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地磁感應(yīng)電流（Geomagnetically Induced Current, GIC）是地磁場發(fā)生強(qiáng)烈擾動（磁暴）時的強(qiáng)感應(yīng)電場在導(dǎo)電體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，持續(xù)時間為幾秒到幾小時。由于GIC的頻率小于0.01Hz，對變壓器而言，可將其視為緩慢變化的直流，故與高壓直流輸電引起的變壓器直流偏磁現(xiàn)象類似。

GIC在變壓器中的流動會導(dǎo)致鐵心半周飽和及漏磁增大，引起變壓器金屬構(gòu)件的渦流損耗增加，在一定條件下有可能會使變壓器內(nèi)部的局部溫升超過允許的限制。而溫度是影響變壓器壽命的關(guān)鍵因素之一，即變壓器的溫度越大，其預(yù)期壽命就會越短，有必要準(zhǔn)確掌握GIC作用下變壓器的溫升特性，提高其運(yùn)行可靠性。

GIC通常多發(fā)于高緯度地區(qū)，國內(nèi)外研究者分別從GIC電流水平監(jiān)測及其對電力系統(tǒng)的影響、GIC對電力變壓器的勵磁電流、無功損耗、振動、噪聲、溫升等的影響及抑制策略等方面進(jìn)行了若干研究。但是，現(xiàn)有研究大都對變壓器空載運(yùn)行下的損耗進(jìn)行計(jì)算分析，對受GIC影響的變壓器溫升特性的研究尚不多見，且實(shí)際GIC為低至中等水平直流下伴隨一些短時間內(nèi)較高的峰值，其對變壓器溫升特性的影響程度尚不清楚，需要進(jìn)一步研究。

我國雖處于中低緯度地區(qū)，但隨著太陽活動的增強(qiáng)及我國超/特高壓輸電工程的快速發(fā)展，GIC對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的威脅也越來越大。

為進(jìn)一步理解和掌握GIC作用下的變壓器溫升特性，上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院、上海交通大學(xué)電氣工程系的研究人員朱濤、王豐華，在2022年第8期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，通過建立某500kV三相共體油浸式電力變壓器的電磁-流熱場耦合三維仿真模型，計(jì)算變壓器滿負(fù)載運(yùn)行及不同GIC作用下其內(nèi)部構(gòu)件的損耗密度和溫度場分布，并依據(jù)IEEE C57.163標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算GIC作用下變壓器內(nèi)部構(gòu)件的動態(tài)溫升曲線。他們據(jù)此分析了評估變壓器的GIC耐受能力，并給出降低變壓器GIC溫升的防范措施建議，為大型主變壓器的安全可靠運(yùn)行提供參考。

圖1 電磁-流熱場耦合計(jì)算過程

研究人員指出，在滿負(fù)載運(yùn)行工況下計(jì)算變壓器各部件的損耗和繞組熱點(diǎn)溫升，與設(shè)計(jì)值吻合較好，誤差在±3.5%以內(nèi)，驗(yàn)證了本分析方法的有效性。他們同時發(fā)現(xiàn)，變壓器在GIC作用下，夾件、拉板等雜散損耗增加明顯且隨直流偏磁程度增加而增大，局部損耗密度遠(yuǎn)大于整體損耗密度，大直流的注入不僅會引起繞組渦流損耗的增加還會導(dǎo)致直流電阻損耗明顯增大，進(jìn)而引起繞組整體特別是端部熱點(diǎn)溫度升高。

另外，在不同GIC事件作用下的變壓器溫升仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該變壓器在GIC水平為100A時依舊有足夠的耐受能力但已接近允許限值，其中在主柱拉板的局部溫升最為嚴(yán)重。

研究人員表示，由溫升結(jié)果可見，GIC對變壓器的影響具有短時和溫升劇烈的特點(diǎn)，即使變壓器具有足夠的抗GIC干擾的能力，但變壓器的累積效應(yīng)會加速其老化，甚至發(fā)生故障和損壞，為降低GIC引起變壓器局部過熱，優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)，可采用以下防范措施：

（1）因GIC引起變壓器渦流損耗的嚴(yán)重增加是變壓器溫升的主要原因，故可以通過改善變壓器構(gòu)件的結(jié)構(gòu)或材料進(jìn)行防范，繞組線圈導(dǎo)線采用逐層換位式連接；拉板、夾件等結(jié)構(gòu)件適當(dāng)開槽或采用非導(dǎo)磁性材料；對于高漏磁區(qū)域（如夾件和拉板的連接處）的局部過熱問題，可通過在局部加設(shè)磁屏蔽來降低局部渦流損耗值。

（2）GIC引起變壓器漏磁增加的原因是變壓器鐵心磁通半波飽和，因此對于直流偏磁或GIC高發(fā)地區(qū)，在變壓器制造過程中建議采用高導(dǎo)磁材料鐵心，通過增加鐵心飽和裕度來提高變壓器GIC電流的耐受閾值。若條件允許，也可在變壓器內(nèi)部安裝補(bǔ)償繞組，當(dāng)檢測到GIC流入到變壓器繞組時，使補(bǔ)償繞組產(chǎn)生反向直流磁動勢來抵消GIC產(chǎn)生的磁動勢，從而降低鐵心的飽和程度。

（3）對運(yùn)行中的變壓器來說，針對GIC主要通過中性點(diǎn)侵入變壓器進(jìn)而對其造成威脅，可在變壓器中性點(diǎn)采用相關(guān)直流偏磁抑制措施，如在中性點(diǎn)串接小電阻、電容器等，或者在中性點(diǎn)安裝反向補(bǔ)償裝置，根據(jù)檢測到的GIC脈沖電流，自動向變壓器中性點(diǎn)注入與GIC大小相同的反向直流電流。

本文編自2022年第8期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“地磁感應(yīng)電流作用下大型變壓器的溫升特性計(jì)算”。第一作者為朱濤，1995年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ψ儔浩髦绷髌拧⒆儔浩鳒囟葓觥Ｍㄓ嵶髡邽橥踟S華，1973年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ψ儔浩髡衤暠O(jiān)測及裝備智能化、電力變壓器直流偏磁、電力系統(tǒng)接地技術(shù)等。