直流输电的gic有效应对

直流输电的gic有效应对

0近40年来电网发生事故在受到太阳黑子活动的严重影响后，地球磁场生成了太阳风，其表面形成了地球电势（esp），并在电网中形成了地磁感应电流（gic）。由于其频率十分接近直流频率(0Hz),因此习惯上称GIC为准直流。实测记录显示:该电流变化频率一般为0.001~0.1Hz,持续几min至数h。变压器中性线上实测的最大GIC高达201A,输电线路中GIC峰值连续21d均超过20A(芬兰电网)。这些电流已远远高于变压器能够承受的最大直流电流,因此变压器发生直流偏磁,导致变压器、静止无功补偿器(staticvarcompensator,SVC)、并联电抗器等设备损坏,甚至引发电网失稳。如1989年3月18日的超强磁暴使加拿大魁北克电网发生大停电事故,电网瘫痪近9h,波及近600万人,造成了巨大的社会影响和经济损失。1991年3月24日的强磁暴使瑞典电网9条220kV输电线路和1台变压器跳闸,同时使美国多台并联电容器和SVC由于过负载而跳闸。1991年5月28日的强磁暴使世界上最大规模的多端直流输电(魁北克—新英格兰五端直流输电)系统中的Radisson换流站的一组直流滤波器因过载而退出运行,同时交流滤波器严重超载。传统观点认为只有北欧、北美等高纬度地区才可能遭到严重地磁暴的影响,然而近年来的观测结果表明:在中、低纬度地区,日本、新西兰、南非等国电网也遭到GIC的严重侵袭。2001年以来,地磁暴使我国广东岭澳和江苏阳淮等地电网相继多次出现变压器异常现象,造成变压器不同程度的损坏[18,19,20,21,22,23]。由此可见,GIC已严重危及中低纬度地区电网的安全稳定运行。随着“西电东送”政策的贯彻实施,我国长距离输电线路越来越多。预计到2020年,我国特高压直流输电工程将达到27项左右,超高压直流输电工程也将超过20项,超、特高压交流输电线路大量增加。这些输电线路的共同特点是线路长,多为东西走向,传输容量很大。研究结果表明:东西走向的长距离重载线路更易遭受GIC的侵害。国外对GIC问题的研究始于20世纪40年代,20世纪80年代后做了大量的工作,如地处高纬度地区的北欧及加拿大等国相继建立了电网GIC监测系统,获得了许多宝贵的实测数据。然而对GIC的研究总体还是处于初级阶段,仍然不十分清楚GIC对电网危害的发展机制,研究手段仍然沿用电网常规模型和方法,因此难以有效揭示GIC影响电网运行性能的实质,仍然在探索电网抵御GIC的方法和对策。在2001—2002年间,广东岭澳电网和江苏阳淮电网多次出现变压器异常现象,我国科技工作者才开始关注GIC问题。主要研究内容是探索GIC产生机制,建立适合于变压器直流偏磁研究的数学模型,探索抑制变压器直流偏磁的措施等,少量的研究成果多处于理论研究阶段。电力界对GIC的危害尚无认识。问题的严重性还表现为每隔11年太阳就产生一次超强规模的大磁暴,我国电网是否做好了足够的抵御防范工作,将对地磁暴大爆发期间电网的安全稳定运行起到至关重要的作用。因此我国迫切需要结合电网建设,加快研究进程,在认识GIC实质的基础上,探讨相应的减小其危害的对策,为我国电网的安全稳定运行提供决策依据。本文从分析GIC产生机制出发,探讨GIC在交流电网及高压直流输电中形成的条件以及影响因素;探讨GIC对交直流系统的危害,并提出我国电网针对GIC问题的研究方向的建议。1地面电势理论分析太阳的质子和电子不断向外喷发等离子体,形成太阳风。太阳黑子异常活动产生的耀斑、冕洞和隐丝均可诱发太阳风的波动。巨大能量的太阳风形成的电磁场与地球磁场相互作用引发地磁暴。在波动的地磁暴作用下,地球表面100km以上、沿地球两极方向的极光电流发生同频率的变化,其变化频率为0.001~0.1Hz。如果极光电流引发的变化的磁场强度为ψ,则由麦克斯威方程可知,该磁场在地球表面感应生成的电场强度为E=-dψ/dt。设ψ=ψmsinωt,则可得E=2πfψmsin(ωt-90°),表明变化的磁场将感应产生滞后其90°的同频率变化的电场,即将在地球表面生成东西方向的地面地势。设电网中2个中性点接地点N1、N2间的输电线路l与地面电场强度E间的夹角为α,如图1所示。由电路理论可知,沿线路方向的N1、N22点间的地面电势UESP为式中UN1、UN2分别为电场强度E引发的N1、N22点的地面电位。地面电势与地磁暴强度,地质条件,输电线路走向、长度和传输容量,以及电网结构等有关。地磁波动频率越高,大地电阻率越大,输电线路越长,越接近地球两极,线路传输功率越重,导致地面电势越大。接近地球南、北极的高纬度地区,由于地球磁场变化较低纬度地区更剧烈,因此地面电势更大。而在毗邻海岸的陆地上,由于海岸效应使陆地的地面电场大为增加,同样导致地面电势很大。2吉克斯-交换网络之间的关系网络2.1变压器中性点接地系统的酶特性按照中性点接线方式分类,交流电网分为接地系统和不接地系统。接地系统是通过变压器三相绕组星形联结,且中性线直接接地或经小电阻(或小电抗)接地的方式加以实现的,记为Y0。在不接地系统中,变压器三相绕组接为三角形(Δ),或为中性线不接地的星形联结。在接地系统中,如果相邻2个变电站的接地极间存在电位差,则这2台变压器的绕组、中性线以及输电线路中就会产生电流。以图2为例,S1和S22个变电站通过500kV线路相连。假设2站的变压器均采用Y0/Δ接线方式,2个中性点接地点之间存在地面电势(不妨设N1高于N2),当忽略三相线路阻抗的不对称性时,该准直流特性的地面电势将在500kV线路上产生大小和相位近似相同的三相电流iGA、iGB和iGC。这些电流全部通过由接地极N1、N2以及大地(或海水)形成的闭合回路,因此流过2个接地极线的电流相等,均为三相电流之和,即iG1=iG2=iGA+iGB+iGC=3iGp,其中iGp为每相线路中的地磁感应电流,iGp=iGA=iGB=iGC。这些电流是由地磁暴引发的地面电势而产生,因此称为地磁感应电流,其值可表示为式中:UESP为变压器中性线接地点间的地面电势;r0、x0分别为每相输电线路的单位电阻和电抗;RT1、RT2和XT1、XT2分别为两侧变压器的每相绕组电阻及电抗;RG1、RG2分别为两侧变压器中性线及接地极(含接地网)电阻;l为线路长度。当计及GIC的准直流特性时,地磁感应电流为由式(2)(3)可见,地磁感应电流的大小主要决定于地面电势,地面电势越强,地磁感应电流将成比例地增大。此外,GIC还与变压器、接地极(含接地网)以及输电线路的特性,输电线路长度有关。如果变压器中性线经小电阻(或小电抗)接地,由式(2)可知,系统中感应生成的地磁感应电流较中性点直接接地系统的GIC小;如果变压器中性线不接地,因为没有线路与大地所组成的闭合电路,故输电线路及变压器中不会出现GIC。2.2吉c对传输网络的影响2.2.1吉c对设备的影响GIC可能危及变压器、并联电抗器、并联电容器、静止无功补偿设备的安全稳定运行,使控制和保护装置误动或拒动。1变压器正常运行时最大励磁如图2(b)所示,中性点接地的变压器每相绕组中流过iGp的GIC时,中性线上将出现3iGp的准直流电流。该准直流电流叠加在交流电流上,导致变压器的主磁通产生极性偏移,出现半周期饱和。出于大型变压器高效率的需要,通常设计变压器工作在铁心的线性区域,但工作电压峰值接近饱和点,只需要几A的励磁电流就可建立主磁通。因此在铁心饱和的半周期中,主磁通的峰值部分将引起励磁电流极大的增加,出现尖峰电流,且不再半周期对称,如图3所示。现场实测表明:1台600MVA的三相变压器,正常时只需要2~4A的励磁电流。当每相GIC达25A时,励磁电流峰值高达300A,约是正常运行时最大励磁电流(5A)的60倍。直流偏磁将导致变压器出现以下严重问题:2变电站主要电抗器在超、特高压系统中,为了抑制系统轻载运行时输电线路过剩的充电无功功率,避免输电线路电压过高,变电站通常装有并联电抗器,其主电抗多采用Y0接线方式的铁心式电抗器。主电抗的铁心在GIC作用下可能产生直流偏磁,其作用机制与变压器直流偏磁相同,因此GIC对并联电抗器的危害与变压器相同。3交流电网发生谐波放GIC引发变压器或并联电抗器出现直流偏磁,从而导致这些装置成为巨大的谐波源。在交流电网的某些运行方式下,可能使局部电网发生谐波放大,甚至产生谐振,导致并联电容器因过电流而烧毁,或因过电压而击穿。直流偏磁使变压器吸收无功极大增加,引起并联电容器及静止无功补偿设备过载,可能烧毁这些设备。4系统的保护装置稳定性变压器产生的大量谐波引起测量装置准确度下降,降低控制保护装置的动作灵敏性。尤其是3次谐波的加大,使系统中零序特性的控制保护装置灵敏度降低,可能出现保护误动或拒动。此外,文献仿真结果表明,GIC使电网中电气设备的过电压水平增加,降低了这些设备的使用寿命。GIC使断路器开断电流时的恢复电压增大,不利于灭弧。2.2.2基于交流-信号波场的特性GIC通过对电气设备的危害,尤其对控制保护装置的干扰,可能导致电网出现以下安全稳定问题:1)无功支撑不足,电网电压普遍下降,最严重时可能导致电网崩溃。直流偏磁下,变压器吸收无功功率大量增加,引起系统容性无功功率不足,使系统电压普遍降低,严重时可能诱发系统电压崩溃。例如1972年8月4日发生的强磁暴,使大地电阻率极高的加拿大北部Minnesoda电网电压下降64%,导致NorthDakota电网崩溃。又如1989年3月18日发生的强磁暴,导致无功缺额大量增加,使加拿大魁北克系统中的LaGrande电网中7台SVC(735kV)过载,在不到1min的时间内,全部因跳闸而退出运行。8s后,LaGrande水电厂的低周减载保护动作,使1条735kV线路跳开。经过不到1s的系统扰动,电网中仅剩的4条735kV线路也相继跳开而退出运行,至此LaGrande电网丧失全部9500MW发电容量。由于该电网的装机容量占魁北克系统总容量的44%,因此导致魁北克系统中其他电网的电压和频率相继持续降低。LaGrande电网退出运行6s后,魁北克系统功率出现波动,导致ChurchillFall水电厂2000MW的发电功率退出运行,使东北部电网与魁北克系统解列,又过了18s,整个魁北克系统崩溃。2)使系统保护误动或拒动。在谐波严重超标的情况下,可能出现保护误动或拒动,从而威胁电网的安全稳定运行。3)系统损耗增加。直流偏磁使变压器和电抗器的损耗大大增加,系统电压的普遍降低也加大了网损,谐波的大量增加同样导致网损增大。仿真分析结果还显示:GIC使超高压线路潜供电流数值加大,因此不利于单相自动重合闸的成功投切。3吉克斯-直流电压之间的关系3.1直接运营模式对gic的影响3.1.1双极直流输电运行机理高压直流输电分为单极和双极2种接线方式,后者使用最为广泛,我国已投运的11条直流工程均为该类型工程。双极直流输电包含单极和双极2种运行方式,因此本文仅研究双极直流输电。高压直流输电还可以分为长距离和背靠背2种形式。本文针对长距离双极直流输电和背靠背直流输电,分析GIC与高压直流输电的相互关系。长距离双极直流输电多采取两端中性点直接接地形式,如图4所示。图4中12p为12脉动换流器。3.1.2长度双向直流输电站对gic的影响这种类型的直流输电具有以下3种运行方式:单极大地回线运行方式、单极金属回线运行方式和双极运行方式。1流ig+直接参数以正极运行为例。12脉动换流器正常运行时,4个阀和5个阀轮流导通(即4-5工况)。如果两侧换流站直流接地极N1和N2间存在地面电势UESP,它将在两侧换流站中的导通阀、Y/Y及Y/Δ换流变的副边绕组,以及直流极线所构成的闭合回路中形成地磁感应电流iG+,见图5。图5(a)为阀V1~V44个阀同时导通,图5(b)为阀V1~V55个阀同时导通。iG+的数值IG+主要由直流极线电阻、换流变阀侧绕组电阻和直流接地极电阻共同决定,计算公式为式中:Rd为直流极线电阻;RYY1、RYY2分别为整流站和逆变站Y/Y换流变的副边绕组电阻;RYΔ1、RYΔ2分别为整流站和逆变站Y/Δ换流变的副边绕组电阻;RG1、RG2分别为两站直流接地极电阻。值得指出的是,正极运行时,只有当N1点的地面电势高于N2点,才能在极线上形成GIC。反之,如果N2点的地面电势比N1点高,由于晶闸管的单向导电性,虽然有电源(地面电势)和闭合回路,正极线路中不会出现GIC。同理,负极运行时,只有N2点的地面电势高于N1点,才能在负极线上出现GIC。无论正极还是负极运行,直流极线上的GIC一定与直流电流同方向。2中旁路开关该运行方式下,只有逆变站直流接地极接地,即图4中旁路开关S1、S2闭合,同时整流站的直流接地极断开。如果两侧直流接地极间存在地面电势,由于没有地磁感应电流通路,故直流系统中不存在GIC。3点时下含gac的点两侧直流接地极间的地面电势将在正极(当N1点的地面电势高于N2点时)或负极(N2点的地面电势高于N1点时),以及两侧导通阀、换流变副边绕组所组成的闭合电路中产生GIC,其值由式(4)计算确定。由于晶闸管的单向导电性,不可能双极同时出现GIC。3.1.3直流输电系统背靠背直流输电的整流和逆变在同一个换流站内,只有一个直流接地极,因此背靠背直流输电的直流系统中不会出现GIC。综上所述,长距离直流输电工作在单极大地回线和双极运行方式下时,直流系统中可能产生GIC,GIC的数值由两侧直流接地极间地面电势强度、直流极线电阻、换流变阀侧绕组电阻和接地极电阻共同决定。3.2吉克对高压直接供电的影响3.2.1直流电交流dic交流GIC在交流进出线及其两端的变压器与大地(或海水)组成的闭合回路中流通,因此换流变网侧绕组中有交流GIC流过。由2.2.1节分析可知,交流GIC可能导致换流变产生直流偏磁,出现可听噪声增加,过热和损耗加大,振动加剧,产生大量谐波,同时吸收大量无功功率。交流GIC还可能使滤波器过载,降低直流传输功率,甚至使直流输电被迫停运。如1991年5月28日,强磁暴使魁北克—新英格兰5端直流输电系统中的Radisson换流站的换流变因直流偏磁而产生大量5次和7次谐波,导致极1直流线路上6次谐波严重超标,引起一组6/12双调谐直流滤波器因过载而退出运行,GIC同时也引起交流滤波器严重超载。3.2.2直流酶内产生非特征谐波由换流器耦合理论可知,直流电流中第h次谐波会在换流器交流侧各相电流中引发h±1次的主导非特征谐波。文献采用转移函数谐波分析方法证明:直流GIC的数值、相位及频率将影响交流相电流中非特征谐波的大小和频率。当直流GIC足够大时,将引起交流相电流中的非特征谐波增加很多,导致换流变损耗加大,同时加重交流滤波器的负担,可能引起交流滤波器过载,甚至可能导致直流控制保护系统误动。一般而言,直流GIC远远低于额定传输电流,因此直流GIC导致的交流相电流中的非特征谐波可以忽略不计。但当换流器交直流两侧同时谐振,且谐振的频率正好满足换流器谐波耦合关系时,直流GIC导致交流滤波器过载,甚至直流控制保护系统误动或拒动。4高压直流输电的研究今天的输电线路输送距离远(最大输送距离可达上千km)、单位电阻小、负荷重、经过区域地质结构复杂,因此地磁感应电流大。如果线路呈东西走向,则GIC更大。GIC导致电网不能安全稳定运行的几率进一步增加。现代大型电网的不稳定运行,不仅导致电网自身以及用电企业巨大的经济损失,而且可能诱发社会的不稳定,因此有必要从以下几方面开展GIC的研究,以期找到切实可行的方法,提高电网抗拒GIC的能力。1)建立覆盖天空、电力系统及地理的科学、严密、精确的地磁暴和地磁感应电流检测网。2)磁饱和状态下变压器数学模型的研发。3)提出合理的变压器中性点直流电流标准。4)提出有效且切实可行的抑制变压器直流偏磁的措施。以上为针对GIC对交流电网的危害而需要进行的研究工作,对于高压直流输电,主要需要开展以下几方面的研究:1)研发能有效区分直流及0.001~0.01Hz准直流的电流互感器,为监测直流GIC提供基础研究手段。2)研究适合GIC研究的换流变饱和数学模型及换流阀模型,交流滤波器和无功补偿设备模型,为提高GIC对直流输电运行特性、控制保护特性研究提供理论基础。3)研究直流输电特殊运行方式下,GIC对直流控制保护的影响,进而提出有效抑制GIC对高压直流输电影响的控制保护策略。5交直流系统的基于破坏GIC对电