太陽風暴是怎樣摧毀高壓電網的？

1859年9月，費城和波士頓的電報操作員驚奇的發現，平時需要電池供電才能工作的電報線路，居然在斷開電池后也能工作。130年后的3月13日，同一種的神秘電流摧毀了加拿大魁北克省的高壓輸電網絡。600萬當地居民喪失了供電，度過了寒冷而黑暗的9個小時，造成了高達數千萬美元的經濟損失。現在，我們已經越來越清楚的認識到，這種神秘電流來源于地球磁場的猛烈顫抖，背后元兇競是太空中的太陽風暴。

神秘電流從哪里來？

地球磁場不但能讓我們用指南針分辨方向，還是地球的保護盾，使地球免受銀河宇宙線粒子和平靜太陽風粒子的直接轟擊。然而，就像我們在地面上時常會遇到暴風雨這類的壞天氣一樣，太陽有時也會爆發劇烈的太陽風暴，將炙熱的等離子體和強磁場射向地球。

如果沒有太陽風的存在，地球磁場的形態本應是偶極形的，與一根條狀磁鐵的磁場形態類似（如上圖）。平時，在平靜太陽風的吹拂下，地球磁場朝向太陽的那邊（一般稱為日側）被壓縮，背向太陽的那端（一般稱為夜側）拉出一條長長的尾巴，形成了地球磁層（如下圖）。

在太陽風磁場與地球磁場方向相同時，地球磁場能有效的抵擋太陽風的入侵。但在二者方向相反時，則會產生磁場重聯，地球磁場則會被一層一層的的剝開。原來連接地球南、北磁極的磁力線被切斷，并和太陽風中的磁力線相連。此時，一部分太陽風粒子就可以順著新形成的磁力線到達南北極，形成絢爛的極光。同時，在太陽風流的帶動下，新形成的磁力線被輸送到地球尾部，并在那里重新成為地球磁層的一部分。這個過程，是地球磁場在較短時間內發生變化的主要原因。在太陽風比較平靜時，這個過程不會在短時間內連續發生，因此地磁場變化也相對較小。然而，當太陽風暴發生時，大量的高速等離子體攜帶著磁場噴發出來。在它吹襲地球的時間里，地球磁場被剝離和輸送的過程持續進行，地磁場也會發生劇烈的變化。

法拉第電磁感應定律告訴我們，變化的磁場能產生電場，而畢奧-薩伐爾定律表明，變化的電場又能產生電流。磁暴時，劇烈變化的地磁場會在高空中產生電流。這些電流充當了磁場變化“二傳手”的角色，再感應出變化磁場，在地面、長距離高壓輸電線、變壓器接地點組成的回路中產生電流。這便是地磁感應電流（GeomagneticallyInduced Current，簡稱 GIC）的由來。在大磁暴時，輸電網絡中產生的GIC幾十到幾百安培。

GIC如何影響輸電網絡

在郊外常能看到架設在鐵塔上的高壓輸電線。它們是電能的“高速公路”，將電能長距離輸送。為了減少輸電中因為導線發熱而造成的損失，長距離輸電一般采用200-700kV（千伏特）的高電壓以降低電流，同時盡量減少輸電線的電阻。然而，這些措施卻為GIC危害電網運行創造了有利條件。GIC不能被導線的電阻耗散掉，可以直接攻擊電網中最薄弱的環節：變壓器。

GIC的變化頻率一般為0.0001-0.1Hz，相對于交流電50或60Hz的頻率來說，可以被視為近似的直流電（準直流）。相對于高壓輸電線路中上千安培的電流，GIC幾十到幾百安培的電流并不十分強。然而，它卻可以在高壓電網變壓器的鐵芯中產生直流偏置磁通，使變壓器發生半波飽和，進而使變壓器的勵磁電流增大、諧波電流增加。這個過程所引起的無功變化和產生的高次諧波會使電網產生電壓波動、繼電器保護誤動和靜止無功補償器跳閘，對電網運行造成威脅。2003年萬圣節期間爆發的太陽風暴襲擊地球時，產生的地磁暴導致了瑞典馬爾默地區的大停電。一條130kV高壓輸電線路的變壓器因GIC而發生半波飽和，導致五萬多家庭停電一個小時。1989年的魁北克大停電，也是這樣產生的。同時，變壓器半波飽和時，變壓器的鐵心磁導率減小，本來應該在鐵芯中變化成電能的磁能從鐵芯中漏出，進入變壓器的金屬構件中，造成變壓器器件功能的損耗和溫度的增加，對變壓器安全造成不利影響。在造成魁北克大停電的地磁暴發生過程中，美國新澤西州核電站一臺高壓變壓器由于繞組導線過熱而被燒毀（下圖）。1992年的地磁暴中，Allegheny電力公司的一臺高壓變壓器油箱壁溫度在10分鐘內升高了115度。

在磁暴發生時，高空電流在靠近南、北極的地區更強，在靠近赤道的地方更弱。同時，地磁場的北極與地理北極不重合，更靠近北美地區，因此美國、加拿大與我國處于同一地理緯度的地區，受GIC的威脅更大。但在較大的磁暴發生時，磁緯度較低的地方也可能受到影響。我國江蘇和浙江500kV電網曾多次發現GIC引起的變壓器噪聲增大事件。在2005-2006年間，我國廣東嶺澳核電站曾經多次發現幾十安培的GIC。一次或幾次磁暴的GIC可能不足以立即摧毀電網中的變壓器，但其累積效應可能最終會導致變壓器故障或永久損壞。研究表明美國受GIC影響較為嚴重的地區，其電網變壓器的故障率要比受GIC影響較小的地區高60%。

如何避免GIC造成的大停電

GIC的產生源于地磁暴，人類目前無力對抗能量和尺度如此巨大的自然現象，只能在GIC產生時設法降低其對電網的損害，避免大停電的發生。GIC對電網影響的作用點在變壓器上，因此主要的防護措施也在變壓器上實施。交流電流可以通過電容器，但直流電流卻不能。因此，在交流電網中安裝電容器，可以阻止準直流的GIC傳輸。目前，加拿大電網采用的方法是在交流變壓器的中性點上安裝電容，也有研究試驗了在輸電線路中串聯電容的可行性。而芬蘭電網則在一些變壓器的中性點安裝了中性點接地電阻，利用電阻消耗GIC。我國電網部門則研發了反向電流補償法，在GIC產生時加入與其方向相反的直流電流，以抵消GIC的影響。

猶如防范臺風時，要依靠準確的臺風預報一樣，防范GIC同樣需要準確的空間天氣預報。如果我們能在太陽風暴在太陽上產生時，就能盡可能的趕在它襲擊地球前，預報出太陽風暴是否會吹襲地球、什么時間會吹襲地球、吹襲地球后產生的磁暴有多劇烈，我們就能更準確的對GIC進行防御措施

【參考內容】

大型電力變壓器的GIC影響效應研究，張冰，華北電力大學博士學位論文，2010。

H. Lundstedt. The sun, space weather and GIC effects in Sweden. Advances in Space Research, 2006, 37: 1182

太陽風暴對四川500kV電網影響的評估，高壓電技術，2010，36：2849