Curent indus geomagnetic - Geomagnetically induced current

Curenții induși geomagnetic ( GIC ), care afectează funcționarea normală a sistemelor de conductori electrici lungi , sunt o manifestare la nivelul solului al vremii spațiale . În timpul evenimentelor meteorologice spațiale, curenții electrici din magnetosferă și ionosferă experimentează variații mari, care se manifestă și în câmpul magnetic al Pământului . Aceste variații induc curenți (GIC) în conductorii acționați pe suprafața Pământului. Rețelele electrice de transmisie și conductele îngropate sunt exemple obișnuite de astfel de sisteme de conductori. GIC poate cauza probleme, cum ar fi creșterea coroziune a conductei de oțel și deteriorate electrice de înaltă tensiune transformatoare . GIC sunt o posibilă consecință a furtunilor geomagnetice , care pot afecta și studiile de explorare geofizică și operațiunile de forare a petrolului și gazelor.

fundal

Câmpul magnetic al Pământului variază pe o gamă largă de scale de timp. Variațiile pe termen lung, care apar de obicei de-a lungul deceniilor și mileniilor, sunt predominant rezultatul acțiunii dinamice din nucleul Pământului. De asemenea, apar variații geomagnetice pe scări de timp de la secunde la ani, datorită proceselor dinamice din ionosferă , magnetosferă și heliosferă . Aceste schimbări sunt în cele din urmă legate de variațiile asociate ciclului activității solare (sau petelor solare) și sunt manifestări ale vremii spațiale.

Faptul că câmpul geomagnetic răspunde condițiilor solare poate fi util, de exemplu, în investigarea structurii Pământului folosind magnetotelurici , dar creează și un pericol. Acest pericol geomagnetic este în primul rând un risc pentru tehnologie sub pătura atmosferică de protecție a Pământului.

Risc pentru infrastructură

Principiul de bază pentru generarea GIC: variațiile curenților ionosferici (I (t)) generează un câmp electric (E (t)) care conduce GIC. De asemenea, sunt prezentate înregistrări GIC reale de la conducta finlandeză de gaze naturale.

Un câmp magnetic care variază în timp, extern Pământului, induce curenți telurici - curenți electrici în solul conducător. Acești curenți creează un câmp magnetic secundar (intern). Ca o consecință a legii inducției lui Faraday , un câmp electric la suprafața Pământului este indus asociat cu variații de timp ale câmpului magnetic. Câmpul electric de suprafață face ca curenții electrici, cunoscuți sub denumirea de curenți induși geomagnetic (GIC), să curgă în orice structură conductoare, de exemplu, o rețea electrică sau de conducte legată la pământ. Acest câmp electric, măsurat în V / km, acționează ca o sursă de tensiune în rețele.

Exemple de rețele conductoare sunt rețelele electrice de transmisie a energiei electrice, conductele de petrol și gaze, cablurile de comunicații submarine fără fibră optică, rețelele telefonice și telegrafice non-fibre optice și căile ferate. GIC sunt adesea descrise ca fiind cvasi- curent continuu (DC), deși frecvența de variație a GIC este guvernată de variația în timp a câmpului electric. Pentru ca GIC să fie un pericol pentru tehnologie, curentul trebuie să fie de o amploare și o frecvență de apariție care să facă echipamentul susceptibil fie la daune imediate, fie cumulate. Mărimea GIC în orice rețea este guvernată de proprietățile electrice și topologia rețelei. Cele mai mari variații ale curentului magnetosferic-ionosferic, rezultând cele mai mari variații ale câmpului magnetic extern, apar în timpul furtunilor geomagnetice și atunci apar cel mai mare GIC. Perioadele semnificative de variație sunt de obicei de la secunde la aproximativ o oră, astfel încât procesul de inducție implică mantaua superioară și litosfera . Deoarece cele mai mari variații ale câmpului magnetic sunt observate la latitudini magnetice mai mari, GIC au fost măsurate în mod regulat în rețelele și conductele electrice canadiene, finlandeze și scandinave încă din anii 1970. Au fost înregistrate GIC de la zeci la sute de amperi . GIC au fost, de asemenea, înregistrate la latitudini medii în timpul furtunilor majore. Poate exista chiar un risc pentru zonele cu latitudine scăzută, în special în timpul unei furtuni care începe brusc din cauza ritmului ridicat de schimbare a câmpului pe o perioadă scurtă, care are loc pe partea laterală a Pământului.

GIC au fost observate pentru prima dată pe rețeaua de telegrafuri electrice emergente în 1847–18 în timpul ciclului solar 9 . Schimbările tehnologice și creșterea rețelelor conductoare au făcut ca semnificația GIC să fie mai mare în societatea modernă. Considerațiile tehnice pentru cablurile submarine, rețelele telefonice și telegrafice și căile ferate sunt similare. În literatura de specialitate au fost raportate mai puține probleme cu privire la aceste sisteme. Acest lucru sugerează că pericolul este mai mic astăzi sau că există metode fiabile de protecție a echipamentelor.

În rețelele electrice

Sistemele moderne de transmisie a energiei electrice constau în generarea centralelor interconectate prin circuite electrice care funcționează la tensiuni fixe de transmisie controlate la stații. Tensiunile de rețea utilizate depind în mare măsură de lungimea traseului dintre aceste stații și tensiunile sistemului de 200-700 kV sunt comune. Există o tendință către utilizarea tensiunilor mai mari și a rezistențelor de linie mai mici pentru a reduce pierderile de transmisie pe lungimi de drum mai mari și mai lungi. Rezistențele de linie scăzută produc o situație favorabilă fluxului de GIC. Transformatoarele de putere au un circuit magnetic care este întrerupt de cvasi-DC GIC: câmpul produs de GIC compensează punctul de funcționare al circuitului magnetic și transformatorul poate intra în saturație de jumătate de ciclu . Acest lucru produce armonici în forma de undă AC, încălzire localizată și duce la cereri mai mari de putere reactivă , transmisie ineficientă a puterii și posibilă funcționare greșită a măsurilor de protecție. Echilibrarea rețelei în astfel de situații necesită o capacitate suplimentară semnificativă de putere reactivă. Mărimea GIC care va cauza probleme semnificative transformatoarelor variază în funcție de tipul transformatorului. Practica modernă a industriei constă în specificarea nivelurilor de toleranță GIC pe noile transformatoare.

La 13 martie 1989, o furtună geomagnetică severă a provocat prăbușirea rețelei electrice Hydro-Québec în câteva secunde, în timp ce releele de protecție ale echipamentelor s-au declanșat într-o succesiune în cascadă de evenimente. Șase milioane de oameni au rămas fără energie timp de nouă ore, cu pierderi economice semnificative. Din 1989, companiile electrice din America de Nord, Marea Britanie, Europa de Nord și din alte părți au investit în evaluarea riscului GIC și în dezvoltarea strategiilor de atenuare.

Riscul GIC poate fi, într-o oarecare măsură, redus prin sistemele de blocare a condensatorilor, modificările programului de întreținere, capacitatea suplimentară de generare la cerere și, în cele din urmă, eliminarea sarcinii. Aceste opțiuni sunt scumpe și uneori impracticabile. Creșterea continuă a rețelelor de energie de înaltă tensiune are ca rezultat un risc mai mare. Acest lucru se datorează parțial creșterii interconectării la tensiuni mai mari, conexiunilor în ceea ce privește transmiterea puterii către rețelele din zona aurorală și rețelele care funcționează mai aproape de capacitate decât în ​​trecut.

Pentru a înțelege fluxul GIC în rețelele electrice și pentru a consilia cu privire la riscul GIC, este necesară analiza proprietăților cvasi-DC ale rețelei. Acest lucru trebuie să fie cuplat cu un model geofizic al Pământului care furnizează câmpul electric al suprafeței de acțiune, determinat prin combinarea câmpurilor sursă ionosferică care variază în timp și un model de conductivitate al Pământului. Astfel de analize au fost efectuate pentru America de Nord, Marea Britanie și Europa de Nord. Complexitatea rețelelor electrice, a surselor de sisteme de curent ionosferic și a conductivității solului 3D fac dificilă o analiză precisă. Prin posibilitatea de a analiza furtunile majore și consecințele lor, putem construi o imagine a punctelor slabe dintr-un sistem de transmisie și putem derula scenarii ipotetice de evenimente.

Gestionarea rețelelor este, de asemenea, ajutată de prognozele meteo spațiale ale furtunilor geomagnetice majore. Acest lucru permite implementarea strategiilor de atenuare. Observațiile solare oferă un avertisment de o zi până la trei zile cu privire la o expulsie de masă coronală la nivelul Pământului (CME), în funcție de viteza CME. Ca urmare a acestui fapt, detectarea vânt solar șoc care precede CME in vantul solar, de nave spațiale la L 1 punct Lagrangiene , dă un categoric 20 la 60 de minute de avertizare a unei furtuni geomagnetice (din nou , în funcție de viteza locală a vântului solar). Durează aproximativ două până la trei zile după ce un CME se lansează de la Soare pentru ca o furtună geomagnetică să ajungă pe Pământ și să afecteze câmpul geomagnetic al Pământului.

Pericol GIC în conducte

Ilustrație schematică a sistemului de protecție catodică utilizat pentru a proteja conducta de coroziune.

Rețelele majore de conducte există la toate latitudinile și multe sisteme sunt la scară continentală. Rețelele de conducte sunt construite din oțel pentru a conține lichid sau gaz de înaltă presiune și au acoperiri rezistente la coroziune. Deteriorarea învelișului conductei poate duce la expunerea oțelului la sol sau apă, care poate provoca coroziunea localizată. Dacă conducta este îngropată, protecția catodică este utilizată pentru a minimiza coroziunea, menținând oțelul la un potențial negativ față de sol. Potențialul de funcționare este determinat din proprietățile electrochimice ale solului și ale Pământului din vecinătatea conductei. Pericolul GIC pentru conducte este că GIC cauzează oscilații în potențialul țeavă-sol, crescând rata de coroziune în timpul furtunilor geomagnetice majore (Gummow, 2002). Riscul GIC nu este un risc de eșec catastrofal, ci o durată de viață redusă a conductei.

Rețelele de conducte sunt modelate într-un mod similar cu rețelele electrice, de exemplu, prin modele de linii de transport sursă distribuite care asigură potențialul țeavă-sol în orice punct de-a lungul conductei (Boteler, 1997; Pulkkinen și colab., 2001). Aceste modele trebuie să ia în considerare topologiile complicate ale conductelor, inclusiv îndoituri și ramuri, precum și izolatoare electrice (sau flanșe) care izolează electric diferite secțiuni. Din cunoștințe detaliate despre răspunsul conductelor la GIC, inginerii conductelor pot înțelege comportamentul sistemului de protecție catodică chiar și în timpul unei furtuni geomagnetice, atunci când supravegherea și întreținerea conductelor pot fi suspendate.

Vezi si

Note de subsol și referințe

Lecturi suplimentare

  • Bolduc, L., Observații și studii GIC în sistemul energetic Hydro-Québec. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (16), 1793-1802, 2002.
  • Boteler, DH, teoria liniei de transmisie a sursei distribuite pentru studii de inducție electromagnetică. În suplimentul lucrărilor celui de-al 12-lea simpozion internațional din Zurich și expoziția tehnică privind compatibilitatea electromagnetică. pp. 401-408, 1997.
  • Boteler, DH, Pirjola, RJ și Nevanlinna, H., Efectele tulburărilor geomagnetice asupra sistemelor electrice la suprafața Pământului. Adv. Spaţiu. Rez., 22 (1), 17-27, 1998.
  • Erinmez, IA, Kappenman, JG și Radasky, WA, Managementul riscurilor actuale induse geomagnetic asupra sistemului de transport al energiei electrice al companiei naționale a rețelei. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (5-6), 743-756, 2002.
  • Efecte Gummow, RA, GIC asupra coroziunii conductelor și a sistemelor de control al coroziunii. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (16), 1755–1764, 2002.
  • Lanzerotti, LJ, Efectele vremii spațiale asupra tehnologiilor. În Song, P., Singer, HJ, Siscoe, GL (eds.), Space Weather. American Geophysical Union, Geophysical Monograph, 125, pp. 11-22, 2001.
  • Lehtinen, M. și R. Pirjola, Curenții produși în rețelele de conductori împământate de câmpuri electrice induse geomagnetic, Annales Geophysicae, 3, 4, 479-484, 1985.
  • Pirjola, R., Noțiuni fundamentale despre fluxul de curenți induși geomagnetic într-un sistem de energie aplicabil estimării riscurilor meteorologice spațiale și proiectării de remedii. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (18), 1967–1972, 2002.
  • Pirjola, R., Kauristie, K., Lappalainen, H. și Viljanen, A. și Pulkkinen A., Space weather risk. AGU Space Weather, 3, S02A02, doi : 10.1029 / 2004SW000112 , 2005.
  • Thomson, AWP, AJ McKay, E. Clarke și SJ Reay, Câmpuri electrice de suprafață și curenți induși geomagnetic în rețeaua electrică scoțiană în timpul furtunii geomagnetice din 30 octombrie 2003, AGU Space Weather, 3, S11002, doi : 10.1029 / 2005SW000156 , 2005 .
  • Pulkkinen, A., R. Pirjola, D. Boteler, A. Viljanen și I. Yegorov, Modelarea efectelor vremii spațiale pe conducte, Journal of Applied Geophysics, 48, 233-256, 2001.
  • Pulkkinen, A. Inducția geomagnetică în timpul condițiilor meteorologice spațiale foarte perturbate: Studii ale efectelor solului, teză de doctorat, Universitatea din Helsinki, 2003. (disponibil la eThesis)
  • Preț, PR, Efecte de curent induse geomagnetic asupra transformatoarelor, Tranzacții IEEE la livrarea energiei electrice, 17, 4, 1002–1008, 2002, doi : 10.1109 / TPWRD.2002.803710

linkuri externe

Legături legate de rețeaua electrică