统的影响局限于我国高铁轨道电路系统GIC实测数据,证明了高纬地区国家发生的铁路信号灯“闪红”和轨道电路系统信号异常是GIC造成的,地磁暴对管道和铁路安全的影响以及是否需要防治是需要深入研究的问题。另外,由于每次地磁暴的强度不确定,大地的电性及其构造复杂,电网结构和运行方式经常变化,对运行电网采用理论方法准确计算电网GIC及变压器的次生干扰非常困难,如果能用电网的现有监测装置检测变压器的GIC次生干扰,分析灾害地磁暴的影响和防治灾害,是一种不需要另外投资的方法。电网问题下一步的研究任务包括:基于电网广域测量系统(WAMS)同步向量测量装置(PMU)量测数据识别变压器GIC次生干扰、防治地磁暴电网灾害的理论与方法等,基于电网GIC预测、预报防灾期待与空间物理科学家合作。

  刘连光教授简介

  刘连光,男,1954年2月生于吉林省汪清县。1994年获华北电力学院北京研究生部电力系统及其自动化专业工学硕士学位。现为华北电力大学电气与电子工程学院教授,博士生导师,中国电机工程学会高级会员。2007年获河北省省管优秀专家荣誉,2008年享受国务院政府特殊津贴,2011年获北京市高等学校教学名师荣誉称号。主要从事电力系统规划与分析、电网运行与灾变控制、电力系统电磁兼容方面的教学与科研工作。2001年获高等学校国家教学成果二等奖和北京市一等奖。在输电线路舞动防治和地磁暴对电网的影响方面获省部级一等奖1项、二等奖3项和三等奖4项。发表刊物论文300余篇。