太阳风暴是怎样摧毁高压电网的？
1859年9月，费城和波士顿的电报操作员惊奇的发现，平时需要电池供电才能工作的电报线路，居然在断开电池后也能工作。130年后的3月13日，同一种的神秘电流摧毁了加拿大魁北克省的高压输电网络。600万当地居民丧失了供电，度过了寒冷而黑暗的9个小时，造成了高达数千万美元的经济损失。现在，我们已经越来越清楚的认识到，这种神秘电流来源于地球磁场的猛烈颤抖，背后元凶竞是太空中的太阳风暴。
神秘电流从哪里来？
地球磁场不但能让我们用指南针分辨方向，还是地球的保护盾，使地球免受银河宇宙线粒子和平静太阳风粒子的直接轰击。然而，就像我们在地面上时常会遇到暴风雨这类的坏天气一样，太阳有时也会爆发剧烈的太阳风暴，将炙热的等离子体和强磁场射向地球。
如果没有太阳风的存在，地球磁场的形态本应是偶极形的，与一根条状磁铁的磁场形态类似（如上图）。平时，在平静太阳风的吹拂下，地球磁场朝向太阳的那边（一般称为日侧）被压缩，背向太阳的那端（一般称为夜侧）拉出一条长长的尾巴，形成了地球磁层（如下图）。
在太阳风磁场与地球磁场方向相同时，地球磁场能有效的抵挡太阳风的入侵。但在二者方向相反时，则会产生磁场重联，地球磁场则会被一层一层的的剥开。原来连接地球南、北磁极的磁力线被切断，并和太阳风中的磁力线相连。此时，一部分太阳风粒子就可以顺着新形成的磁力线到达南北极，形成绚烂的极光。同时，在太阳风流的带动下，新形成的磁力线被输送到地球尾部，并在那里重新成为地球磁层的一部分。这个过程，是地球磁场在较短时间内发生变化的主要原因。在太阳风比较平静时，这个过程不会在短时间内连续发生，因此地磁场变化也相对较小。然而，当太阳风暴发生时，大量的高速等离子体携带着磁场喷发出来。在它吹袭地球的时间里，地球磁场被剥离和输送的过程持续进行，地磁场也会发生剧烈的变化。
法拉第电磁感应定律告诉我们，变化的磁场能产生电场，而毕奥-萨伐尔定律表明，变化的电场又能产生电流。磁暴时，剧烈变化的地磁场会在高空中产生电流。这些电流充当了磁场变化“二传手”的角色，再感应出变化磁场，在地面、长距离高压输电线、变压器接地点组成的回路中产生电流。这便是地磁感应电流（GeomagneticallyInduced Current，简称 GIC）的由来。在大磁暴时，输电网络中产生的GIC几十到几百安培。
GIC如何影响输电网络
在郊外常能看到架设在铁塔上的高压输电线。它们是电能的“高速公路”，将电能长距离输送。为了减少输电中因为导线发热而造成的损失，长距离输电一般采用200-700kV（千伏特）的高电压以降低电流，同时尽量减少输电线的电阻。然而，这些措施却为GIC危害电网运行创造了有利条件。GIC不能被导线的电阻耗散掉，可以直接攻击电网中最薄弱的环节：变压器。
GIC的变化频率一般为0.0001-0.1Hz，相对于交流电50或60Hz的频率来说，可以被视为近似的直流电（准直流）。相对于高压输电线路中上千安培的电流，GIC几十到几百安培的电流并不十分强。然而，它却可以在高压电网变压器的铁芯中产生直流偏置磁通，使变压器发生半波饱和，进而使变压器的励磁电流增大、谐波电流增加。这个过程所引起的无功变化和产生的高次谐波会使电网产生电压波动、继电器保护误动和静止无功补偿器跳闸，对电网运行造成威胁。2003年万圣节期间爆发的太阳风暴袭击地球时，产生的地磁暴导致了瑞典马尔默地区的大停电。一条130kV高压输电线路的变压器因GIC而发生半波饱和，导致五万多家庭停电一个小时。1989年的魁北克大停电，也是这样产生的。同时，变压器半波饱和时，变压器的铁心磁导率减小，本来应该在铁芯中变化成电能的磁能从铁芯中漏出，进入变压器的金属构件中，造成变压器器件功能的损耗和温度的增加，对变压器安全造成不利影响。在造成魁北克大停电的地磁暴发生过程中，美国新泽西州核电站一台高压变压器由于绕组导线过热而被烧毁（下图）。1992年的地磁暴中，Allegheny电力公司的一台高压变压器油箱壁温度在10分钟内升高了115度。
在磁暴发生时，高空电流在靠近南、北极的地区更强，在靠近赤道的地方更弱。同时，地磁场的北极与地理北极不重合，更靠近北美地区，因此美国、加拿大与我国处于同一地理纬度的地区，受GIC的威胁更大。但在较大的磁暴发生时，磁纬度较低的地方也可能受到影响。我国江苏和浙江500kV电网曾多次发现GIC引起的变压器噪声增大事件。在2005-2006年间，我国广东岭澳核电站曾经多次发现几十安培的GIC。一次或几次磁暴的GIC可能不足以立即摧毁电网中的变压器，但其累积效应可能最终会导致变压器故障或永久损坏。研究表明美国受GIC影响较为严重的地区，其电网变压器的故障率要比受GIC影响较小的地区高60%。
如何避免GIC造成的大停电
GIC的产生源于地磁暴，人类目前无力对抗能量和尺度如此巨大的自然现象，只能在GIC产生时设法降低其对电网的损害，避免大停电的发生。GIC对电网影响的作用点在变压器上，因此主要的防护措施也在变压器上实施。交流电流可以通过电容器，但直流电流却不能。因此，在交流电网中安装电容器，可以阻止准直流的GIC传输。目前，加拿大电网采用的方法是在交流变压器的中性点上安装电容，也有研究试验了在输电线路中串联电容的可行性。而芬兰电网则在一些变压器的中性点安装了中性点接地电阻，利用电阻消耗GIC。我国电网部门则研发了反向电流补偿法，在GIC产生时加入与其方向相反的直流电流，以抵消GIC的影响。
犹如防范台风时，要依靠准确的台风预报一样，防范GIC同样需要准确的空间天气预报。如果我们能在太阳风暴在太阳上产生时，就能尽可能的赶在它袭击地球前，预报出太阳风暴是否会吹袭地球、什么时间会吹袭地球、吹袭地球后产生的磁暴有多剧烈，我们就能更准确的对GIC进行防御措施
【参考内容】
大型电力变压器的GIC影响效应研究，张冰，华北电力大学博士学位论文，2010。
H. Lundstedt. The sun, space weather and GIC effects in Sweden. Advances in Space Research, 2006, 37: 1182
太阳风暴对四川500kV电网影响的评估，高压电技术，2010，36：2849
- 发表于 2015-09-06 00:00
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