太阳活动周期25期间地磁活动对津巴布韦电网地磁感应电流和无功功率损耗的影响

《Scientific African》：Impact of Geomagnetic Activity on Geomagnetically Induced Currents and Reactive Power Losses in Zimbabwe's Power Grid during Solar Cycle 25

　　

太阳活动周期25以增强且延长的地磁活动为特征，引发了对电力系统受空间天气效应脆弱性的担忧。本研究调查了太阳活动与地磁扰动之间的关系，并考察了这些过程如何驱动津巴布韦电网内的地磁感应电流（GICs）及相关的无功功率波动。研究人员从空间天气数据中心获取了太阳黑子数和行星Kp指数（Kp index）数据，并利用MATLAB进行时间对齐和统计分析。此外，在Dema和Warren 330 kV变电站安装了霍尔效应（Hall-effect）钳形电流探头，以直接测量地磁扰动和安静条件下的准直流（quasi-DC）GICs。Dema–Warren输电线路的无功功率数据从ZETDC档案中获得，以评估在不利空间天气事件期间电网的响应。结果显示，地磁活跃期大幅增加，从2019年至2026年初，以Kp ≥ 4.67为特征的（3小时）间隔频率显著上升。这一趋势与太阳活动周期25的太阳极大期相吻合。在2024年严重地磁风暴期间，Warren的GICs达到3.05 A，Dema达到2.05 A，站间相关性为~81%，而安静日电流低于1 A。风暴期间30–50 MVAr的无功功率偏差进一步表明地磁活动与电压不稳定之间存在强烈联系。这些发现证实了太阳活动周期25对津巴布韦电力系统性能的实际影响，并强调了将空间天气监测和缓解策略整合到电网运行和规划中以提高对未来地磁扰动抵御能力的重要性。本研究增进了研究人员对太阳-地球相互作用及其在不利空间天气下对电网稳定性影响的理解。

**论文解读：太阳活动周期25期间地磁活动对津巴布韦电网地磁感应电流和无功功率损耗的影响**

**研究背景与问题**

空间天气对现代技术系统，尤其是电力网络，构成日益严峻的威胁。地磁风暴通常由太阳爆发（如日冕物质抛射（CMEs）和太阳耀斑）引发，通过法拉第定律在地球表面感应出地电场，进而驱动接地导体中的地磁感应电流（GICs）。这些准直流（quasi-DC）电流流入变压器后，会引发磁芯饱和、无功功率需求增加、设备应力甚至服务中断。历史上，1989年魁北克大停电、2003年万圣节风暴等事件凸显了高纬度电网的脆弱性。然而，中低纬度地区同样面临风险，例如南非、纳米比亚等地已测得高达数安培的GICs。津巴布韦位于中纬度，此前缺乏现场测量数据，对该国电网在地磁风暴下的响应理解不足，导致电网运营商难以评估脆弱性、预测无功功率波动并实施缓解策略。太阳活动周期25（始于2019年12月）相比周期24更为活跃，预计在2025-2026年达到峰值，这进一步增加了研究当地电网对空间天气响应的重要性。

**研究目的与意义**

本研究旨在通过直接测量津巴布韦高压输电网络中的GICs，量化其与无功功率变化的关系，分析其时序和空间特征，并结合当地输电线路和变电站配置评估电网脆弱性。研究首次在津巴布韦开展GIC直接测量，为评估太阳活动周期25对电力系统性能的影响提供了关键基线数据，并强调了将空间天气监测纳入电网运行和规划的必要性。该论文发表在《Scientific African》。

**主要关键技术与方法**

1. **地磁活动评估**：使用行星K指数（Kp index）和扰动风暴时（DST）指数从GFZ德国地学研究中心和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）空间天气预报中心获取数据，基于NOAA G-scale对地磁风暴进行分类（G1-G5）。
2. **太阳活动与地磁关联分析**：从比利时皇家天文台世界太阳黑子指数和长期太阳观测数据中心（WDC-SILSO）获取太阳黑子数，利用MATLAB对Kp指数（聚合为日平均值）和太阳黑子数进行时间对齐和相关分析。
3. **地磁感应电流（GIC）直接测量**：在津巴布韦Dema和Warren 330 kV变电站的变压器中性点接地导体上安装闭环霍尔效应（Hall-effect）钳形电流探头（量程±500 A，精度<±1%，DC-40 kHz带宽），以1分钟间隔采样准直流GICs，并记录至数据采集单元。数据来源于这两个变电站。
4. **无功功率分析**：从津巴布韦电力传输分配公司（ZETDC）档案获取Dema–Warren 330 kV输电线路的无功功率（MVAr）数据，结合同步GIC测量进行对比分析。

**研究结果**

**3.1 太阳活动周期25期间地磁风暴评估**

通过Kp指数G-scale分类，研究显示从2019年太阳极小期到2024-2025年太阳极大期，地磁风暴的频率和强度显著增加。2019年仅记录20次G1风暴，2020年降至3次；从2021年开始上升，2024年达到峰值，包含20次G4和6次G5风暴（极端风暴占当年风暴总数的约23%）；2025年G4和G5事件较2024年分别减少约45%和67%，但整体活动仍处于较高水平。这一变化与太阳活动周期25的相位演变一致。

**3.2 Kp指数与太阳黑子数分析**

通过分析2019年至2026年初Kp≥4.67的频率与太阳黑子数的关系，发现两者呈正相关趋势。太阳活动周期25实际活动超过早期预测，美国国家航空航天局（NASA）和NOAA于2024年10月宣布太阳进入极大期。数据显示，2021年起Kp≥4.67的间隔持续增加，2024年达到最高，对应Kp=9的极端风暴（2024年5月“Gannon”风暴），这是二十多年来最强的地磁扰动。这一结果表明，太阳活动周期25虽非异常强烈，但打破了太阳活动周期逐渐减弱的趋势，是一个中等但地磁有效（geoeffective）的周期。

**3.3 不利空间天气下的GIC测量**

**2024年地磁测量：** 2024年3月24日（G4级风暴）与3月16日（安静日）对比：风暴期间Kp峰值达8，DST低于-100 nT，Warren和Dema变电站的GIC峰值分别为3.05 A和2.05 A（约16:00），站间时间相关性约81%；安静日GIC均低于1 A。无功功率偏差在风暴日增加25 MVAr。2024年5月11日（G5级“Gannon”风暴）与5月22日安静日对比：风暴期间Kp=9，DST达-412 nT，Warren GIC峰值4.88 A，Dema GIC峰值3.62 A；安静日GIC≤2 A。风暴日无功功率偏差增加约40 MVAr。这表明GIC升高与无功功率增强密切相关。

**2025年地磁风暴测量：** 2025年1月1日（G4级风暴）与1月25日安静日对比：风暴期间Kp=8，DST低于-200 nT，Dema和Warren GIC均超过3 A；安静日GIC低于1 A，无功功率偏差为34.26 MVAr。2025年6月1日（持续风暴）与6月6日安静日对比：6月1日Kp>7持续12小时，DST超过-100 nT，Dema GIC超过2 A，Warren GIC峰值达4.27 A；安静日GIC接近0 A。结果证实长时间地磁活动导致持续GIC响应。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，尽管测得的GIC幅度（最高约5 A）远低于高纬度地区（如魁北克数十至数百安培），但其引起的无功功率偏差（30-50 MVAr）证实了GIC对变压器性能的显著影响。GIC导致的半周期饱和增加了磁化电流谐波，改变了有效工作点，从而增大了无功功率需求。研究通过与ZETDC的反馈得知，所分析风暴日期间未报告重大变电站故障，表明观测到的电气影响可能仍在运行容限内，但大规模或更极端事件可能超出容忍范围。研究强调，随着太阳活动周期25进入下降阶段，持续的空间天气威胁依然存在。未来电网运行需整合空间天气监测与缓解策略，以增强中南部非洲地区（包括津巴布韦）的电力基础设施韧性。

**结论翻译：** 本文通过研究太阳活动周期25，与周期24比较以确定太阳活动差异及其对空间天气的影响。结果表明，太阳活动周期25表现出更大的活动性，对地磁状况有显著影响。统计模型预测太阳黑子数将在2026年达到峰值，可能超过300。这一进展凸显了太阳活动周期25的引人之处，因为它显示了地磁活动与太阳活动之间的紧密相关性，正如太阳黑子数与Kp指数之间的关系所反映的那样。该研究通过安装在Dema和Warren 330 kV变电站变压器接地中性导体上的钳形电流探头直接测量，确认了不利空间天气条件下GICs的存在和幅度。在增强地磁活动期间评估了GIC观测值，并系统性地与地磁安静条件下的测量值进行比较，以隔离风暴驱动效应。这项GIC分析是在对太阳活动周期25进行更广泛评估后进行的，该评估利用Kp指数考察了太阳黑子数变异性与地磁响应的关系。值得注意的是，2024年记录到的重大地磁事件（包括极端G5级风暴）产生了超过3 A的峰值GIC幅度，突出了津巴布韦330 kV输电网络对严重空间天气强迫的敏感性。该研究采用综合测量与分析框架，调查了不利空间天气对津巴布韦高压输电网无功功率（MVAr）行为的影响。该方法基于地磁风暴、GICs和变压器性能之间已建立的物理联系。在增强地磁活动期间，风暴驱动的地电场感应出准直流电流，使变压器磁芯产生偏置，导致无功功率吸收增加，严重时会引起电压不稳定。为了量化这一效应，研究人员分析了来自ZETDC的存档运行无功功率数据，与同一变电站的同步GIC测量数据一起进行了分析。通过对地磁扰动和安静条件下MVAr响应的比较评估，能够将观察到的无功功率波动直接归因于GIC活动，从而在空间天气强迫和电力系统性能之间建立了明确联系。无功功率的变化具有重要意义，因为GIC引起的变压器磁芯半周期饱和增加了磁化电流谐波，并改变了有效工作点，这反过来增加了变压器和网络设备中的无功功率需求和损耗分量。因此，风暴日更大的无功功率偏差支持了升高的测量GICs转化为可测量的变压器级电气影响，而不仅仅是反映地磁状况。从ZETDC获得的运行反馈表明，在分析扰动日期间，未报告明显的变电站故障。这并不与测量到的电气影响（GIC/MVAr变化）相矛盾，而是表明在案例研究期间观察到的效应可能仍处于运行容限内。展望未来，直至2026年1月持续升高的地磁活动对南部非洲（包括津巴布韦）具有重要影响。高Kp水平增加了GIC影响长输电线路和变压器中性点的可能性，特别是在基础设施老化且空间天气缓解策略有限的地区。先前的研究报告了南非和纳米比亚与GIC相关的影响，表明同样位于中纬度地区的津巴布韦电网也存在类似脆弱性。总之，随着太阳活动周期25过渡到其下降阶段，对电力系统稳定性的潜在威胁仍然显著。持续监测并将空间天气考虑因素纳入电网运行和规划，对于确保南部非洲地区电力基础设施的韧性至关重要。该研究结果通过结合实测GIC数据和电网运行记录，为空间天气事件如何转化为可观察的MVAr波动提供了宝贵见解，从而增强了研究人员对增强太阳活动下电网脆弱性的理解。