WikiDer > Геомагнитно индуцированный ток

Geomagnetically induced current

Геомагнитно индуцированные токи (GIC), влияющие на нормальную работу длительного электрический проводник системы, являются проявлением на уровне земли космическая погода. Во время космической погоды электрические токи в магнитосфера и ионосфера испытывают большие вариации, которые проявляются также в Магнитное поле Земли. Эти вариации побудить токи (GIC) в проводниках, работающих на поверхности Земли. Сети электропередачи и похоронен трубопроводы являются типичными примерами таких проводниковых систем. GIC может вызвать проблемы, например, увеличение коррозия трубопровода стали и повреждена высоковольтная мощность трансформаторы. GIC - одно из возможных последствий геомагнитные бури, что также может повлиять на геофизические изыскания и масло и газовые буровые работы.

Фон

Магнитное поле Земли изменяется в широком диапазоне временных масштабов. Долгосрочные изменения, обычно происходящие на протяжении десятилетий или тысячелетий, в основном являются результатом действия динамо в ядре Земли. Геомагнитные вариации во временных масштабах от секунд до лет также происходят из-за динамических процессов в ионосфера, магнитосфера и гелиосфера. Эти изменения в конечном итоге связаны с вариациями, связанными с цикл солнечной активности (или солнечных пятен) и являются проявлениями космической погоды.

Тот факт, что геомагнитное поле действительно реагирует на солнечные условия, может быть полезен, например, при исследовании структуры Земли с использованием магнитотеллурика, но это также создает опасность. Эта геомагнитная опасность представляет собой в первую очередь риск для технологий, находящихся под защитным атмосферным покровом Земли.[1]

Риск для инфраструктуры

Основной принцип генерации GIC: вариации ионосферных токов (I (t)) создают электрическое поле (E (t)), управляющее GIC. Показаны также реальные записи GIC из финского газопровода.

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. Как следствие Закон индукции Фарадеяэлектрическое поле на поверхности Земли индуцируется, связанное с изменениями магнитного поля во времени. Поверхностное электрическое поле заставляет электрические токи, известные как геомагнитно индуцированные токи (GIC), протекать в любой проводящей структуре, например, в электросети или трубопроводной сети, заземленной на Землю. Это электрическое поле, измеряемое в В / км, действует как источник напряжения в сетях.

Примерами проводящих сетей являются сети электропередачи, нефте- и газопроводы, неволоконно-оптические подводные кабели связи, неволоконно-оптические телефонные и телеграфные сети и железные дороги. GIC часто описывают как квази постоянный ток (DC), хотя частота изменения GIC определяется изменением во времени электрического поля. Чтобы GIC представлял опасность для техники, ток должен иметь величину и частоту возникновения, которые делают оборудование восприимчивым к немедленному или кумулятивному повреждению. Размер GIC в любой сети регулируется электрическими свойствами и топологией сети. Наибольшие вариации магнитосферно-ионосферного тока, приводящие к наибольшим вариациям внешнего магнитного поля, происходят во время геомагнитных бурь, и именно тогда происходит самый большой GIC. Периоды значительного изменения обычно составляют от секунд до примерно часа, поэтому процесс индукции включает верхняя мантия и литосфера. Поскольку самые большие вариации магнитного поля наблюдаются на более высоких магнитных широтах, с 1970-х годов GIC регулярно измеряется в электрических сетях и трубопроводах Канады, Финляндии и Скандинавии. GIC от десятков до сотен амперы были записаны. GIC также были зарегистрированы в средних широтах во время сильных штормов. Может даже существовать риск для низкоширотных областей, особенно во время внезапно начинающегося шторма из-за высокой кратковременной скорости изменения поля, которое происходит на дневной стороне Земли.

GIC были впервые обнаружены на развивающихся электрический телеграф сеть в 1847-18 гг. во время 9-й цикл солнечной активности.[2] Технологические изменения и рост проводящих сетей увеличили значение GIC в современном обществе. Технические соображения относительно подводных кабелей, телефонных и телеграфных сетей и железных дорог аналогичны. В открытой литературе сообщалось о меньшем количестве проблем, связанных с этими системами. Это говорит о том, что сегодня опасность меньше или что существуют надежные методы защиты оборудования.[нужна цитата]

В электрических сетях

Современное системы передачи электроэнергии состоят из генерирующих установок, связанных между собой электрическими цепями, которые работают при фиксированных напряжениях передачи, контролируемых на подстанциях. Используемые сетевые напряжения в значительной степени зависят от длины пути между этими подстанциями, и обычно используются системные напряжения 200-700 кВ. Существует тенденция к более высоким напряжениям и более низким сопротивлениям линий для снижения потерь при передаче на более длинных и длинных трассах. Низкое сопротивление линии создает ситуацию, благоприятную для потока GIC. Силовые трансформаторы иметь магнитную цепь, которая нарушается квази-постоянным током GIC: поле, создаваемое GIC, смещает рабочую точку магнитной цепи, и трансформатор может перейти в полупериод насыщенность. Это производит гармоники к форме волны переменного тока, локализованный нагрев и приводит к высокому Реактивная сила требования, неэффективная передача энергии и возможное неправильное действие защитных мер. Для балансировки сети в таких ситуациях требуется значительная дополнительная реактивная мощность.[3] Величина GIC, которая вызовет серьезные проблемы с трансформаторами, зависит от типа трансформатора. В современной отраслевой практике для новых трансформаторов устанавливаются уровни допуска GIC.

13 марта 1989 г. сильная геомагнитная буря вызвал крах Электросеть Hydro-Québec за считанные секунды как оборудование защитные реле произошла каскадная последовательность событий.[4] Шесть миллионов человек остались без электричества на девять часов со значительными экономическими потерями. С 1989 года энергетические компании в Северной Америке, Великобритании, Северной Европе и других странах инвестировали в оценку риска GIC и разработку стратегий смягчения последствий.

Риск GIC может быть до некоторой степени снижен за счет систем блокировки конденсаторов, изменения графика технического обслуживания, дополнительных генерирующих мощностей по требованию и, в конечном итоге, отключения нагрузки. Эти варианты дороги и иногда непрактичны. Продолжающийся рост высоковольтных электрических сетей ведет к повышению риска. Частично это связано с увеличением взаимосвязанности при более высоких напряжениях, связями с точки зрения передачи энергии к сетям в авроральной зоне и сетям, работающим ближе к мощности, чем в прошлом.

Чтобы понять поток GIC в электрических сетях и дать рекомендации по риску GIC, необходим анализ квазидостоянных свойств сети.[5] Это должно быть связано с геофизической моделью Земли, которая обеспечивает электрическое поле движущей поверхности, определяемое путем комбинирования изменяющихся во времени полей ионосферных источников и модели проводимости Земли. Такие анализы были выполнены для Северной Америки, Великобритании и Северной Европы. Сложность электрических сетей, источников ионосферных токовых систем и трехмерной проводимости земли затрудняют точный анализ.[6] Имея возможность анализировать крупные ураганы и их последствия, мы можем построить картину слабых мест в системе передачи и запустить гипотетические сценарии событий.

Управлению сетью также помогают прогнозы космической погоды о крупных геомагнитных бурях. Это позволяет реализовать стратегии смягчения последствий. Наблюдения за Солнцем дают одно-трехдневное предупреждение о приближении к Земле. выброс корональной массы (CME), в зависимости от скорости CME. После этого обнаружение Солнечный ветер ударная волна, предшествующая CME в солнечном ветре, космическим аппаратом на L1 Точка лагранжиана, дает четкое предупреждение о геомагнитной буре за 20–60 минут (опять же в зависимости от местной скорости солнечного ветра). После запуска CME с Солнца требуется примерно два-три дня, чтобы геомагнитная буря достигла Земли и повлияла на геомагнитное поле Земли.[7]

Опасность GIC в трубопроводах

Схематическое изображение системы катодной защиты, используемой для защиты трубопровода от коррозии.

Основные трубопроводные сети существуют на всех широтах, и многие системы находятся в континентальном масштабе. Трубопроводные сети строятся из стали для удержания жидкости или газа под высоким давлением и имеют антикоррозийные покрытия. Повреждение покрытия трубопровода может привести к контакту стали с почвой или водой, что может вызвать локальную коррозию. Если трубопровод заглублен, катодная защита используется для минимизации коррозии за счет поддержания отрицательного потенциала стали по отношению к земле. Рабочий потенциал определяется по электрохимическим свойствам почвы и земли в районе трубопровода. Опасность GIC для трубопроводов заключается в том, что GIC вызывает колебания потенциала между трубами и почвой, увеличивая скорость коррозии во время крупных геомагнитных бурь (Gummow, 2002). Риск GIC - это не риск катастрофического отказа, а сокращение срока службы трубопровода.

Трубопроводные сети моделируются аналогично электросетям, например, с помощью моделей линий электропередачи с распределенными источниками, которые обеспечивают потенциал между трубой и почвой в любой точке вдоль трубы (Boteler, 1997; Pulkkinen et al., 2001). Эти модели должны учитывать сложные топологии трубопроводов, включая изгибы и ответвления, а также электрические изоляторы (или фланцы), которые электрически изолируют различные участки. Обладая детальным знанием реакции трубопровода на GIC, инженеры трубопроводов могут понять поведение системы катодной защиты даже во время геомагнитной бури, когда обследование и обслуживание трубопровода могут быть приостановлены.

Смотрите также

Сноски и ссылки

  1. ^ Последние обзоры см. например, Lanzerotti, 2001; Пирьола и др., 2005 г.
  2. ^ Рональдс, Б.Ф. (2016). Сэр Фрэнсис Рональдс: отец электрического телеграфа. Лондон: Imperial College Press. ISBN 978-1-78326-917-4.
  3. ^ Эринмез и др., 2002 г.
  4. ^ Болдук, 2002
  5. ^ Лехтинен и Пирджола, 1985 г.
  6. ^ См. Thomson et al., 2005.
  7. ^ (НКРЭ, 1990)

дальнейшее чтение

  • Болдук, Л., Наблюдения и исследования GIC в энергосистеме Hydro-Québec. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (16), 1793–1802, 2002.
  • Ботелер Д. Х. Теория линий передачи с распределенными источниками для исследований электромагнитной индукции. В приложении к материалам 12-го Международного Цюрихского симпозиума и технической выставки по электромагнитной совместимости. С. 401–408, 1997.
  • Ботелер Д. Х., Пирджола Р. Дж. И Неванлинна Х. Влияние геомагнитных возмущений на электрические системы на поверхности Земли. Adv. Космос. Res., 22 (1), 17-27, 1998.
  • Эринмез И. А., Каппенман Дж. Г. и Радаски В. А. Управление геомагнитно-индуцированными текущими рисками в системе передачи электроэнергии национальной сетевой компании. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (5-6), 743-756, 2002.
  • Гуммоу, Р. А., Воздействие GIC на коррозию трубопроводов и системы контроля коррозии. J. Atmos. Sol. Terr. Физ., 64 (16), 1755–1764, 2002.
  • Ланзеротти, Л. Дж. Влияние космической погоды на технологии. В Сонг, П., Сингер, Х. Дж., Сискоу, Г. Л. (ред.), Космическая погода. Американский геофизический союз, Геофизическая монография, 125, стр. 11–22, 2001.
  • Лехтинен, М., и Р. Пирджола, Токи, возникающие в заземленных проводящих сетях электрическими полями, индуцированными геомагнитным полем, Annales Geophysicae, 3, 4, 479-484, 1985.
  • Пирджола, Р., Основы потока геомагнитно индуцированных токов в энергосистеме, применимые для оценки рисков космической погоды и разработки средств защиты. J. Atmos. Sol. Terr. Физ., 64 (18), 1967–1972, 2002.
  • Пирйола Р., Кауристи К., Лаппалайнен Х., Вильянен А. и Пулккинен А. Риск космической погоды. AGU Space Weather, 3, S02A02, Дои:10.1029 / 2004SW000112, 2005.
  • Томсон, А. В. П., А. Дж. Маккей, Э. Кларк и С. Дж. Рей, Поверхностные электрические поля и геомагнитно индуцированные токи в энергосистеме Шотландии во время геомагнитной бури 30 октября 2003 г., AGU Space Weather, 3, S11002, Дои:10.1029 / 2005SW000156, 2005.
  • А. Пулккинен, Р. Пирйола, Д. Ботелер, А. Вильянен и И. Егоров, Моделирование воздействия космической погоды на трубопроводы, Журнал прикладной геофизики, 48, 233-256, 2001.
  • Пулккинен, А. Геомагнитная индукция в условиях сильной возмущенной космической погоды: исследования наземных воздействий, докторская диссертация, Хельсинкский университет, 2003. (доступно на eThesis)
  • Прайс П.Р., Геомагнитно-индуцированное воздействие тока на трансформаторы, IEEE Transactions on Power Delivery, 17, 4, 1002–1008, 2002, Дои:10.1109 / TPWRD.2002.803710

внешняя ссылка

Электросеть связанные ссылки