在新型電力系統構建中，電力電子器件將得到更大范圍應用，電力裝備之間、電力裝備與系統之間的互動將進一步加強，電力裝備智能化水平將進一步提升，設備一二次融合趨勢將更加明顯，電網調度運行對整個系統可觀、可測和可控的要求更高，對二次設備、傳感器件、通訊系統和數字化裝置等弱電系統的依賴性也更強。同時，發(fā)電設備分布將由集中式向分布式轉變，點多面廣，且直接暴露在外，缺少構筑物的有效保護……未來電力系統特點決定了其在面對外部強電磁脈沖沖擊時的脆弱性遠比傳統電力系統嚴重，因此，有效應對強電磁脈沖威脅是新型電力系統構建及其安全穩(wěn)定運行的重要內容。
高空電磁脈沖威脅最大
強電磁脈沖主要指電場強度大于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產生各具特征的強電磁脈沖，其中以高空電磁脈沖（HEMP）威脅最大。HEMP幅值陡度高，瞬態(tài)電場幅值在10 kV/m量級，上升沿為ns(納秒)級，遠超目前行業(yè)標準對相同頻段范圍內電氣設備電磁兼容限值10V/m的要求；持續(xù)時間長，可達上百秒；能量分布頻段寬，頻率分布在0.01Hz-300MHz；影響半徑大，達上千公里；空間衰減小等。因此，傳統浪涌保護器件對其防護作用有限。
HEMP兼具多種電磁環(huán)境特點，一個完整HEMP過程包含早期環(huán)境、中期環(huán)境和晚期環(huán)境三個連續(xù)階段，三個階段存在協同效應且順序傳遞，每一個階段都足以引起擾動，并使大量元器件功能失效和設備損壞。
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、電子器件內部，造成設備損壞，引發(fā)系統故障或癱瘓。未來新型電力系統中的電源將以風電和光伏為主，早期環(huán)境階段HEMP主要通過耦合方式對新型電力系統中的風電整流系統、光伏逆變系統和電池儲能系統產生損壞，同時對電網調度控制中心、樞紐變電站二次保護控制設備、智能化配電網和配電網電力設備等造成不可逆轉的損傷甚至燒毀。
在中期環(huán)境階段，HEMP頻譜與雷電電磁脈沖頻譜范圍類似，當風電和光伏經過HEMP早期環(huán)境階段破壞后，即使峰值強度比雷電小很多的中期環(huán)境階段，仍會對風電和光伏產生嚴重威脅。
在晚期環(huán)境階段，HEMP作用機理與地磁暴類似，但電場強度比特大及以上等級的地磁暴大一個數量級，其主要是與長度100 km 量級的接地導體回路耦合，如高壓輸電線路，在電力系統內部產生高達1000 A近似直流的地磁感應電流，頻率在0.001-0.1 Hz，威脅大型變壓器、斷路器及互感器等關鍵設備運行。以變壓器為例，當變壓器流過地磁感應電流時，將使電力系統中大量分布式風光發(fā)電并網用升壓變壓器發(fā)生直流偏磁，造成變壓器局部過熱、振動、噪聲加劇，其機械性能及抗短路性能下降甚至故障，進一步引發(fā)更大的電網事故。
需進一步明確技術路線
電力系統作為國家關鍵基礎設施，已成為HEMP沖擊的重要目標。HEMP的早期階段、中期階段和晚期階段均會對新型電力系統帶來威脅，影響新型電力系統全域感知網絡及可觀、可測、可控等功能。同時，風電機組和光伏電站大量損壞將影響電力可靠供應。此外，HEMP對電網調度控制中心及電力系統中的關鍵基礎設施設備造成損壞，最終將引發(fā)大面積停電事故。因此，要對HEMP機理和對電力系統的影響有足夠的重視。國外發(fā)達國家高度重視強電磁脈沖對電網等基礎設施的影響，自20世紀60年代起就對HEMP的作用機理、裝置、風險模擬評估等方面開展了大量研究。
相比之下，國內在該領域的認識及研究起步較晚，目前仍處于前期探索階段。2013 年初，西安交通大學研究團隊開始關注基礎設施電磁安全問題，先后在中國工程院重點、重大咨詢項目的支持下，以電力系統為重點，研究關鍵基礎設施面臨的電磁脈沖威脅和應對策略，提出將關鍵基礎設施的電磁脈沖防御研究列入國家重點研發(fā)計劃，分行業(yè)建設國家電磁脈沖防護研究中心等建議。此外，相關高校與研究機構也先后分別開展過高空強電磁脈沖敏感性和易損性初步研究工作。
近年來，隨著非傳統領域安全問題凸顯，關鍵基礎設施強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)內尚處達成共識階段，需進一步明確技術路線，盡快開展具體研究工作。
安全防護研究可從設備、站級、系統層面依次開展
強電磁脈沖環(huán)境下的新型電力系統安全防護是一個系統性工程，需建立一支跨專業(yè)、多學科融合的研究隊伍，并分階段、分層分級開展相關研究工作：
第一階段要聚焦設備層面，重點加強基礎平臺建設研究，構建強電磁脈沖環(huán)境模擬試驗平臺和二次設備過電壓保護建模仿真平臺，研究開發(fā)能有效應對強電磁脈沖威脅的過壓保護材料和保護器件，發(fā)展以效應特征為導向的電力設備試驗和測試方法，研究損傷效應機理和耐受閾值，梳理易損關鍵設備及其損傷概率和風險等級；
第二階段要聚焦站級層面，重點開展變電站/換流站內強電磁脈沖傳播路徑、危害機理、風險評估與薄弱環(huán)節(jié)識別技術研究，優(yōu)化強電磁脈沖作用下變電站/換流站二次系統浪涌保護方案，提出能有效應對強電磁脈沖威脅的新型電力系統變電站/換流站的設計規(guī)范、新型電力系統關鍵節(jié)點變電站的重點加固與恢復方案，完成示范變電站建設及現場試驗驗證；
第三階段要聚焦系統層面，開展系統級數字仿真，強化保底電網規(guī)劃建設，研究新型電力系統面對HEMP沖擊的實時監(jiān)測、在線風險評估、精細化預警技術原理，提升系統風險感知能力，建立HEMP下的新型電力系統評價指標體系，指導新型電力系統規(guī)劃及運行。
如前所述，積極推進新型電力系統應對強電磁脈沖威脅的防御體系建設，既是堅持底線思維、落實總體國家安全觀的內在要求，也是提高我國新型電力系統可靠性、建設本質安全型電網的必然選擇。在新型電力系統建設伊始，同步開展強電磁脈沖環(huán)境下的安全防護關鍵技術研究，適時且必要。
（邱愛慈系中國工程院院士、西安交通大學教授；蔡漢生系南方電網公司高級技術專家、南網科研院高電壓技術研究所研究員；李俊娜系西安交通大學高級工程師）
