Impact of Geomagnetically Induced Currents Secondary Event on the High-Voltage Synchronous Motors

It is justified that during geomagnetic storms the high voltage synchronous engines are being impacted by high current harmonics of even sequences powered by power transformer due to geo-induced high voltage currents flowed through the windings. Equivalent circuits of step down substation and HV synchronous motors are made for making it possible to consider a saturation of power transformer magnetic system and higher current harmonics availability in stator windings. Analytic expressions for higher current harmonics and extra capacity losses calculation in stator windings are received, as well as the calculation of induction torques allowing to denote a rate of geomagnetic processes impact on synchronous engine operation at various step down substation parameters.

地磁感应电流多学科交叉研究进展

地磁感应电流(geomagnetically induced currents,GIC)是指地球变化磁场在地球表面导体中产生的感应电流,可对电网、油气管道、高铁等人造基础设施造成严重破坏,包括电力系统失效、通信干扰和电子设备损坏等,影响其稳定运行和功能。研究GIC的意义在于深入理解其产生机理及影响因素,为制定相应的预防和应对策略提供科学依据。论文在深入总结GIC研究进展的基础上,详细阐述了GIC的产生机理及影响因素,包括宇宙空间、地球环境和电力系统对GIC的影响;概述了GIC的研究现状,分别从空间物理、地球物理和电气工程领域对GIC进行了综合评述;进而详细介绍了GIC估算的步骤,包括地磁场数据与建模、地电场和导体中GIC的计算;并重点分析了不同地球物理参数对GIC估算结果的影响以及互相之间的差异;最后,对GIC研究面临的挑战、地球物理在相关问题解决中的潜在贡献以及研究未来进行展望。

地磁感应电流作用下三相五柱变压器无功功率定量分析

无功功率作为电力系统运行重要指标,其波动影响电力设备的安全稳定运行以及整个系统的电压稳定。为分析三相五柱变压器在地磁感应电流作用下的无功功率分布,根据变压器的实际参数,通过串联电阻及电压补偿的办法,建立三相五柱变压器磁场-电路耦合有限元计算模型,对不同大小地磁感应电流下的变压器无功功率进行定量分析。通过计算三相五柱空载及额定负载下无功功率的分布以及单相自耦变压器无功功率,发现随着地磁感应电流的增大,三相五柱空载及负载无功功率特性曲线均大体呈线性增加,且单相自耦变压器相较于三相五柱变压器无功曲线对于地磁感应电流更为敏感。并结合不同芯柱结构变压器的磁路特点,分析了无功差异变化的原因。研究结果可为地磁感应电流作用下三相五柱变压器稳定运行提供参考依据。

高空电磁脉冲晚期成分作用下500 kV变压器无功损耗仿真研究

高空电磁脉冲晚期成分(HEMP E3)效应会在变压器中性点与大地构成的回路中产生地磁感应电流(GIC),严重时会使变压器铁心半波饱和,进而导致励磁电流严重畸变、无功损耗急剧增加、局部过热和振动加剧等后果。为准确地分析电力变压器在HEMPE3作用下的无功损耗特性,该文搭建了HEMP E3对500 kV电力变压器作用的电磁暂态仿真模型,基于IEC 61000-2-9给出的标准HEMP E3波形,定量分析了感应电场幅值、上升时间、下降时间以及变压器带负载情况等对电力变压器的影响规律。分析结果表明,HEMP E3作用下500 kV变压器无功损耗与GIC呈正相关性,且无功损耗波形滞后于感应电场的变化;HEMP E3感应电场的下降时间对500 kV变压器无功损耗的影响远超上升时间;负载阻抗的阻值相同时,容性负载下的励磁电流和无功损耗幅值最大,感性负载下幅值最小。研究结果可为进一步评估HEMPE3对电力系统稳定性的影响提供重要依据。

地磁感应电流(GIC)的作用与评估

地磁感应电流(GIC)可能对各种人工长距离导电体造成影响与危害.地磁扰动产生的感应电场的强度与地磁场强度、地下电阻率结构相关,在导电系统内生成的GIC的强度则同时与导电系统的内在结构有关.计算了加拿大Manitoba省三个典型地区在2000年7月15日的一个强烈磁暴期间产生的感应电场.通过对地磁活动性的统计分析,估计加拿大魁北克电网可能经受的最大GIC达每相78A(一年一次)和234A(每十年一次).

基于磁流体力学模型与模型预测控制的地磁暴期间超高压、特高压电网电压波动平抑优化调度

地磁暴期间,电网中的变压器受到地磁感应电流(GIC)影响而导致无功损耗会显著增大,这种不确定的、突发群发的无功扰动会引发电网电压波动。超高压、特高压电网由于其特殊的电气特性更容易受到地磁暴的侵害,造成电压跌落至不合格区间甚至引发电压崩溃而导致大规模停电。该文以地球三维磁流体力学(MHD)模型预测的地磁扰动(GMD)为基础,采用模型预测控制(MPC)方法修正MHD模型计算的无功扰动并调整可控主导节点的注入功率进行优化调度,平抑地磁暴期间超高压、特高压电网电压波动。该文还以华东超高压、特高压电网为算例,仿真对比了特大地磁暴发生期间电网实施优化调度前后的电压波动,并提出了波动率指标验证了所提方法的有效性,为保证地磁暴期间的电压稳定性和合格率提供了指导。

基于行星际太阳风信息和三维磁流体力学模型预测电网GIC的计算方法

准确预测或预报地磁暴在电网中产生的地磁感应电流(geomagnetically induced current,GIC),对在电力系统调度运行中采取措施防御地磁暴电网灾害具有重要的意义。以行星际太阳风参数和观测数据为基础,提出基于行星际太阳风信息和三维磁流体力学(magnetohydrodynamics,MHD)模型评估电离层电流体系的算法,电离层电流计算地磁扰动(geomagnetic disturbance,GMD)以及GMD计算电网GIC的算法,以对电网GIC进行预测。算例的计算结果表明,所提基于行星际太阳风、电离层电流、GMD因果链体系以及观测数据和计算数据预测电网GIC算法具有比较高的精度,能有效量化评估灾害性地磁暴事件的影响程度,满足电网灾害性事件的预测和预警的需要。

电力变压器的GIC-Q损耗算法的研究综述

地磁感应电流（GIC）引起的电力变压器直流偏磁在全球的电网中几乎同时发生,GIC直流偏磁次生的全网变压器无功损耗同时增大可能导致电网电压不稳定,研究电网中各种变压器GIC无功（GIC-Q）损耗的算法是认识GIC-Q危害以及防治地磁暴电网灾害的基本手段之一。根据我国特高压大电网地磁暴灾害防御研究的需要,从变压器GIC-Q损耗工程算法和理论算法2方面,综述了国内外高压及超高压变压器GIC-Q损耗的算法及其研究进展,分析了我国单相四柱式和五柱式特高压变压器GIC-Q损耗工程算法和理论算法的研究需求,提出了特高压变压器GIC-Q损耗计算以及大规模电网GIC-Q计算上需要研究解决的问题。

基于粒子群优化算法的电网GIC-Q多目标优化策略

地磁感应电流(GIC)流经变压器绕组会产生直流偏磁现象,造成变压器无功损耗增加,破坏电网无功平衡,影响电网安全稳定运行。为了有效地抑制GIC对电网的不良影响,以无功补偿设备成本和电压偏移量最小为目标,提出一种基于粒子群优化算法的多目标无功优化策略,保证地磁场扰动下电网无功平衡。所提策略利用小生境共享机制不断更新粒子位置,并依据拥挤距离排序对Pareto最优解进行存档,保持解的多样性和均匀性;引入混沌变异避免陷入局部最优解,同时提高全局搜索能力。GIC标准算例的仿真结果验证了所提策略的准确性和有效性。

基于U-I曲线的单相自耦变GIC无功损耗算法

准确计算整个电网的地磁感应电流(GIC)无功扰动非常困难。针对超特高压电网广泛采用的单相自耦变压器,提出了一种基于变压器U-I曲线和铭牌参数计算变压器GIC无功损耗的方法,算法利用厂家提供的U-I曲线和铭牌参数建立ψ-i曲线解析模型,求取变压器的GIC无功扰动增量,适用于地磁暴影响评估的工程计算。算例分析结果验证了算法的有效性。

多次磁暴下特高压电网GIC统计规律研究

探明灾害性地磁感应电流(geomagnetically induced currents,GIC)在电网中的分布特征对于准确评估极端空间天气风险具有重要意义。该文依据Dst指数选取多次强磁暴数据,分别计算三华地区感应地电场和特高压(ultra-highvoltage,UHV)规划电网各变电站的GIC,再以这些计算值作为样本数据,通过各变电站GIC贡献率P、回归系数G以及概率分布参数a描述电网GIC的空间分布;参考可决系数R,得出地电场和GIC的概率分布模型,并据此预测各节点三相GIC的"百年一遇"值。结果表明,感应地电场符合对数正态分布,电网节点GIC符合韦伯分布;统计结果可反映电网遭受磁暴侵害的严重程度,为进一步评估电网GIC风险、制定合理的防治措施提供依据。

GIC作用下换流变压器饱和特性的仿真研究

地磁感应电流(GIC)通过中性点侵入换流变压器时,会使处于额定工作状态的变压器铁心偏磁饱和,使得变压器励磁电流畸变,从而产生大量谐波及较大的无功损耗,导致变压器损坏或降低使用寿命,严重时甚至引起系统电压降低、系统继电保护误动作。文章基于UMEC磁路模型建立了用于GIC问题分析的换流变压器模型;并利用该模型在PSCAD/EMTDC中进行仿真计算,详细地分析了在GIC作用下换流变压器励磁电流的谐波特性、换流变压器网侧和阀侧谐波特性及无功损耗特性;最后提出了GIC影响下换流变压器抑制直流偏磁的方法并进行了分析比较。

基于分层大地电导率模型的电网GIC算法研究

磁暴在电网感应的地磁感应电流(Geomagnetically Induced Current,简称GIC)与磁暴强度、大地构造和电网结构等因素有关,不同深度大地电导率的差异对GIC影响很大。根据电网GIC产生过程,建立了基于分层大地波阻抗的构造模型,推导了地面波阻抗的迭代公式和地电场与地磁场的关系式,得到了基于平面波理论的大地感应电场算法,给出了该算法的实现过程和电网GIC的计算流程。根据2006年12月磁暴数据,计算了阳-淮输电系统的GIC水平。计算结果与实测数据对比表明,模型和算法是有效的,并且有精度高、计算简单等优点。

变压器中性点配置小电阻器对治理电网GIC的效果分析

地磁感应电流(geomagnetically induced currents,GIC)引起变压器半波饱和对电力系统的安全运行产生不利影响,甚至引发大面积停电事故。为了有效治理GIC对大规模电力系统的不良影响,提出变压器中性点配置小电阻器减轻电网GIC的解决思路,同时结合甘肃省750/330kV电网GIC相互作用及中低纬地区地磁暴的特点,给出10种不同的组合治理方案。制定了评价电网GIC水平的4个指标,并对上述10种方案的治理效果进行了评估。结果表明750/330k V双电压等级电网GIC治理难度较大,特别是GIC高风险节点的抑制,配置不当会使治理效果恶化,同时,750kV变电站中性点配置小电阻器抑制GIC较330kV变电站的作用大,且在电网末端750kV变电站配置小电阻器抑制电网GIC的效果较明显,可使GIC的最大值降低30%。研究结果希望为电网GIC治理提供理论基础和技术支撑。

黑龙江500kV电网GIC水平评估

针对黑龙江省2011年末500 kV规划电网,利用平面波法和网络常数,计算了在中等强度地磁暴作用下黑龙江省500 kV各个变电站的GIC值,并进行了分析。结果表明GIC对黑龙江电网的影响是必然存在的,并且对某几个变电站的影响很大,会严重影响电网的安全稳定运行。

基于灵敏度分析法的电网GIC优化治理

针对电网地磁感应电流(GIC)对电网安全稳定运行潜在的威胁问题,阐述了电网GIC模型,提出了灵敏度分析法,并以整个电网所有变电站接地电流不超标为目标,采用灵敏度分析法对变压器中性点串接电阻方案进行优化,给出了黑龙江省2011年末500 kV规划电网的GIC优化结果,验证了此优化治理措施的有效性和可行性。

高铁轨道电路的GIC监测与防护

高铁轨道电路属于低压弱电系统。率先通过在河南鹤壁东牵引变电站中安装霍尔电流传感器,监测到并证实了地磁暴发生后,流入高铁轨道电路中地磁感应电流(GIC)的存在。利用Simulink软件仿真分析了GIC对高铁轨道电路的干扰,结果表明:在钢轨中流通的1.5 A不对称GIC将导致轨道继电器失压落下,造成铁路信号灯闪红。最后提出在相邻区段轨道电路中的扼流变压器牵引线圈中点连接线上加装电容器,来抑制GIC对高铁轨道电路的侵害,确保高铁安全运营。

潮汐地电场对电网GIC计算的影响研究

当前电网地磁感应电流(geomagnetically induced current,GIC)的计算值同实测值之间存在巨大误差,影响地磁暴下GIC的防护工作实施。为获取误差产生的根源,结合GIC和感应地电场的形成机理,提出潮汐地电场(tidal geoelectrical field,TGF)是造成GIC计算误差的重要影响因子。给出了TGF作用电网的可行性求解方法,并推导了GIC在地心坐标系计算中的数学表达式。最后,以甘肃兰州地区为研究对象,通过建立局部电网直流等效模型,采用数值仿真方法计算了TGF引起的电网GIC水平。与同地区其他文献计算结果对比,TGF单独作用下产生的GIC数值最大占比地磁暴期间GIC计算值的18.8%,因此后续进行GIC的求解与分析时,必须考虑TGF的影响。

GIC频率变化对变压器偏磁程度的影响

近年来随着我国电网电压等级的升高，电网规模的扩大，地磁活动引起的电网异常现象引起了人们的关注。对于频率一般为0.1~0.001Hz 的地磁感应电流，电网计算模型采用直流等效原则，即地面感应电势等效为直流电源，系统元件等效为电阻，忽略电感。但地磁感应电流频率的变化影响变压器的偏磁程度，从而影响地磁感应电流计算的精确度。采用时域场路耦合法，建立变压器模型，利用磁场模型计算动态电感，电路模型求解电流，分析不同频率下变压器动态电感和励磁电流的数值波形，确定其偏磁程度。结果表明，当中性点之间的地面感应电势（ESP）一定时，频率为0.1~0.002Hz 时变压器并未饱和，GIC 若按照直流计算存在不同程度的误差，频率越低误差越小；频率低于0.002Hz 时变压器饱和，可按直流进行计算。

基于超定线性方程组模型的电网GIC计算方法研究

为提高电网地磁感应电流(Geomagnetically Induced Current)GIC的计算精度,提出了基于超定线性方程组模型的电网GIC计算方法。该方法充分利用已测量到的GIC数据,将实测数据建立的附加方程与理论计算模型结合起来对GIC进行计算和评估。推导了回路电流法和节点电压法的超定线性方程组模型,并使用最小二乘法对所得到的超定线性方程组数学模型进行求解从而得到流过变压器中性点的GIC。通过六网孔网络阻抗模型的算例对此方法进行了验证,并与传统模型方法的计算结果进行了比较,比较结果证明此方法简单实用,精度较高,更加切近实际,尤其在受现实条件限制而无法获取准确原始数据的条件下,更能体现出此方法的优越性。