随着人类社会高技术的发展，源于太阳剧烈活动的灾害性空间天气（俗称太阳风暴）对电网、通信和卫星等高技术系统的影响成为了新问题。其中，几乎遍布地球表面的电网由于其电力设备和输电线路的量大、面广，以至于防灾的难度和发生事故的经济损失都是最大的。尤其在经济发达地区，电网规模越大，越容易受到攻击。因此，应对突发的空间天气电网灾害已成为电网发展、社会发展的前沿课题。

 

在国家自然科学基金和科技部“863”计划等项目的资助下，华北电力大学刘连光教授的科研团队率先对中低纬地区（我国）电网的空间天气灾害进行了研究，在空间天气电网灾害的分析计算方法、灾害性空间天气损伤电力设备的机理和本质、电网灾害及次生灾害的监测技术等方面进行了10多年的研究，认证了我国多个地区电网的空间天气电网灾害事件，在中低纬地区灾情、灾害的分析计算和监测方法上形成了独具特色的方法体系，研究工作和研究成果在国内外有重要的影响。

 

太阳活动引起的地磁场剧烈变化称为地磁暴或磁暴。地磁场变化在地面形成感应电场，感应电场在变压器中性点接地的电网中产生地磁感应电流（简称GIC）。不同变化频率的GIC会对电网产生不同影响。变化频率为0.0001～0.01赫兹的GIC对变压器的直接损伤是温度升高、振动和噪声增大，同时GIC导致变压器半波饱和产生的谐波、无功波动等次生灾害可能导致电网的继电保护及自动化装置误动作。数值较大的突发性的GIC和持续时间较长的GIC对电网安全的影响大。

 

在地球上，纬度不同的地区，其基本地磁场是不同的。靠近南北极的高纬地区的基本磁场较强，太阳活动引起的磁扰比中低纬地区剧烈。因此，在其他条件相同时，北欧、北美高纬国家的电网灾害更严重。但是，电网GIC的大小还与电网的结构、参数、输电线路的走向和大地的电性构造有关，GIC对变压器、电抗器的影响以及二次设备的损伤还与一、二次电力设备的结构、材料和设计、制造水平等有关。“空间天气电网灾害是涉及太阳物理、空间物理和大地电性构造，以及电力设备的设计、制造等多学科的前沿课题。”刘连光教授说，“尤其灾害的防治涉及这些学科的很多未知的科学问题。”

 

刘连光教授进一步解释说，与社会的发展、传统工业大规模的利用所带来的温室效应的问题一样，空间天气电网灾害是电网规模越来越大的新问题。因为，大型变压器的导线电阻和输电线路单位长度的电阻越来越小，磁暴在电网产生的GIC就会越来越大。另外，大型变压器采用单相变压器组结构、抵御太阳风暴侵害的能力下降，以及我国的地质构造世界最复杂是北欧、北美高纬国家的科学家关注中国电网磁暴灾害的原因。

 

 

虽然中国还没有发生类似1989年加拿大魁北克（735kV电网）、2003年瑞典马尔默（400kV电网）的大停电事故，但我国广东、江苏和浙江等发达地区（500kV电网）均发生过大量的磁暴侵害事件，其中，2004年11月9日磁暴事故中，广东岭澳核电站变压器的实测GIC最大值为75.5安培。为了实现规划设计电网的GIC水平的评估、计算，刘连光教授团队建立了适用于计算中低纬感应地电场和大规模电网GIC的方法，利用中国地震局地球物理研究所科学家提供的磁暴地磁数据，首次分析、认证了我国广东、浙江等地区磁暴引发的电网及电力设备事件；完成了再次发生2004年11月类似强度的磁暴、2010年陕甘青宁750kV规划电网GIC水平的计算，西北750kV电网的研究成果获2009年度中国电力科学技术奖二等奖，2009届博士生刘春明的学位论文《中低纬电网地磁感应电流及其评估方法研究》入选2010年北京市优秀博士学位论文。

 

2010年8月，刘连光主持的“863”计划“磁暴对大型电网及变压器影响的分析控制技术”课题通过教育部科技成果鉴定，2011年6月通过科技部课题验收，目前“863”课题开发的监测系统已在6座大型变电站应用。2008~2010年，课题组与芬兰气象科学研究院、美国弗吉尼亚电力科学研究院和弗吉尼亚理工大学知名科学家进行合作，在国际Space Weather、IEEE Transactions on Power Delivery和IET Electr等核心刊物发表的论文及其应用技术成果在国内外产生了重要的影响。

 

中国电网问题的研究证明了中低纬问题的科学意义和电网灾害防治的重大意义，但如何避免和防治中国未来电网的可能灾害是非常难解决的问题。“1989年加拿大魁北克大停电事故后的电网防治、改造花费了8.34亿加元，但事故电网的规模不及我国2009年底电网规模的1/40，因此，大规模电网灾害的防治与数量有限的卫星问题的灾害防治不同，在变压器中性点采用串电阻削弱、串电容隔离和加反向补偿等手段，以及提高变压器设计、制造水平的技术手段治理的投资都相当大。”“另外，在超特高压电网采用这些手段治理还可能带来一些新的电网安全问题，如果能通过预测、预报防治中国电网空间天气灾害是最经济、也是最有效的好方法。”刘连光教授说。

 

太阳活动抛射的物质的日地系统各空间的物理过程及其相互作用非常复杂，决定空间天气电网灾害的影响因素及条件众多，预测和预报日地系统各空间的太阳事件及其对电网的可能影响、可能灾害是世界太阳物理、空间物理科学家的追求目标，以及保障人类社会电网安全、社会发展安全的紧迫需求。“从避免和防治电网灾害角度，积累国内外空间天气电网灾害的观测数据，与国内外太阳物理、空间物理科学家合作，研究日地系统各空间太阳事件预测、预报理论成果的应用转化，建立基于历史上太阳事件的电网灾情、灾害，以及地空太阳事件观测数据的经验或半经验的预报模型，实现太阳事件电网可能灾情和可能灾害的预测和预报是我们的下一步研究目标。” 刘连光教授说。

 

《科学时报》 (2011-07-01 A18 贺建党九十华诞 展科技创新风采)