在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建中，電力電子器件將得到更大范圍應(yīng)用，電力裝備之間、電力裝備與系統(tǒng)之間的互動(dòng)將進(jìn)一步加強(qiáng)，電力裝備智能化水平將進(jìn)一步提升，設(shè)備一二次融合趨勢(shì)將更加明顯，電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可觀、可測(cè)和可控的要求更高，對(duì)二次設(shè)備、傳感器件、通訊系統(tǒng)和數(shù)字化裝置等弱電系統(tǒng)的依賴性也更強(qiáng)。同時(shí)，發(fā)電設(shè)備分布將由集中式向分布式轉(zhuǎn)變，點(diǎn)多面廣，且直接暴露在外，缺少構(gòu)筑物的有效保護(hù)……未來電力系統(tǒng)特點(diǎn)決定了其在面對(duì)外部強(qiáng)電磁脈沖沖擊時(shí)的脆弱性遠(yuǎn)比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)嚴(yán)重，因此，有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖威脅是新型電力系統(tǒng)構(gòu)建及其安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要內(nèi)容。
高空電磁脈沖威脅最大
強(qiáng)電磁脈沖主要指電場(chǎng)強(qiáng)度大于1kV/m的瞬態(tài)電磁輻射，自然雷電放電、高功率微波及核武器爆炸都會(huì)產(chǎn)生各具特征的強(qiáng)電磁脈沖，其中以高空電磁脈沖（HEMP）威脅最大。HEMP幅值陡度高，瞬態(tài)電場(chǎng)幅值在10 kV/m量級(jí)，上升沿為ns(納秒)級(jí)，遠(yuǎn)超目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相同頻段范圍內(nèi)電氣設(shè)備電磁兼容限值10V/m的要求；持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可達(dá)上百秒；能量分布頻段寬，頻率分布在0.01Hz-300MHz；影響半徑大，達(dá)上千公里；空間衰減小等。因此，傳統(tǒng)浪涌保護(hù)器件對(duì)其防護(hù)作用有限。
HEMP兼具多種電磁環(huán)境特點(diǎn)，一個(gè)完整HEMP過程包含早期環(huán)境、中期環(huán)境和晚期環(huán)境三個(gè)連續(xù)階段，三個(gè)階段存在協(xié)同效應(yīng)且順序傳遞，每一個(gè)階段都足以引起擾動(dòng)，并使大量元器件功能失效和設(shè)備損壞。
在早期環(huán)境階段，HEMP主要通過孔縫/線纜耦合、天線耦合、介質(zhì)材料穿透等方式將電磁能量傳遞到電力電子器件、電子器件內(nèi)部，造成設(shè)備損壞，引發(fā)系統(tǒng)故障或癱瘓。未來新型電力系統(tǒng)中的電源將以風(fēng)電和光伏為主，早期環(huán)境階段HEMP主要通過耦合方式對(duì)新型電力系統(tǒng)中的風(fēng)電整流系統(tǒng)、光伏逆變系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生損壞，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度控制中心、樞紐變電站二次保護(hù)控制設(shè)備、智能化配電網(wǎng)和配電網(wǎng)電力設(shè)備等造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷甚至燒毀。
在中期環(huán)境階段，HEMP頻譜與雷電電磁脈沖頻譜范圍類似，當(dāng)風(fēng)電和光伏經(jīng)過HEMP早期環(huán)境階段破壞后，即使峰值強(qiáng)度比雷電小很多的中期環(huán)境階段，仍會(huì)對(duì)風(fēng)電和光伏產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。
在晚期環(huán)境階段，HEMP作用機(jī)理與地磁暴類似，但電場(chǎng)強(qiáng)度比特大及以上等級(jí)的地磁暴大一個(gè)數(shù)量級(jí)，其主要是與長(zhǎng)度100 km 量級(jí)的接地導(dǎo)體回路耦合，如高壓輸電線路，在電力系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生高達(dá)1000 A近似直流的地磁感應(yīng)電流，頻率在0.001-0.1 Hz，威脅大型變壓器、斷路器及互感器等關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行。以變壓器為例，當(dāng)變壓器流過地磁感應(yīng)電流時(shí)，將使電力系統(tǒng)中大量分布式風(fēng)光發(fā)電并網(wǎng)用升壓變壓器發(fā)生直流偏磁，造成變壓器局部過熱、振動(dòng)、噪聲加劇，其機(jī)械性能及抗短路性能下降甚至故障，進(jìn)一步引發(fā)更大的電網(wǎng)事故。
需進(jìn)一步明確技術(shù)路線
電力系統(tǒng)作為國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，已成為HEMP沖擊的重要目標(biāo)。HEMP的早期階段、中期階段和晚期階段均會(huì)對(duì)新型電力系統(tǒng)帶來威脅，影響新型電力系統(tǒng)全域感知網(wǎng)絡(luò)及可觀、可測(cè)、可控等功能。同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組和光伏電站大量損壞將影響電力可靠供應(yīng)。此外，HEMP對(duì)電網(wǎng)調(diào)度控制中心及電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備造成損壞，最終將引發(fā)大面積停電事故。因此，要對(duì)HEMP機(jī)理和對(duì)電力系統(tǒng)的影響有足夠的重視。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的影響，自20世紀(jì)60年代起就對(duì)HEMP的作用機(jī)理、裝置、風(fēng)險(xiǎn)模擬評(píng)估等方面開展了大量研究。
相比之下，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)及研究起步較晚，目前仍處于前期探索階段。2013 年初，西安交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開始關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全問題，先后在中國(guó)工程院重點(diǎn)、重大咨詢項(xiàng)目的支持下，以電力系統(tǒng)為重點(diǎn)，研究關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施面臨的電磁脈沖威脅和應(yīng)對(duì)策略，提出將關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的電磁脈沖防御研究列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，分行業(yè)建設(shè)國(guó)家電磁脈沖防護(hù)研究中心等建議。此外，相關(guān)高校與研究機(jī)構(gòu)也先后分別開展過高空強(qiáng)電磁脈沖敏感性和易損性初步研究工作。
近年來，隨著非傳統(tǒng)領(lǐng)域安全問題凸顯，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防御方面的研究工作也日益得到政府的高度重視，目前在行業(yè)內(nèi)尚處達(dá)成共識(shí)階段，需進(jìn)一步明確技術(shù)路線，盡快開展具體研究工作。
安全防護(hù)研究可從設(shè)備、站級(jí)、系統(tǒng)層面依次開展
強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下的新型電力系統(tǒng)安全防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，需建立一支跨專業(yè)、多學(xué)科融合的研究隊(duì)伍，并分階段、分層分級(jí)開展相關(guān)研究工作：
第一階段要聚焦設(shè)備層面，重點(diǎn)加強(qiáng)基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)研究，構(gòu)建強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺(tái)和二次設(shè)備過電壓保護(hù)建模仿真平臺(tái)，研究開發(fā)能有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖威脅的過壓保護(hù)材料和保護(hù)器件，發(fā)展以效應(yīng)特征為導(dǎo)向的電力設(shè)備試驗(yàn)和測(cè)試方法，研究損傷效應(yīng)機(jī)理和耐受閾值，梳理易損關(guān)鍵設(shè)備及其損傷概率和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；
第二階段要聚焦站級(jí)層面，重點(diǎn)開展變電站/換流站內(nèi)強(qiáng)電磁脈沖傳播路徑、危害機(jī)理、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別技術(shù)研究，優(yōu)化強(qiáng)電磁脈沖作用下變電站/換流站二次系統(tǒng)浪涌保護(hù)方案，提出能有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖威脅的新型電力系統(tǒng)變電站/換流站的設(shè)計(jì)規(guī)范、新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)變電站的重點(diǎn)加固與恢復(fù)方案，完成示范變電站建設(shè)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證；
第三階段要聚焦系統(tǒng)層面，開展系統(tǒng)級(jí)數(shù)字仿真，強(qiáng)化保底電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，研究新型電力系統(tǒng)面對(duì)HEMP沖擊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、精細(xì)化預(yù)警技術(shù)原理，提升系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)感知能力，建立HEMP下的新型電力系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，指導(dǎo)新型電力系統(tǒng)規(guī)劃及運(yùn)行。
如前所述，積極推進(jìn)新型電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖威脅的防御體系建設(shè)，既是堅(jiān)持底線思維、落實(shí)總體國(guó)家安全觀的內(nèi)在要求，也是提高我國(guó)新型電力系統(tǒng)可靠性、建設(shè)本質(zhì)安全型電網(wǎng)的必然選擇。在新型電力系統(tǒng)建設(shè)伊始，同步開展強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下的安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究，適時(shí)且必要。
（邱愛慈系中國(guó)工程院院士、西安交通大學(xué)教授；蔡漢生系南方電網(wǎng)公司高級(jí)技術(shù)專家、南網(wǎng)科研院高電壓技術(shù)研究所研究員；李俊娜系西安交通大學(xué)高級(jí)工程師）
