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2019年  31卷  第07期

推荐文章
国家关键基础设施电磁恢复力
谢彦召, 刘民周, 陈宇浩
2019, 31: 070001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190202
前言
“国家关键基础设施电磁安全”专辑出版前言
谢彦召
2019, 31: 070000.
摘要:
国家关键基础设施电磁安全一般是指能源系统、通信系统、金融系统和交通系统等国家关键基础设施在强电磁环境下的兼容性、可靠性和安全性,侧重关注电磁易损性引起的安全问题。随着基础设施自动化、网络化、智能化水平的不断提高,以高空电磁脉冲、高功率微波、极端地磁暴为代表的强电磁环境对关键基础设施的影响是极小概率但却是极高风险事件,因此强电磁环境下的安全问题日益得到重视,电磁安全问题已经成为国内外的关注热点。 为了促进国家关键基础设施电磁安全领域的学术交流,《强激光与粒子束》编辑部特别组织策划了国家关键基础设施电磁安全(Electromagnetic Security of Critical Infrastructure)专辑。专辑内容主要包含高空电磁脉冲(HEMP)、有意电磁干扰(IEMI)和地磁暴(Geo-storm)等强电磁环境、设备与系统级国家关键基础设施电磁安全,以及电磁恢复力和防治策略等主题。共有16篇文章被录用到专辑中。 在高空电磁脉冲主题模块,共有7篇文章。谢彦召、刘民周、陈宇浩等人对国家关键基础设施电磁恢复力的概念、现状进行了综述,提出了关键基础设施电磁安全的三棱锥模型,据此分析了关键基础设施电磁恢复力研究的一些基本观点,并对深入开展电磁恢复力研究提出了建议。董宁等介绍了高空电磁脉冲E1环境的计算,并考虑其中参数不确定性对电磁脉冲广域分布特征的影响。杜子韦华等介绍了电磁脉冲辐照下架空和埋地线路瞬态响应计算的宏模型方法。杜立航、陈志强等分别对用于电磁脉冲效应实验的电磁脉冲模拟器中的金属线栅笼结构的电磁特性、平行板峰化电极双峰现象进行了研究。Kozlov A等介绍了开展带电状态变压器电磁脉冲效应的测试方法。陈宇浩等介绍了电力系统在电磁脉冲E1和E3作用下电力系统的故障链模式。 在有意电磁干扰模块,祝梓钧等研制了一种基于差分开关振荡器的宽带电磁脉冲辐射系统,并对其辐射特性进行了研究。 在地磁暴主题模块,共有8篇文章。乔珺等介绍了一种基于云服务器的地磁感应电流监测系统。刘青等对地磁暴引起的地磁感应电流进行了不确定度量化,并分析了地磁感应电流对大地电导率和电网参数的敏感度。王泽忠等针对不同类型负载,研究了特高压变压器绕组电流受直流偏磁的影响,并对各次谐波进行了分析。梁志珊等的文章介绍了地磁暴及大地涡旋电流对油气管道的影响。鉴于地磁暴发生时大地分界面处管道的管地电位(PSP)波动大,梁志珊等提出可使用改进Pakingson矢量识别和定位埋地油气管道处于大地分界面处管道关键位置,从而可评估管道的地磁暴灾害风险。康小宁等使用事故链模型仿真地磁暴条件下的电网停电过程,并在此基础上利用系统的负荷削减量来评估地磁暴导致的连锁故障对电力系统的危害。李新洁等基于地磁感应电流对电力设备和电压稳定性影响的分析,提出了一种GIC优化治理策略。 上述文章分别从不同的角度梳理了该领域的最新进展,覆盖了国家关键基础设施电磁安全领域的主要研究方向,是一次非常好的集中展示。这些成果希望能对促进该领域的研究有所裨益,对相关科研工作者提供参考借鉴,也欢迎读者提出宝贵意见,共同促进本领域的茁壮发展。借此机会感谢各位作者的贡献,并特别感谢《强》刊编辑部各位编辑的热情和辛苦工作。 
综述
国家关键基础设施电磁恢复力
谢彦召, 刘民周, 陈宇浩
2019, 31: 070001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190202
摘要:
随着国家关键基础设施建设规模和信息化水平的提升,其在高空电磁脉冲、有意电磁干扰和地磁暴等强电磁环境下的电磁安全逐渐受到了国内外的关注。强电磁环境属于小概率、高风险事件,其影响机理和评估方法与雷电、系统内过电压等常规电磁事件有较大不同,采用期望风险指标的常规可靠性分析方法难以有效评估管理强电磁环境相关风险。从电磁恢复力视角出发,提出了关键基础设施电磁安全的三棱锥模型,并重点以电网为例,探讨关键基础设施电磁恢复力的内涵和外延,并对开展电磁恢复力研究提出建议。
高空电磁脉冲
考虑参数不确定性的高空电磁脉冲E1分量环境计算及分析
董宁, 谢彦召
2019, 31: 070002. doi: 10.11884/HPLPB201931.190140
摘要:
高空电磁脉冲的早期分量幅值高、频谱宽、分布范围广,是高空核爆的电磁效应的重要组成部分。分析了国内外高空电磁脉冲早期分量仿真计算法的研究进展,并选取基于高频近似并考虑电子与电磁场自洽作用的EXEMP算法进行详细介绍,通过数值计算结果总结了高空电磁脉冲的时域波形和空间分布随场源当量、爆高等参数变化的规律,与IEC标准约定的波形时域和空间特征一致。针对HEMP计算中部分参数的不确定性,分析参数取值偏差和波动对电磁脉冲计算结果的影响,使用多项式混沌方法联合Sobol全局敏感度指标对其进行不确定量化,得到电磁脉冲关键值可能分布的上下界、分布的概率密度等信息,分析各参数在特定取值范围内对电磁脉冲特征参数的影响及联合影响。
架空及埋地多导体线缆对HEMP辐照的瞬态响应
杜子韦华, 谢彦召
2019, 31: 070003. doi: 10.11884/HPLPB201931.190142
摘要:
针对瞬态电磁场辐照多导体电缆问题,首先介绍了一种用于计算架空及埋地线缆瞬态响应的高效时域宏模型。该模型基于传输线理论,利用广义特征线法和SPICE求解器中集成的模拟行为建模库,在时域内实现建模过程中涉及的频率相关参数和卷积计算。该方法适用性广泛,可同时用于架空及埋地线缆的场线耦合建模仿真;与现有时域有限差分法相比,不需要对时间和空间进行离散,以及对频率相关参数进行矢量匹配或数值逆傅里叶变换,因此可简化建模步骤,提高建模及仿真计算的效率;该宏模型计算效率不受线缆长度限制,适用于研究多导体长距离线缆。其次,在时域和频域分别研究了高空电磁脉冲(HEMP)的环境及特点。最后,利用算例验证了所提宏模型计算架空及埋地线缆响应的有效性,并利用该方法分别研究了架空地线对三相输电线路瞬态响应的影响以及埋地电力电缆金属护套在端接线性及非线性保护器件时对HEMP的瞬态响应。结果表明,宏模型法可在时域内高效地计算入射场耦合架空输电线及埋地电力电缆的瞬态响应,特别是对于带有非线性器件的长多导体线缆。
金属线栅笼代替空心导体圆柱对辐射波模拟器电磁特性的影响
杜立航, 高成, 张琪, 陈海林, 殷勤
2019, 31: 070004. doi: 10.11884/HPLPB201931.180303
摘要:
主要关注空心导体圆柱的等效替代品-圆柱线栅笼的电磁特性,分别基于保角变换和等效电磁场理论进行了等效半径的推导,在此基础上运用电磁仿真软件CST仿真分析了金属线栅的疏密和粗细程度对测试区电场波形的上升沿、脉宽和峰值的影响,并且对比了圆柱线栅笼和空心导体圆柱两种结构的电场分布。分析结果显示,双锥笼型结构完全能够等效代替空心导体圆柱,且进一步验证了等效半径理论的正确性。
平行板电极边缘滑闪引起加载电压的“双峰”现象
陈志强, 贾伟, 何小平, 李俊娜, 郭帆, 吴伟, 汲胜昌
2019, 31: 070005. doi: 10.11884/HPLPB201931.180383
摘要:
平板电容器是电磁脉冲(EMP)模拟装置中常用的脉冲压缩器件,在平行板电极的SF6沿面闪络实验中发现,原本前沿光滑的纳秒脉冲电压加载在平行板电极上,会在脉冲电压前沿上测得一尖峰,使加载的脉冲电压出现双峰现象。为探索该现象的原因,首先通过理论分析,认为该现象可能是由于平行板电极边缘发生了滑闪放电,增大了电极等效正对面积,使平行板电极的等效容值发生突变所致,容值变化越大,尖峰越明显。之后开展了不同气压下平行板电极的沿面闪络实验,并对放电过程的图像进行了拍摄,结果表明:平行板电极边缘产生的树枝状放电在低气压时主干明亮粗大,分枝较多,气压升高后,主干亮度和直径逐渐变小,分枝也越来越少;随着气压的增加,由于平行板电极边缘的滑闪放电受到抑制,平行板的等效面积变化率越来越小,尖峰出现时对应的电压幅值越来越高,且尖峰越来越不明显,与理论分析一致。
电力系统运行状态下抗高压脉冲干扰评估(英)
KozlovA, ParfenovYu, ChepelevV, ShurupovA, ShurupovM, 陈宇浩, 谢彦召
2019, 31: 070006. doi: 10.11884/HPLPB201931.180356
摘要:
在系统运行与不运行状态下,线路绝缘子因高压脉冲而产生闪络和损伤现象的研究结果显示,脉冲干扰和系统工作电压的共同作用将对电力系统带来灾难性的威胁。而在电力系统中,高压变压器是非常重要并且昂贵的设备。本文给出了一些针对变压器在脉冲干扰和系统工作电压共同作用时的试验方法。
高空电磁脉冲作用下电力系统主要效应模式分析
陈宇浩, 谢彦召, 刘民周, 高冲, 李萌, 巩少岩, 周建辉
2019, 31: 070007. doi: 10.11884/HPLPB201931.190184
摘要:
随着电网智能化和整体规模的提高,现代电力系统越来越容易受到高空电磁脉冲的威胁,一旦关键环节故障将有可能导致连锁反应,造成大面积停电。而针对不同的电力设备,其效应模式和威胁等级也有所不同,需要进行分类和分级研究。根据电力设备在电磁脉冲作用下的不同效应模式,将其分为SCADA系统与继电保护设备,变压器、互感器等线圈类设备,线路与设备避雷器与其他设备,并分析了其效应机理。然后考虑高空电磁脉冲威胁下电力设备存在多种效应等级,介绍了不同效应分类方法以及多等级效应评估模型。最后综合考虑易损性和重要性以及系统间的级联影响,分别梳理总结了在E1和E3作用下电力系统的故障链模式。
有意电磁干扰
基于差分开关振荡器的宽带电磁脉冲辐射系统
祝梓钧, 谢彦召, 仇杨鑫
2019, 31: 070008. doi: 10.11884/HPLPB201931.190118
摘要:
设计了一种差分开关振荡器,能够产生中心频率300 MHz的差分衰减振荡信号,并研制了基于差分开关振荡器和螺旋天线的辐射系统。首先将相同中心频率的差分开关振荡器与单端开关振荡器对比,表明差分开关振荡器的耐压和输出电压是单端开关振荡器的两倍;然后介绍了差分开关振荡器的设计方案,对其阻抗特性和静电场分布进行了分析,仿真了其瞬态工作过程;之后根据差分开关振荡器的输出形式,研制了一种差分注入的螺旋天线,作为系统的辐射天线;最后介绍了该差分型辐射系统在不同辐射距离,不同充气气压下的实验结果,并与单端型辐射系统进行了对比。结果表明,该辐射系统能够产生中心频率300 MHz,百分比带宽约20%的高功率宽带电磁脉冲,最大辐射场强约18 kV/m,有效电势约110 kV,场强与单端型辐射系统相比近似提高了1倍。
地磁暴
基于云服务器的地磁感应电流监测系统的设计
乔珺, 刘青, 高兵, 李艾娣
2019, 31: 070009. doi: 10.11884/HPLPB201931.190054
摘要:
地磁暴引起的地磁感应电流(GIC)可能引起变压器直流偏磁,对电网的安全稳定运行带来威胁,远程实时监测GIC对电网的GIC防御具有重要的指导意义。设计了一种基于云服务器的电网GIC远程监测系统,数据采集终端实时采集变压器中性点的GIC,多监测点数据经GPRS分端口发送至云服务器的内网进行存储,用户可通过云服务器的公网IP远程访问并对数据进行绘图、下载等处理,实现了电网GIC数据的实时发布与共享。结合空间天气的预测数据,还可以初步实现GIC的预警。对系统的数据采集终端以及基于云服务器的监测软件平台两大模块进行了实验室及变电站现场测试,测试结果表明该系统实现了设计要求,满足功能需求。
基于双曲线截断混沌多项式展开的地磁感应电流敏感度分析
刘青, 崔茜凯, 马龙雄, 查虹丽, 周宁馨
2019, 31: 070010. doi: 10.11884/HPLPB201931.190106
摘要:
地磁感应电流(GIC)可能会引起变压器直流偏磁从而威胁电力设备和电网的安全。鉴于GIC计算所需的很多输入参数是不确定变量,全面评估电网GIC水平及对电网的威胁有必要研究GIC的不确定度及GIC对输入变量的敏感度。基于混沌多项式展开(PCE)提出了一种GIC的不确定度量化方法,利用双曲线截断技术进一步提高了计算效率,计算了GIC对输入参数的敏感度指标。以新疆750 kV规划电网为例,利用提出的方法对GIC进行了不确定度量化,得到了GIC的均值和标准差等统计量。根据混沌多项式系数计算了Sobol敏感度指标,得到了GIC对电场幅值和电网直流电阻等输入参数的敏感度。与蒙特卡罗法(MC)相比,此方法在保证精度的前提下大大提高了计算效率。
评估管道地磁暴灾害的大地构造分界面算法
梁志珊, 程薇, 于洋, 左信, 毕武喜, 蓝卫
2019, 31: 070012. doi: 10.11884/HPLPB201931.190119
摘要:
大地电性结构的分界处容易加剧管道腐蚀,穿过大地分界面的管道在分界点处受到的地磁暴致灾风险比较大,提出一种可用于评估输油气管道的地磁暴灾害风险自评价描述的算法。改进算法的帕金森矢量在定位大地分界面时比传统算法的帕金森矢量更加准确;在可以识别大地分界面的前提下,改进算法的帕金森矢量方位角会在分界面附近完成180到0或0到180的过渡变化,距离分界面越近,方位角越能够反映大地分界面的倾向,改进算法的帕金森矢量长度在分界点处达到最小值;相邻地块电导率差值、空中电流源频率以及大地分界面与测线方向的夹角等因素会影响改进算法帕金森矢量的分布特性;利用帕金森矢量的方位角图和长度图两个判据可以定位穿过分界面位置的管道,相邻大地分界面之间存在虚拟界面,需要分析排除。仿真结果表明了这些结论的正确性,对管道防护具有重要的指导意义。
华北大地涡旋电流现象机理及对管道管地电位影响
梁志珊, 肖霄, 罗雄麟, 左信, 毕武喜, 蓝卫
2019, 31: 070013. doi: 10.11884/HPLPB201931.190120
摘要:
一维分块大地周围的特定电性结构能够在该分块大地中产生涡旋电流。通过反演等效电流源并根据实际地形构造大地电性模型,分析了涡流处的等效电流和电性结构对其特性的影响,揭示了该特定区域中产生涡流并使得涡流移动的机理;对铺设在该区域中的输油管道给出了管地电位(PSP)的分布特征。计算得到的管道PSP与实际监测得到的管道PSP分布规律的一致性表明了涡旋电流能够加重地磁扰动对管道的影响。
计及地磁暴影响的电力系统事故链仿真模型
康小宁, 徐旖旎, 张亚刚, 郭明达
2019, 31: 070014. doi: 10.11884/HPLPB201931.190173
摘要:
地磁暴影响下地磁感应电流(GIC)流过变压器中性点,引起变压器无功损耗增加,在强地磁暴环境中,系统的无功补偿装置可能过载,母线电压下降,可能引发连锁故障,继而导致大停电事故。对比事故链各环节特点和因磁暴导致的电力系统停电事故的发展规律,使用事故链模型来仿真实现地磁暴条件下的电网停电过程。基于自组织临界理论和非故障线路的安全稳定裕度来确定连锁故障的传播路径。结合IEEE-RTS79系统参数,估算各母线的地理位置,借助PowerWorld仿真软件,以该系统为例,研究结果验证了所提事故链模型可以反映给定电网条件下,地磁暴参数对电力系统事故链集与薄弱环节辨识的影响,研究结果可为量化和防治磁暴电网灾害提供依据。
地磁暴条件下电网连锁故障风险评估
康小宁, 张亚刚, 徐旖旎, 郭明达, 张欣悦
2019, 31: 070015. doi: 10.11884/HPLPB201931.190171
摘要:
地磁扰动会在高压电网中诱发产生地磁感应电流(GIC),使得电力变压器等发生相继故障,从而导致电力系统崩溃或者引起大停电事故,研究地磁暴条件下电网连锁故障风险评估能够为预防其引起的电网事故提供重要参考。对地磁暴条件下电网连锁故障的机理进行了分析,提出了地磁暴条件下电网连锁故障风险评估流程,该流程可以识别各个地磁暴条件下电网的薄弱环节;利用系统的负荷削减量来评估连锁故障各个阶段对系统的危害,同时利用给定地磁暴条件下该薄弱环节导致电力系统崩溃所削减的临界负荷量来评估其对电力系统的危害。利用IEEE-RTS79系统对于所提出的流程进行验证,验证结果表明所提出流程的可行性和有效性,所得结果可以为量化和防范地磁暴电网风险提供参考。
地磁暴对电力系统的影响及防治策略
李新洁, 王冬辉, 刘春明
2019, 31: 070016. doi: 10.11884/HPLPB201931.190116
摘要:
地磁暴是全球范围内地球磁场的剧烈扰动现象,在电网中产生地磁感应电流(GIC)。电力变压器在GIC的作用下进入半波饱和状态,其产生的谐波和增加的无功损耗影响电网电压稳定,造成系统中继电保护装置误动,随着电网电压等级的提高和电网规模的扩大,地磁暴可能严重威胁电网安全运行。分析了变压器对GIC入侵后的响应,以及次生灾害在电力系统中的传播过程,阐明了磁暴对电力系统的影响机理,分析了GIC对变压器、无功补偿设备和继电保护装置等设备的影响,建立了GIC对系统电压稳定性影响的分析框架及基本方法,最后提出了一种GIC优化治理策略,与传统治理方法相比具有明显的优越性。
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《强》刊2019年第07期目录
《强》刊编辑部
2019, 31: 3107000.