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新型电力系统要“不惧”强电磁脉冲威胁

作者:邱爱慈 蔡汉生 李俊娜 来源:中国能源报 发布时间:2021-08-04 浏览:
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在新型电力系统构建中,电力电子器件将得到更大范围应用,电力装备之间、电力装备与系统之间的互动将进一步加强,电力装备智能化水平将进一步提升,设备一二次融合趋势将更加明显,电网调度运行对整个系统可观、可测和可控的要求更高,对二次设备、传感器件、通讯系统和数字化装置等弱电系统的依赖性也更强。同时,发电设备分布将由集中式向分布式转变,点多面广,且直接暴露在外,缺少构筑物的有效保护……未来电力系统特点决定了其在面对外部强电磁脉冲冲击时的脆弱性远比传统电力系统严重,因此,有效应对强电磁脉冲威胁是新型电力系统构建及其安全稳定运行的重要内容。

高空电磁脉冲威胁最大

强电磁脉冲主要指电场强度大于1kV/m的瞬态电磁辐射,自然雷电放电、高功率微波及核武器爆炸都会产生各具特征的强电磁脉冲,其中以高空电磁脉冲(HEMP)威胁最大。HEMP幅值陡度高,瞬态电场幅值在10 kV/m量级,上升沿为ns(纳秒)级,远超目前行业标准对相同频段范围内电气设备电磁兼容限值10V/m的要求;持续时间长,可达上百秒;能量分布频段宽,频率分布在0.01Hz-300MHz;影响半径大,达上千公里;空间衰减小等。因此,传统浪涌保护器件对其防护作用有限。

HEMP兼具多种电磁环境特点,一个完整HEMP过程包含早期环境、中期环境和晚期环境三个连续阶段,三个阶段存在协同效应且顺序传递,每一个阶段都足以引起扰动,并使大量元器件功能失效和设备损坏。

在早期环境阶段,HEMP主要通过孔缝/线缆耦合、天线耦合、介质材料穿透等方式将电磁能量传递到电力电子器件、电子器件内部,造成设备损坏,引发系统故障或瘫痪。未来新型电力系统中的电源将以风电和光伏为主,早期环境阶段HEMP主要通过耦合方式对新型电力系统中的风电整流系统、光伏逆变系统和电池储能系统产生损坏,同时对电网调度控制中心、枢纽变电站二次保护控制设备、智能化配电网和配电网电力设备等造成不可逆转的损伤甚至烧毁。

在中期环境阶段,HEMP频谱与雷电电磁脉冲频谱范围类似,当风电和光伏经过HEMP早期环境阶段破坏后,即使峰值强度比雷电小很多的中期环境阶段,仍会对风电和光伏产生严重威胁。

在晚期环境阶段,HEMP作用机理与地磁暴类似,但电场强度比特大及以上等级的地磁暴大一个数量级,其主要是与长度100 km 量级的接地导体回路耦合,如高压输电线路,在电力系统内部产生高达1000 A近似直流的地磁感应电流,频率在0.001-0.1 Hz,威胁大型变压器、断路器及互感器等关键设备运行。以变压器为例,当变压器流过地磁感应电流时,将使电力系统中大量分布式风光发电并网用升压变压器发生直流偏磁,造成变压器局部过热、振动、噪声加剧,其机械性能及抗短路性能下降甚至故障,进一步引发更大的电网事故。

需进一步明确技术路线

电力系统作为国家关键基础设施,已成为HEMP冲击的重要目标。HEMP的早期阶段、中期阶段和晚期阶段均会对新型电力系统带来威胁,影响新型电力系统全域感知网络及可观、可测、可控等功能。同时,风电机组和光伏电站大量损坏将影响电力可靠供应。此外,HEMP对电网调度控制中心及电力系统中的关键基础设施设备造成损坏,最终将引发大面积停电事故。因此,要对HEMP机理和对电力系统的影响有足够的重视。国外发达国家高度重视强电磁脉冲对电网等基础设施的影响,自20世纪60年代起就对HEMP的作用机理、装置、风险模拟评估等方面开展了大量研究。

相比之下,国内在该领域的认识及研究起步较晚,目前仍处于前期探索阶段。2013 年初,西安交通大学研究团队开始关注基础设施电磁安全问题,先后在中国工程院重点、重大咨询项目的支持下,以电力系统为重点,研究关键基础设施面临的电磁脉冲威胁和应对策略,提出将关键基础设施的电磁脉冲防御研究列入国家重点研发计划,分行业建设国家电磁脉冲防护研究中心等建议。此外,相关高校与研究机构也先后分别开展过高空强电磁脉冲敏感性和易损性初步研究工作。

近年来,随着非传统领域安全问题凸显,关键基础设施强电磁脉冲防御方面的研究工作也日益得到政府的高度重视,目前在行业内尚处达成共识阶段,需进一步明确技术路线,尽快开展具体研究工作。

安全防护研究可从设备、站级、系统层面依次开展

强电磁脉冲环境下的新型电力系统安全防护是一个系统性工程,需建立一支跨专业、多学科融合的研究队伍,并分阶段、分层分级开展相关研究工作:

第一阶段要聚焦设备层面,重点加强基础平台建设研究,构建强电磁脉冲环境模拟试验平台和二次设备过电压保护建模仿真平台,研究开发能有效应对强电磁脉冲威胁的过压保护材料和保护器件,发展以效应特征为导向的电力设备试验和测试方法,研究损伤效应机理和耐受阈值,梳理易损关键设备及其损伤概率和风险等级;

第二阶段要聚焦站级层面,重点开展变电站/换流站内强电磁脉冲传播路径、危害机理、风险评估与薄弱环节识别技术研究,优化强电磁脉冲作用下变电站/换流站二次系统浪涌保护方案,提出能有效应对强电磁脉冲威胁的新型电力系统变电站/换流站的设计规范、新型电力系统关键节点变电站的重点加固与恢复方案,完成示范变电站建设及现场试验验证;

第三阶段要聚焦系统层面,开展系统级数字仿真,强化保底电网规划建设,研究新型电力系统面对HEMP冲击的实时监测、在线风险评估、精细化预警技术原理,提升系统风险感知能力,建立HEMP下的新型电力系统评价指标体系,指导新型电力系统规划及运行。

如前所述,积极推进新型电力系统应对强电磁脉冲威胁的防御体系建设,既是坚持底线思维、落实总体国家安全观的内在要求,也是提高我国新型电力系统可靠性、建设本质安全型电网的必然选择。在新型电力系统建设伊始,同步开展强电磁脉冲环境下的安全防护关键技术研究,适时且必要。

  (邱爱慈系中国工程院院士、西安交通大学教授;蔡汉生系南方电网公司高级技术专家、南网科研院高电压技术研究所研究员;李俊娜系西安交通大学高级工程师)

关键字:新型电力系统

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