Geomagnetisk indusert strøm - Geomagnetically induced current

Geomagnetisk induserte strømmer ( GIC ), som påvirker normal drift av lange elektriske ledersystemer , er en manifestasjon på bakkenivå av romvær . Under romværhendelser opplever elektriske strømmer i magnetosfæren og ionosfæren store variasjoner, som også manifesterer seg i jordens magnetfelt . Disse variasjonene induserer strømmer (GIC) i ledere som drives på jordoverflaten. Elektriske overføringsnett og nedgravde rørledninger er vanlige eksempler på slike ledersystemer. GIC kan forårsake problemer, for eksempel økt korrosjon av rørledningen stål og skadede høyspenttransformatorer . GIC er en mulig konsekvens av geomagnetiske stormer , som også kan påvirke geofysiske undersøkelser og olje- og gassboringsoperasjoner.

Bakgrunn

Jordens magnetfelt varierer over et bredt spekter av tidsskalaer. De langsiktige variasjonene, som vanligvis forekommer over flere tiår til årtusener, er overveiende resultatet av dynamohandling i jordens kjerne. Geomagnetiske variasjoner på tidsskalaer fra sekunder til år forekommer også på grunn av dynamiske prosesser i ionosfæren , magnetosfæren og heliosfæren . Disse endringene er til slutt knyttet til variasjoner knyttet til solens aktivitetssyklus (eller solflekk) og er manifestasjoner av romvær.

Det faktum at det geomagnetiske feltet reagerer på solforhold kan være nyttig, for eksempel i å undersøke jordstrukturen ved hjelp av magnetotellurics , men det skaper også en fare. Denne geomagnetiske faren er først og fremst en risiko for teknologi under jordens beskyttende atmosfæretekken.

Fare for infrastruktur

Det grunnleggende prinsippet for generering av GIC: variasjoner av ionosfæriske strømmer (I (t)) genererer et elektrisk felt (E (t)) som driver GIC. Vist er også ekte GIC-opptak fra den finske naturgassrørledningen.

Et tidsvarierende magnetfelt utenfor jorda induserer tellurstrømmer - elektriske strømmer i den ledende bakken. Disse strømningene skaper et sekundært (indre) magnetfelt. Som en konsekvens av Faradays induksjonslov induseres et elektrisk felt på jordens overflate assosiert med tidsvariasjoner av magnetfeltet. Det elektriske felt på overflaten får elektriske strømmer, kjent som geomagnetisk induserte strømmer (GIC), til å strømme i en ledende struktur, for eksempel et kraft- eller rørledningsnett jordet på jorden. Dette elektriske feltet, målt i V / km, fungerer som en spenningskilde på tvers av nettverk.

Eksempler på ledende nettverk er kraftoverføringsnett, olje- og gassrørledninger, ikke-fiberoptiske undersjøiske kommunikasjonskabler, ikke-fiberoptiske telefon- og telegrafnett og jernbaner. GIC blir ofte beskrevet som å være kvasi likestrøm (DC), selv om variasjonsfrekvensen til GIC styres av tidsvariasjonen til det elektriske feltet. For at GIC skal være en fare for teknologien, må strømmen ha en størrelse og forekomstfrekvens som gjør utstyret utsatt for enten umiddelbar eller kumulativ skade. Størrelsen på GIC i et hvilket som helst nettverk styres av de elektriske egenskapene og topologien til nettverket. De største variasjonene av magnetosfærisk-ionosfærisk strøm, noe som resulterer i de største variasjonene av eksterne magnetfelt, oppstår under geomagnetiske stormer, og det er da den største GIC forekommer. Betydelige variasjonsperioder er vanligvis fra sekunder til omtrent en time, så induksjonsprosessen involverer den øvre kappen og litosfæren . Siden de største magnetfeltvariasjonene er observert ved høyere magnetiske breddegrader, har GIC blitt målt regelmessig i kanadiske, finske og skandinaviske kraftnett og rørledninger siden 1970-tallet. GIC på titalls til hundrevis av ampere er registrert. GIC er også registrert på midtbreddegrader under store stormer. Det kan til og med være en risiko for områder med lave breddegrader, spesielt under en storm som begynner plutselig på grunn av den høye, korte periode med endring av feltet som skjer på dagsiden av jorden.

GIC ble først observert på det nye elektriske telegrafnettverket i 1847–8 under solsyklus 9 . Teknologisk endring og veksten av ledende nettverk har gjort betydningen av GIC større i det moderne samfunnet. De tekniske hensynene til undersjøiske kabler, telefon- og telegrafnett og jernbane er like. Det er rapportert om færre problemer i den åpne litteraturen om disse systemene. Dette antyder at faren er mindre i dag, eller at det finnes pålitelige metoder for utstyrsbeskyttelse.

I kraftnett

Moderne elektriske kraftoverføringssystemer består av generasjonsanlegg som er sammenkoblet av elektriske kretser som opererer med faste overføringsspenninger styrt på nettstasjoner. Nettspenningene som brukes er i stor grad avhengig av banelengden mellom disse transformatorstasjonene, og 200-700 kV systemspenninger er vanlige. Det er en tendens mot å bruke høyere spenninger og lavere linjemotstand for å redusere overføringstap over lengre og lengre banelengder. Lavlinjemotstand produserer en situasjon som er gunstig for strømmen av GIC. Krafttransformatorer har en magnetisk krets som er forstyrret av kvasi-DC GIC: feltet produsert av GIC kompenserer driftspunktet til magnetkretsen, og transformatoren kan gå i halv- syklusmetning . Dette gir harmoniske vekselstrømsformer, lokal oppvarming og fører til høyere reaktive effektbehov , ineffektiv kraftoverføring og mulig misbruk av beskyttelsestiltak. Å balansere nettverket i slike situasjoner krever betydelig ekstra reaktiv effektkapasitet. Størrelsen på GIC som vil forårsake betydelige problemer for transformatorer, varierer med transformatortype. Moderne industripraksis er å spesifisere GIC-toleransenivåer på nye transformatorer.

13. mars 1989 forårsaket en alvorlig geomagnetisk storm kollapsen av Hydro-Québec-kraftnettet på få sekunder da beskyttelsesreléer for utstyr utløste i en kaskaderende hendelsesrekke. Seks millioner mennesker ble stående uten strøm i ni timer, med betydelig økonomisk tap. Siden 1989 har kraftselskaper i Nord-Amerika, Storbritannia, Nord-Europa og andre steder investert i å evaluere GIC-risikoen og å utvikle avbøtingsstrategier.

GIC-risikoen kan til en viss grad reduseres ved kondensatorblokkeringssystemer, endringer i vedlikeholdsplanen, ekstra kapasitet på forespørsel og til slutt lastutslipp. Disse alternativene er dyre og noen ganger upraktiske. Den fortsatte veksten av høyspenningsnett gir høyere risiko. Dette er delvis på grunn av økningen i sammenkoblingen ved høyere spenninger, tilkoblinger når det gjelder kraftoverføring til rutenett i auroralsonen, og nett som fungerer nærmere kapasitet enn tidligere.

For å forstå strømmen av GIC i kraftnett og gi råd om GIC-risiko, er det nødvendig å analysere nettets kvasi-DC-egenskaper. Dette må være kombinert med en geofysisk modell av jorden som gir drivoverflaten elektrisk felt, bestemt ved å kombinere tidsvarierende ionosfæriske kildefelt og en ledningsmodell av jorden. Slike analyser er utført for Nord-Amerika, Storbritannia og i Nord-Europa. Kompleksiteten i kraftnettene, kilden til ionosfæriske strømsystemer og 3D-jordledningsevne gjør en nøyaktig analyse vanskelig. Ved å kunne analysere store stormer og deres konsekvenser kan vi bygge et bilde av de svake punktene i et overføringssystem og kjøre hypotetiske hendelsesscenarier.

Rutenettadministrasjon blir også hjulpet av romværprognoser for store geomagnetiske stormer. Dette gjør det mulig å implementere avbøtende strategier. Solobservasjoner gir en en til tre dagers advarsel om en jordbundet koronal masseutkasting (CME), avhengig av CME-hastighet. Etter dette, vil deteksjon av solenergi vind sjokk som går forut for CME i solens vinden, ved romfartøy i L 1 Lagrange-punkt , gir en klar 20 til 60 minutter varsling av en geomagnetisk storm (igjen avhengig av lokal solenergi vindhastighet). Det tar omtrent to til tre dager etter at en CME lanserer fra solen for en geomagnetisk storm for å nå jorden og for å påvirke jordens geomagnetiske felt.

GIC fare i rørledninger

Skjematisk illustrasjon av det katodiske beskyttelsessystemet som brukes til å beskytte rørledningen mot korrosjon.

Store rørledningsnett eksisterer på alle breddegrader, og mange systemer er på kontinentalt målestokk. Rørledningsnettverk er konstruert av stål for å inneholde høytrykksvæske eller gass og har korrosjonsbestandige belegg. Skader på rørbelegget kan føre til at stålet utsettes for jord eller vann, og kan forårsake lokal korrosjon. Hvis rørledningen begraves, brukes katodisk beskyttelse for å minimere korrosjon ved å holde stål på et negativt potensial i forhold til bakken. Driftspotensialet bestemmes ut fra de elektrokjemiske egenskapene til jord og jord i nærheten av rørledningen. GIC-faren for rørledninger er at GIC forårsaker svingninger i rør-til-jord-potensialet, og øker korrosjonshastigheten under store geomagnetiske stormer (Gummow, 2002). GIC-risiko er ikke en risiko for katastrofal svikt, men en redusert levetid på rørledningen.

Rørledningsnettverk er modellert på lignende måte som kraftnett, for eksempel gjennom distribuerte kildetransmisjonsmodeller som gir rør-til-jord-potensialet når som helst langs røret (Boteler, 1997; Pulkkinen et al., 2001). Disse modellene må vurdere kompliserte rørledningstopologier, inkludert bøyninger og grener, samt elektriske isolatorer (eller flenser) som elektrisk isolerer forskjellige seksjoner. Fra detaljert kunnskap om rørledningsresponsen til GIC, kan rørledningsingeniører forstå oppførselen til det katodiske beskyttelsessystemet selv under en geomagnetisk storm, når kartlegging og vedlikehold av rørledninger kan bli suspendert.

Se også

Fotnoter og referanser

Videre lesning

  • Bolduc, L., GIC observasjoner og studier i Hydro-Québec kraftsystem. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (16), 1793–1802, 2002.
  • Boteler, DH, Distribuert kildeoverføringslinjeteori for elektromagnetiske induksjonsstudier. Som supplement til prosessen med det 12. internasjonale Zürich-symposiet og den tekniske utstillingen om elektromagnetisk kompatibilitet. s. 401–408, 1997.
  • Boteler, DH, Pirjola, RJ og Nevanlinna, H., Effektene av geomagnetiske forstyrrelser på elektriske systemer på jordoverflaten. Adv. Rom. Res., 22 (1), 17-27, 1998.
  • Erinmez, IA, Kappenman, JG og Radasky, WA, Ledelse av geomagnetisk induserte strømrisiko på det nasjonale nettselskapets elektriske kraftoverføringssystem. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (5-6), 743-756, 2002.
  • Gummow, RA, GIC-effekter på rørkorrosjon og korrosjonskontrollsystemer. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (16), 1755–1764, 2002.
  • Lanzerotti, LJ, romeffekter på teknologier. I Song, P., Singer, HJ, Siscoe, GL (red.), Space Weather. American Geophysical Union, Geophysical Monograph, 125, s. 11–22, 2001.
  • Lehtinen, M. og R. Pirjola, Strømmer produsert i jordede ledernettverk av geomagnetisk induserte elektriske felt, Annales Geophysicae, 3, 4, 479-484, 1985.
  • Pirjola, R., Grunnleggende om strømmen av geomagnetisk induserte strømmer i et kraftsystem som er anvendelig for å estimere romværsrisiko og utforme rettsmidler. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (18), 1967–1972, 2002.
  • Pirjola, R., Kauristie, K., Lappalainen, H. and Viljanen, A. and Pulkkinen A., Space weather risk. AGU Space Weather, 3, S02A02, doi : 10.1029 / 2004SW000112 , 2005.
  • Thomson, AWP, AJ McKay, E. Clarke og SJ Reay, Surface elektriske felt og geomagnetisk induserte strømmer i det skotske kraftnettet i løpet av 30. oktober 2003 geomagnetisk storm, AGU Space Weather, 3, S11002, doi : 10.1029 / 2005SW000156 , 2005 .
  • Pulkkinen, A., R. Pirjola, D. Boteler, A. Viljanen og I. Yegorov, Modellering av romværeffekter på rørledninger, Journal of Applied Geophysics, 48, 233-256, 2001.
  • Pulkkinen, A. Geomagnetisk induksjon under svært forstyrrede romforhold : Studies of Ground Effects, PhD-avhandling, University of Helsinki, 2003. (tilgjengelig på eThesis)
  • Pris, PR, geomagnetisk induserte strømeffekter på transformatorer, IEEE-transaksjoner ved strømforsyning, 17, 4, 1002–1008, 2002, doi : 10.1109 / TPWRD.2002.803710

Eksterne linker

Kraftnettrelaterte lenker