超强太阳风暴袭击下低纬度地区电网GIC风险研究取得进展

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太阳并不像我们肉眼看起来的那么平静，太阳突然的爆发性活动会在日地空间引发一系列强烈扰动。这种爆发性的太阳活动被称为太阳风暴。当太阳风暴袭击地球时，剧烈扰动的地球磁场会在地球表面产生感应电势，进而在地面长距离导体设备中产生地磁感应电流（Geomagnetically induced currents, 简称GIC）。

GIC会对高压输电网，油气管道，高铁等地面长距离导电设备的安全运行造成威胁。电网中的GIC会引起变压器过热，励磁和无功损耗增加，威胁电网的安全运行，严重时甚至引起变压器损毁和电网瘫痪，造成巨大的经济和社会损失，1989年的加拿大魁北克大停电事故就是太阳风暴引起电网瘫痪最典型的事例。

一般认为，高纬地区由于地磁扰动剧烈，电网受GIC侵害的风险较高。但是，近些年来随着科学技术的不断发展，电网规模和负荷日益增加，中低纬度地区电网受到GIC影响的报道日益增多。那么，当超强太阳风暴侵袭地球时，中低纬度地区电网的GIC到底会有多强？造成的后果将有多严重？这些地区是否需要投入力量进行电网防护？这些都是悬而未决的问题。我国地处中低纬度地区，目前已经建成了世界上电压等级最高、传输距离最长、负荷最高的输电网络。在极端空间天气条件下，对电网中GIC开展预测和模拟研究，对保障电网在极端空间天气条件下的安全运行具有重要意义。

近日，中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室的张佼佼研究员与合作者建立了基于全球三维MHD模型的中低纬度地区电网GIC计算模型。利用该模型研究团队模拟研究了一次发生在2012年7月23日的“卡林顿事件”级别的超强太阳风暴。研究团队分析了当太阳风暴侵袭地球时，我国广东500 kV电网的GIC变化情况，进而对GIC引起的电网风险情况进行了评估。

图1. 超强太阳风暴侵袭下，地球磁层电流（左）和场向电流（右）密度

研究结果表明，一旦该超强太阳风暴袭击地球，广东电网54个电网节点中产生的GIC最强将超过300 A，这是该电网目前为止已监测到过的最强GIC的3倍多，幅度与1989年魁北克电网事故中GIC的幅度相当。如果电网不采取任何保护措施，GIC引起的电网瘫痪风险将非常大。

图2. 模拟计算的超强太阳风暴侵袭下，我国广东500kV电网各变电站节点的GIC情况

该研究结果强调了对中低纬度地区电网GIC进行监测，预报和防护的必要性。该研究建立的电网GIC预测模型可以实现对太阳风-磁层-电离层-地磁扰动-电网GIC作用过程的全链条展示，在未来电网规划，电网GIC预测、预警及风险评估，减灾防灾等方面具有潜在的应用价值。

相关成果发表在国际知名期刊Space Weather上。该研究得到了国家自然科学基金，子午工程高端用户课题等项目的支持。

Citation：Zhang, J. J., Yu, Y. Q., Chen, W. Q., Wang, C., Liu, Y. D., Liu, C. M., & Liu, L. G. (2022). Simulation of Geomagnetically Induced Currents in a Low-Latitude 500 kV Power Network During a Solar Superstorm. Space Weather, 20(4), e2021SW003005. https://doi.org/https://doi.org/10.1029/2021SW003005

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