Магнитосферные воздействия

Аналитический обзор, посвященный влиянию космической погоды на современную цивилизацию [1], привлек внимание профессионального сообщества. Для России, так же как и для многих других стран мира, повышение безопасности работы современных технологических систем, чувствительных к воздействию геомагнитных возмущений, – насущная необходимость.
Успешному решению этой задачи поможет Единая система непрерывной регистрации и прогнозирования геоиндуцированных токов. Организацией системы занимаются специалисты Кольского научного центра Российской академии наук. В своей статье они кратко представляют данные, полученные на ПС магистральных электрических сетей Северо-Запада и позволяющие исследовать влияние геомагнитных возмущений на ключевые элементы энергосистемы.

ГЕОМАГНИТНЫЕ ШТОРМЫ
Исследование воздействий на энергосистему Карелии и Кольского полуострова

Борис Ефимов, д.т.н., Ярослав Сахаров, к.ф.-м.н., Василий Селиванов, к.т.н.
Кольский научный центр Российской академии наук,
г. Апатиты

Статью В. Сушко и Д. Косых [1] можно считать продолжением серии обзоров А.И. Гершенгорна [2–4]. Вообще нужно признать, что в отличие от Европы и Северной Америки, где этой проблемой занимаются постоянно, в России интерес к геомагнитным бурям (ГМБ) (или, как их еще называют, геомагнитным штормам) имеет такой же периодический характер, как и солнечная активность, но с некоторым «запаздыванием по фазе».

Последний всплеск активности отмечался после гелиомагнитных событий 2003 г. [5]. Текущий 24-й цикл солнечной активности ожидается достаточно спокойным, однако Челябинский метеорит дает нам повод напомнить и о других видах космической угрозы человечеству, правда, опять апостериори (лат. a posteriori, буквально – из последующего, т.е. знание, полученное из опыта).

Завидным постоянством обладает другое явление – проблема с финансированием научных исследований воздействия геомагнитных бурь на объекты электроэнергетики. Энергетические компании, вероятно, считают эту проблему слишком академичной и далекой от задач текущей эксплуатации (действительно, «где Солнце, а где автотрансформатор?»). Научные фонды, напротив, не считают исследования в этой области фундаментальными и советуют обратиться к энергетикам.

АНАЛИЗЫ И ПРОГНОЗЫ

Активные исследования воздействия геоиндуцированных токов (ГИТ) на технологические системы проводятся более 40 лет в различных странах. В то же время задача защиты от негативных воздействий геомагнитных возмущений не решена окончательно.

Во-первых, весьма сложен прогноз появления магнитных бурь во времени; во-вторых, разнообразно проявление эффектов бури в пространстве; в-третьих, каждая технологическая система откликается на магнитосферные возмущения по-своему.

Требуется, с одной стороны, глобальный, планетарный подход к исследованию явления, а с другой стороны, необходимо изучение процессов развития и действия ГИТ в конкретных системах с различной их локализацией.

Следует отметить, что до настоящего времени на территории России регулярная регистрация ГИТ проводится только на Кольском полуострове усилиями сотрудников Полярного геофизического института и Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН [6–9]. Исследования воздействия ГМБ на оборудование энергосистем ведутся с 1986 г. С ноября 2003 г. на ряде подстанций (ПС) энергосистемы Северо-Запада проводятся измерения ГИТ в нейтралях трансформаторов и автотрансформаторов.

Мировой опыт показывает, что ГМБ являются причиной тяжелых аварий, функциональных нарушений и ускоренного накопления дефектов и старения электрооборудования магистральных электроэнергосистем. Основным негативным фактором воздействия ГМБ является генерирование ГИТ, протекающих в нулевой последовательности протяженных линий через заземленные нейтрали трансформаторов и вызывающих насыщение стали сердечников.

ГИТ возникают в результате появления разности потенциалов в удаленных точках на поверхности Земли. При характерной частоте от 0,001 до 0,1 Гц амплитуда ГИТ может достигать 200 А. В случае протекания такого квазипостоянного тока в протяженной электрической сети с глухозаземленной нейтралью с трансформаторами или автотрансформаторами, кривая намагничивания трансформаторов может сместиться, что приведет к полупериодному насыщению сердечника. Это вызовет многократное возрастание токов намагничивания, что в свою очередь приведет к нарушениям симметрии в передаче энергии по фазам, к появлению высших гармоник, перегреву стали сердечников, резкому росту вибраций и в конечном итоге к ускоренному старению изоляции силовых трансформаторов и нарушениям электроснабжения. Аналогично воздействуют ГМБ на трансформаторы тока.

В итоге при наиболее опасных геомагнитных возмущениях в некоторых энергосистемах возможно возникновение серьезных аварий, подобных тем, что произошли в конце прошлого века в пик геомагнитной активности в северных районах США и Канады. Кроме того, из-за увеличения потоков рассеяния и добавочных потерь в трансформаторе возможен локальный перегрев обмоток и элементов конструкции, приводящий к повышению газовыделения и деградации изоляции. Таким образом, геомагнитное воздействие носит кумулятивный характер, снижая срок службы трансформатора.

МЕЖДУНАРОДНЫЕ ДЕЙСТВИЯ

Наиболее эффективным способом постановки и решения подобных проблем является международная кооперация. В марте 2011 г. начаты работы по проекту European Risk for Geomagnetically Induced Currents (EURISGIC) [10], направленному на оценку риска воздействия геомагнитных возмущений на европейские энергетические системы. Проект получил финансовую поддержку Европейского союза. Координатором проекта выступает Финский метеорологический институт, в консорциум исполнителей входят исследователи Швеции, Великобритании, Венгрии, России и США. Проект предусматривает решение двух основных задач:

• по полученным ранее данным установить статистическую связь между уровнем планетарных геомагнитных возмущений и нарушениями в работе европейских энергосистем за предыдущий солнечный цикл;
• на основе текущих измерений параметров солнечного ветра, регистрации геомагнитных возмущений и ГИТ в энергосетях создать прототип системы прогноза гелиогеомагнитной опасности для технологических, в первую очередь энергетических, систем в Европе.

ИССЛЕДОВАНИЯ В РОССИИ

В соответствии с рабочей программой проекта нами создана система регистрации воздействия магнитосферных возмущений на энергосистему Карелии и Кольского полуострова. Измеряемым параметром является почти постоянный ток, протекающий в глухозаземленной нейтрали автотрансформатора, который связан с ГИТ в линии электропередачи (ЛЭП). На рис. 1 представлена схема ЛЭП и отмечены ПС, на которых установлены датчики тока. Для исследования выбраны ПС «Лоухи», «Кондопога», «Титан» и «Выходной» на магистральной линии 330 кВ и ПС «Ревда» на линии 110 кВ. Такой выбор точек измерения позволяет при развитии магнитосферного возмущения исследовать распределение ГИТ по широте на магистральной линии, ориентированной с юга на север, а также регистрировать ГИТ в линии, направленной с запада на восток.

Рис. 1. Схема расположения точек измерения ГИТ и магнитного поля

Кроме того, на схеме показаны места установки устройств регистрации ГИТ в Финляндии в нейтралях автотрансформаторов на ПС «Пирттикоски» (Pirttikoski), «Юлликкала» (Yllikkl) и «Раума» (Rauma), а также на магистральном газопроводе «Мантсала» (Mntsl), для которых доступна база архивных данных за период с 1999 по 2006 годы. В Мекриярви (Mekrijrvi) и Ивало (Ivalo) расположены обсерватории Финского метеорологического института, которые представляют данные о вариациях магнитного поля. В 2012 г. в систему мониторинга ГИТ включена геомагнитная станция, расположенная в с. Ловозеро.

В системе использованы датчики тока и локальная система сбора первичной информации, специально разработанные для таких измерений [11]. Локальная система выполняет сбор, первичную обработку, подготовку и передачу данных через интернет-канал в центр сбора данных. Для организации интернет-канала используется устройство передачи данных, выполненное на базе GSM-терминала.

Центр сбора данных расположен на сервере Полярного геофизического института и представляет собой программно-аппаратный комплекс, который предназначен для приема, хранения, обработки и представления данных измерений ГИТ. В программный состав комплекса входят: ftp-сервер, СУБД (специализированная система управления базами данных), комплекс программ для обработки данных измерений и web-сервер. В центре сбора данные проходят процедуру подготовки и преобразования, которая включает в себя три этапа. На первом этапе данные, полученные со станций сбора, импортируются в базу данных (БД) без предварительной обработки. На втором этапе производится выборка данных из БД с последующей обработкой, которая включает в себя фильтрацию, понижение частоты сигнала (с 10 Гц до одноминутных значений), коррекцию базовой линии сигнала (baseline correction) и т.д.

На заключительном этапе данные преобразуются в формат, необходимый для представления результатов в сети интернет. С этой целью был разработан веб-сайт eurisgic.org [12], который предоставляет доступ к текущим данным измерений ГИТ, полученным с трансформаторных подстанций (ТП), доступ к архивным данным, а также к информации о скорости изменения магнитного поля, полученной из финских обсерваторий.
Непрерывная регистрация ГИТ в нейтралях нескольких автотрансформаторов на протяжении ряда лет позволила получить качественно новую информацию о воздействии ГИТ на ТП в периоды сильных и умеренных возмущений. Записи токов в нейтралях ПС «Ревда», «Лоухи», «Кондопога» позволили выявить существенные возрастания амплитуд гармоник промышленной частоты во время геомагнитных возмущений 26 сентября 2011 г. и 1 октября 2012 г.

На Земле около 3 часов ночи 1 октября 2012 г. по московскому времени было зарегистрировано начало магнитной бури уровня не ниже третьего по пятибалльной шкале (уровень 1 является минимальным, а уровень 5 соответствует событиям экстремальной силы, последнее из которых происходило в 2005 году). Несмотря на то, что буря в целом прогнозировалась, ее высокий уровень стал довольно неожиданным, так как планировалось, что событие не превысит уровня 1 и будет весьма рядовым. В частности, в 2012 году бурь первого уровня уже было около 20, а всего в 2012 году наблюдался 31 день с магнитными бурями. Фактический третий уровень события сделал его одним из самых крупных в том году. Сила магнитной бури достигала третьего уровня в 2012 г. лишь один раз: 9 марта.

На рис. 2 показан график значений Kp-индекса за три дня по данным сайта российской космической обсерватории ТЕСИС (http://www.tesis.lebedev.ru/info/tesis_20121001.php).

Рис. 2. K_p–индекс в период магнитной бури 1 октября 2012 г.

ГИТ в этот день были зарегистрированы на всех пяти ПС: на «Кондопоге» значение тока достигло 5 А, на «Лоухах» – 18,5 А, на «Титане» – 4 А, на «Ревде» – 3,5 А, на «Выходном» – 24 А. Самые интересные результаты получены на «Лоухах», где на новой подстанции 330 кВ установлены автотрансформаторы импортного производства, отличающиеся по конструкции от советских и российских автотрансформаторов, которые установлены на других ПС.

На рис. 3 показана запись амплитуды ГИТ в нейтрали этого автотрансформатора. В 04:13:35 МСК амплитуда достигла 18,5 А.

Рис. 3. Амплитуда ГИТ в нейтрали автотрансформатора на ПС «Лоухи» в период магнитной бури 1 октября 2012 г.

Значительный рост искажений в кривой тока нейтрали привел к запуску блока записи переходных процессов в устройстве регистрации ГИТ на ПС «Лоухи». Этот блок срабатывает по условию превышения некоторого порогового значения производной от тока нейтрали в данный момент времени. Блок регистрации переходных процессов записал кривую тока нейтрали в 04:13:43 МСК, показанную на рис. 4.

Рис. 4. Кривая тока нейтрали на ПС «Лоухи»

Промежуток времени записи составляет чуть меньше периода промышленной частоты (256 точек с частотой дискретизации 14400 Гц или около 18 мс), что позволяет провести разложение сигнала в ряд Фурье. В токе нейтрали преобладает третья гармоника, что связано с насыщением сердечника каждую треть периода в максимумах тока каждой из фаз. Кривая тока есть сумма постоянной составляющей, созданной ГИТ (в текущий момент времени она составляла порядка 17 А), первой гармоники промышленной частоты 50 Гц (5,5 А) и высших гармоник, наибольшая из которых – третья (7 А).

Таким образом, ГИТ выступает как ток подмагничивания, вызывая намагничивание сердечника автотрансформатора и повышение уровня гармоник, что может вызвать как действие релейной защиты, так и нагрев трансформатора. Необходимо заранее смоделировать, как будет развиваться в этом случае ситуация на ПС «Лоухи», иначе есть вероятность возникновения аварии, которая приведет к разрыву транзита электроэнергии из Кольской энергосистемы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная в Кольском научном центре РАН работа по организации непрерывной регистрации ГИТ на подстанциях магистральных электрических сетей Северо-Запада не имеет аналогов в РФ, представляет обширный оригинальный материал, позволяющий:

• исследовать влияние геомагнитных возмущений на трансформаторные подстанции сети;
• моделировать пиковые значения наведенных токов в энергосистеме при развитии экстремальных возмущений;
• оценивать предельные значения наведенных геоэлектрических полей в зонах повышенной электромагнитной опасности, к каковым могут быть отнесены узловые подстанции, атомные электростанции, системы железнодорожной автоматики и проч.

В настоящее время актуальной задачей по повышению безопасности функционирования технологических систем России, подверженных воздействию геомагнитных возмущений, является разработка и создание Единой системы непрерывной регистрации и прогнозирования ГИТ, а также разработка методов и устройств защиты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сушко В.А., Косых Д.А. Геомагнитные штормы. Угроза для электроэнергетических систем // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 1(79).
2. Гершенгорн А.И. Воздействие геомагнитных бурь на электроэнергетические системы // Энергохозяйство за рубежом. 1974. № 3.
3. Гершенгорн А.И. Исследование нарушений в электроэнергетических системах, вызываемых геомагнитными бурями // Энергохозяйство за рубежом. 1982. № 5.
4. Гершенгорн А.И. Воздействие магнитных бурь на электроэнергетические системы // Энергохозяйство за рубежом. 1991. № 4.
5. Панасюк М.И. и др. Магнитные бури в октябре 2003 года. Коллаборация «Солнечные экстремальные события 2003 года (СЭС–2003)» // Космические исследования. 2004. № 5.
6. Костенко М.В., Трошичев О.А., Данилин А.Н., Остафийчук Р.М., Баранник М.Б., Селиванов В.Н. Научные и технические аспекты обеспечения электромагнитной совместимости энергосистем при воздействии мировых электромагнитных бурь // Тезисы докладов IV Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». СПб., 1996.
7. Данилин А.Н., Колобов В.В., Сахаров Я.А., Баранник М.Б. Результаты длительных регистраций токов в нейтралях силовых трансформаторов // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Выпуск 1. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2010. URL: http://www.kolasc.net.ru/russian/news/vestnik/trudy/trudy.(1).pdf.
8. Баранник М.Б., Вильянен А., Данилин А.Н., Катькалов Ю.В., Колобов В.В., Прокопчук П.И., Сахаров Я.А. Разработка системы измерения геоиндуктированных токов на Северо-Западе России для проекта EURISGIC // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Выпуск 3. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2011. http://www.kolasc.net.ru/russian/news/vestnik/trudy/trudy.(5).pdf.
9. Селиванов В.Н., Баранник М.Б., Данилин А.Н., Колобов В.В., Сахаров Я.А. Исследование влияния геомагнитных возмущений на гармонический состав токов в нейтралях автотрансформаторов // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Выпуск 4. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2012. http://www.kolasc.net.ru/russian/news/vestnik/trudy/energetiki_4_2012(8).pdf.
10. European Risk for Geomagnetically Induced Currents. http://eurisgic.eu.
11. Баранник М.Б., Данилин А.Н., Катькалов Ю.В., Колобов В.В., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. Система регистрации геоиндуктированных токов в нейтралях силовых автотрансформаторов // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 1.
12. European Risk for Geomagnetically Induced Currents / GIC records archive. http://eurisgic.org.