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地磁感應電流（Geomagnetically Induced Current, GIC）是地磁場發生強烈擾動（磁暴）時的強感應電場在導電體內產生的感應電流，持續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象類似。

GIC在變壓器中的流動會導致鐵心半周飽和及漏磁增大，引起變壓器金屬構件的渦流損耗增加，在一定條件下有可能會使變壓器內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鍵因素之一，即變壓器的溫度越大，其預期壽命就會越短，有必要準確掌握GIC作用下變壓器的溫升特性，提高其運行可靠性。

GIC通常多發于高緯度地區，國內外研究者分別從GIC電流水平監測及其對電力系統的影響、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行了若干研究。但是，現有研究大都對變壓器空載運行下的損耗進行計算分析，對受GIC影響的變壓器溫升特性的研究尚不多見，且實際GIC為低至中等水平直流下伴隨一些短時間內較高的峰值，其對變壓器溫升特性的影響程度尚不清楚，需要進一步研究。

我國雖處于中低緯度地區，但隨著太陽活動的增強及我國超/特高壓輸電工程的快速發展，GIC對電力系統安全穩定運行的威脅也越來越大。

為進一步理解和掌握GIC作用下的變壓器溫升特性，上海電力大學電氣工程學院、上海交通大學電氣工程系的研究人員朱濤、王豐華，在2022年第8期《電工技術學報》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，計算變壓器滿負載運行及不同GIC作用下其內部構件的損耗密度和溫度場分布，并依據IEEE C57.163標準，計算GIC作用下變壓器內部構件的動態溫升曲線。他們據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行提供參考。

圖1 電磁-流熱場耦合計算過程

研究人員指出，在滿負載運行工況下計算變壓器各部件的損耗和繞組熱點溫升，與設計值吻合較好，誤差在±3.5%以內，驗證了本分析方法的有效性。他們同時發現，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致直流電阻損耗明顯增大，進而引起繞組整體特別是端部熱點溫度升高。

另外，在不同GIC事件作用下的變壓器溫升仿真結果發現，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重。

研究人員表示，由溫升結果可見，GIC對變壓器的影響具有短時和溫升劇烈的特點，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會加速其老化，甚至發生故障和損壞，為降低GIC引起變壓器局部過熱，優化變壓器設計，可采用以下防范措施：

（1）因GIC引起變壓器渦流損耗的嚴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件的結構或材料進行防范，繞組線圈導線采用逐層換位式連接；拉板、夾件等結構件適當開槽或采用非導磁性材料；對于高漏磁區域（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高發地區，在變壓器制造過程中建議采用高導磁材料鐵心，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，也可在變壓器內部安裝補償繞組，當檢測到GIC流入到變壓器繞組時，使補償繞組產生反向直流磁動勢來抵消GIC產生的磁動勢，從而降低鐵心的飽和程度。

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

本文編自2022年第8期《電工技術學報》，論文標題為“地磁感應電流作用下大型變壓器的溫升特性計算”。第一作者為朱濤，1995年生，碩士研究生，研究方向為電力變壓器直流偏磁、變壓器溫度場。通訊作者為王豐華，1973年生，博士，副教授，研究方向為電力變壓器振聲監測及裝備智能化、電力變壓器直流偏磁、電力系統接地技術等。