Геомагнитно-индуцированные токи ( GIC ) — это электрические токи, индуцируемые на поверхности Земли быстрыми изменениями геомагнитного поля, вызванными космическими погодными явлениями. GIC могут влиять на нормальную работу длинных электрических проводниковых систем, таких как сети электропередач и подземные трубопроводы . Геомагнитные возмущения, которые вызывают GIC, включают геомагнитные бури и суббури , где наиболее сильные возмущения происходят на высоких геомагнитных широтах .
Магнитное поле Земли меняется в широком диапазоне временных масштабов. Более долгосрочные изменения, обычно происходящие в течение десятилетий или тысячелетий, являются преимущественно результатом действия динамо в ядре Земли. Геомагнитные изменения в масштабах времени от секунд до лет также происходят из-за динамических процессов в ионосфере , магнитосфере и гелиосфере . Эти изменения в конечном итоге связаны с изменениями, связанными с циклом солнечной активности (или солнечных пятен) , и являются проявлениями космической погоды.
Тот факт, что геомагнитное поле реагирует на солнечные условия, может быть полезен, например, при исследовании структуры Земли с помощью магнитотеллурики , но он также создает опасность. Эта геомагнитная опасность в первую очередь представляет риск для технологий, находящихся под защитным атмосферным покровом Земли. [1]
Изменяющееся во времени магнитное поле, внешнее по отношению к Земле, индуцирует теллурические токи — электрические токи в проводящей земле. Эти токи создают вторичное (внутреннее) магнитное поле. Вследствие закона индукции Фарадея на поверхности Земли индуцируется электрическое поле, связанное с изменениями во времени магнитного поля. Поверхностное электрическое поле вызывает электрические токи, известные как геомагнитно-индуцированные токи (ГИТ), которые протекают в любой проводящей структуре, например, в силовой или трубопроводной сети, заземленной в Землю. Это электрическое поле, измеряемое в В/км, действует как источник напряжения в сетях.
Примерами проводящих сетей являются сети электропередачи, нефте- и газопроводы, неоптические подводные кабели связи, неоптические телефонные и телеграфные сети и железные дороги. GIC часто описываются как квазипостоянный ток (DC), хотя частота изменений GIC регулируется изменением электрического поля во времени. Чтобы GIC представлял опасность для техники, ток должен иметь величину и частоту возникновения, которые делают оборудование восприимчивым либо к немедленному, либо к кумулятивному повреждению. Размер GIC в любой сети определяется электрическими свойствами и топологией сети. Самые большие изменения магнитосферно-ионосферного тока, приводящие к самым большим изменениям внешнего магнитного поля, происходят во время геомагнитных бурь, и именно тогда происходят самые большие GIC. Значительные периоды изменений обычно составляют от секунд до примерно часа, поэтому процесс индукции включает верхнюю мантию и литосферу . Поскольку самые большие вариации магнитного поля наблюдаются на более высоких магнитных широтах, GIC регулярно измеряются в канадских, финских и скандинавских электросетях и трубопроводах с 1970-х годов. Были зарегистрированы GIC от десятков до сотен ампер . GIC также регистрировались в средних широтах во время крупных штормов. Риск может быть даже в районах низких широт, особенно во время внезапно начинающегося шторма из-за высокой, кратковременной скорости изменения поля, которое происходит на дневной стороне Земли.
GIC впервые были обнаружены в зарождающейся электрической телеграфной сети в 1847–1848 годах во время солнечного цикла 9. [ 2] Технологические изменения и рост проводящих сетей увеличили значение GIC в современном обществе. Технические соображения для подводных кабелей, телефонных и телеграфных сетей и железных дорог схожи. В открытой литературе сообщалось о меньшем количестве проблем, связанных с этими системами, поскольку были предприняты усилия по обеспечению устойчивости. [3]
Современные системы передачи электроэнергии состоят из генерирующих установок, соединенных между собой электрическими цепями, которые работают при фиксированных напряжениях передачи, контролируемых на подстанциях. Используемые напряжения сети в значительной степени зависят от длины пути между этими подстанциями, и обычными являются напряжения системы 200-700 кВ. Существует тенденция к использованию более высоких напряжений и более низких сопротивлений линии для снижения потерь при передаче на все более длинных путях. Низкие сопротивления линии создают ситуацию, благоприятную для потока GIC. Силовые трансформаторы имеют магнитную цепь, которая нарушается квазипостоянным GIC: поле, создаваемое GIC, смещает рабочую точку магнитной цепи, и трансформатор может войти в полупериод насыщения . Это создает гармоники в форме волны переменного тока, локализованный нагрев и приводит к более высоким требованиям реактивной мощности , неэффективной передаче электроэнергии и возможной неправильной работе защитных мер. Балансировка сети в таких ситуациях требует значительной дополнительной реактивной мощности. [4] Величина GIC, которая вызовет значительные проблемы для трансформаторов, зависит от типа трансформатора. Современная отраслевая практика заключается в указании уровней допуска GIC для новых трансформаторов.
13 марта 1989 года сильная геомагнитная буря за считанные секунды привела к коллапсу электросети Hydro-Québec , поскольку защитные реле оборудования сработали в каскадной последовательности событий. [5] Шесть миллионов человек остались без электроэнергии на девять часов, что привело к значительным экономическим потерям. С 1989 года энергетические компании в Северной Америке, Великобритании, Северной Европе и других странах инвестировали в оценку риска GIC и в разработку стратегий смягчения последствий.
Риск GIC может быть в некоторой степени снижен за счет систем блокировки конденсаторов, изменения графика технического обслуживания, дополнительных генерирующих мощностей по требованию и, в конечном счете, сброса нагрузки. Эти варианты дороги и иногда непрактичны. Продолжающийся рост сетей электропередач высокого напряжения приводит к более высокому риску. Это отчасти связано с ростом взаимосвязанности при более высоких напряжениях, соединениями в плане передачи электроэнергии к сетям в авроральной зоне и сетями, работающими ближе к мощности, чем в прошлом.
Чтобы понять поток GIC в электросетях и дать рекомендации по риску GIC, необходим анализ квазипостоянных свойств сети. [6] Это должно быть связано с геофизической моделью Земли, которая обеспечивает движущее поверхностное электрическое поле, определяемое путем объединения изменяющихся во времени полей ионосферных источников и модели проводимости Земли. Такие анализы были выполнены для Северной Америки, Великобритании и Северной Европы. Сложность электросетей, исходных ионосферных токовых систем и трехмерной проводимости земли затрудняют точный анализ. [7] Имея возможность анализировать крупные штормы и их последствия, мы можем построить картину слабых мест в системе передачи и запустить гипотетические сценарии событий.
Управление сеткой также поддерживается прогнозами космической погоды крупных геомагнитных бурь. Это позволяет реализовать стратегии смягчения последствий. Наблюдения за Солнцем обеспечивают предупреждение за один-три дня о выбросе корональной массы (CME), связанном с Землей, в зависимости от скорости CME. После этого обнаружение ударной волны солнечного ветра , которая предшествует CME в солнечном ветре, космическим аппаратом в точке Лагранжа L 1 , дает определенное предупреждение за 20-60 минут о геомагнитной буре (опять же в зависимости от локальной скорости солнечного ветра). Геомагнитной буре требуется примерно два-три дня после запуска CME с Солнца, чтобы достичь Земли и повлиять на геомагнитное поле Земли. [8]
Основные трубопроводные сети существуют на всех широтах, и многие системы находятся в континентальном масштабе. Трубопроводные сети строятся из стали для хранения жидкости или газа под высоким давлением и имеют коррозионно-стойкие покрытия. Повреждение покрытия трубопровода может привести к тому, что сталь подвергнется воздействию почвы или воды, что может вызвать локальную коррозию. Если трубопровод заглублен, катодная защита используется для минимизации коррозии путем поддержания стали под отрицательным потенциалом по отношению к земле. Рабочий потенциал определяется на основе электрохимических свойств почвы и земли в непосредственной близости от трубопровода. Опасность GIC для трубопроводов заключается в том, что GIC вызывает колебания потенциала труба-почва, увеличивая скорость коррозии во время крупных геомагнитных бурь. [9] Риск GIC — это не риск катастрофического отказа, а сокращение срока службы трубопровода.
Трубопроводные сети моделируются аналогично электрическим сетям, например, с помощью моделей линий электропередачи с распределенным источником, которые обеспечивают потенциал труба-почва в любой точке вдоль трубы [10] (Boteler, 1997). Эти модели должны учитывать сложную топологию трубопровода, включая изгибы и ответвления, а также электрические изоляторы (или фланцы), которые электрически изолируют различные секции. Благодаря детальному знанию реакции трубопровода на GIC инженеры-трубопроводчики могут понять поведение системы катодной защиты даже во время геомагнитной бури, когда обследование и обслуживание трубопровода могут быть приостановлены.
Ссылки по теме электросети