Pomorski fakultet u Rijeci

Elektromagnetska kompatibilnost brodskih uređaja

Utjecaj geomagnetskih smetnji na energetske sustave

U Rijeci, lipanj 2011.

SADRŽAJ

1. Uvod........................................................................................................................................3

2. Geomagnetske oluje................................................................................................................4

2.1 Karakteristike geomagnetskih oluja..................................................................................4

2.2 Značajnije povijesne geomagnetske oluje i njihove posljedice........................................5

3. Utjecaj geomagnetskih oluja...................................................................................................7

3.1 Utjecaj geomagnetski induciranih struja na transformator i distributivnu mrežu.............7

3.2 Smanjenje posljedica GIC-a...........................................................................................10

4. Zaključak...............................................................................................................................11

Literatura...................................................................................................................................12

1. Uvod

Posljednjih godina, prirodne katastrofe su prouzročile katastrofalne posljedice u cijelom

svijetu. Tsunamiji, tornada, poplave, potresi i vulkanske erupcije dovele su do tisuća

izgubljenih života, te milijardi dolara ekonomske štete. Geomagnetske oluje, oblik

svemirskog nevremena, su puno rjeđe, ali imaju potencijal da naprave štetu u cijelom svijetu

sa samo jednim događajem.

Visokonaponski transformatori i prijenosne linije, napravljeni da izdrže zemaljska nevremena,

posebno su osjetljivi na geomagnetski inducirane struje. Osim na elektroenergetske sustave

geomagnetske oluje utječu i na komunikacije, satelite i cjevovode.

U ovom seminaru ukratko su opisane geomagnetske oluje, značajnije oluje i njihove

posljedice, te utjecaj geomagnetskih oluja na elektroenergetske sustave.

2. Geomagnetske oluje

Geomagnetska oluja je privremeno ometanje Zemljine magnetosfere, koje uzrokuju

Sunčeve aktivnosti, a to su obično udarni val i oblak magnetskog polja Sunčevog vjetra,

zajedno sa Sunčevim bakljama i koronalnim izbacivanjem mase, koji zajedno napadaju

Zemljino magnetsko polje 3 dana nakon Sunčevih aktivnosti. Pritisak Sunčevog vjetra na

magnetosferu i magnetsko polje Sunčevog vjetra će se povećavati ili smanjivati, ovisno o

Sunčevim aktivnostima. Promjene pritiska Sunčevog vjetra mijenjaju električnu struju u

ionosferi, a magnetsko polje Sunčevog vjetra će medusobno djelovati sa Zemljinim

magnetskim poljem. Geomagnetske oluje obično traju dan ili dva, ali mogu trajati i danima.

2.1 Karakteristike geomagnetskih oluja

Za mjerenje veličine geomagnetske oluje se koristi više skala. K i Ak indeksi se koriste

za kategoriziranje intenziteta geomagnetske oluje. K faktor iznosi od 0 do 9 i temelji se na

maksimalnoj devijaciji magnetskog polja unutar intervala od 3 sata, dok Ak indeks iznosi od 0

do 400 za 24 satni indeks koji proizlazi iz osam 3 satnih K indeksa.

„Tihe“ geomagnetske oluje imaju K faktor od 0 do 4 i Ak od 0 do 20. „Manjim“ olujama se

klasificiraju oluje s K indeksom od 5 ili Ak od 30 do 50. „Ozbiljne“ oluje su one s K indeksom

od 7 do 9 i Ak indeksom od 100 do 400. Od 1999. uvedena je i G skala koja prikazuje

geomagnetski utjecaj na fizičku infrastrukturu. [3]

Ozbiljnije oluje se definiraju sa negativnim Dst (Disturbance storm time) indeksima,

pa je tako ozbiljna oluja ona koja ima Dst manji od -500 nanoTesla (nT). Uz to, intenzitet

geomagnetske oluje se često izražava u nanoTeslama po minuti (nT/min). U sljedećem

poglavlju su navedene ozbiljnije oluje u posljednjih 200 godina, od kojih je najjača bila oluja

iz 1859. koja je po jačini bila 3 puta jača od oluja u posljednjih 30 godina. [3]

Geomagnetska oluja putuje od Sunca prema Zemlji sa brzinama preko 2300 km/s.

Najbrža zabilježena oluja je bila oluja iz 1972. kojoj je trebalo 14.6 sati od Sunca do Zemlje

sa brzinom od 2850 km/s. [3]

Kad geomagnetska oluja stigne do Zemljinog magnetskog polja putuje kroz tri faze,

početnu fazu, glavnu fazu i fazu oporavljanja. Početna faza može trajati od nekoliko minuta

do nekoliko sati i može emitirati maksimalno nekoliko desetaka nT. Glavna faza traje od 30

minuta do nekoliko sati i prouzrokuje stotine negativnih nT. Trajanje faze oporavljanja,

najdulja faza, može trajati od nekoliko desetaka sati, pa sve do jednog tjedna i to je faza u

kojoj se razina nT vraća u normalu. [3]

Područja na višim geografskim širinama su više osjetljiva na geomagnetske oluje od

nižih regija, ali su zabilježena i oštećenja od geomagnetski induciranih struja (GIC) i u južnoj

Africi i Japanu. Za precizniji model geografskog predviđanja GIC-a, potrebno je uzeti u obzir

i vodljivost zemlje na temelju tipa tla, sadržaju tekućine i mineralnog sastava određene regije.

2.2 Značajnije povijesne geomagnetske oluje i njihove posljedice

Od kad je postojala mogućnost za praćenje geomagnetskih oluja, zabilježene su tri značajnije.

To su oluja iz 1859., 1989, te 2003. Svaka od ove tri geomagnetske oluje je prikazala

ranjivost različitih infrastruktura, te postavila pitanje nadzora i zaštite od geomagnetskih

oluja. [3]

Najjači slučaj geomagnetske oluje je zabilježen 1859. Od 28. kolovoza do 2. rujna

1859., mogle su se primijetiti brojne Sunčeve pjege i Sunčeve baklje, a najaktivnije su bile 1.

rujna. Ogromno koronalno izbacivanje masa je udarilo direktno Zemlju, izazvano Sunčevim

bakljama. 18 sati nakon pojave, 2. rujna 1859. snimljena je najjača geomagnetska oluja, koja

je imala vrijednost -1760 nT. U telegrafskim žicama se uočila geomagnetski inducirana

električna struja (GIC), koja je uzrokovala električni udar na nekoliko telegrafskih operatora.

U današnje vrijeme oluja ovakvih razmjera napravila bi bilijune dolara štete. [3]

13. ožujka 1989., geomagnetska oluja je uzrokovala izbacivanje električne mreže u

Quebecu i sjeveroistočnim dijelovima SAD-a, 6 miljuna ljudi je ostalo bez električne struje i

to na 9 sati. Geografska pozicija i duljina prijenosnih linija od 1000km, je značajno utjecala

na događaje u Hydro-Quebec mreži. Geomagnetski inducirana struja koja je tekla mrežom je

značajno oštetila statičke kompenzatore, te uzrokovala njihovo isključenje. To je uzrokovalo

daljnje smetnje u sustavu i oštećenja opreme. Pri obskrbi električnom energijom pridružili su

se drugi centri, te u kombinaciji s smanjenjem potrošnje industrije se je nakon 9 sati vratilo

83% ukupne snage, ali je i dalje milijon ljudi ostao bez struje. Sveukupna šteta uzrokovana

ovim događajem je iznosila 6 milijardi dolara. Nakon ovog incidenta kanadska vlada je

uložila 1.2 milijarde dolara u ugradnju serijskih kapaciteta u prijenosne linije koji će blokirati

geomagnetski induciranu struju. [3]

Slika 2.1 Prikaz geomagnetske oluje iz 1989. [4]

Zadnja veća geomagnetska oluja je bila na kraju 2003. godine, te je utjecala na

elektroenergetski sustav, avio industriju, te satelitske komunikacije. U Švedskoj su primjećeni

problemi sa transformatorima, koji su doveli do padova sustava i čestih nestajanja struje.

Tijekom ove oluje nastali su i problemi kod avionskih letova gdje je zbog solarne aktivnosti

bilo problema u visoko frekventnoj komunikaciji, a neka područja su bila potpuno

komunikacijski nedostupna. Zbog toga je puno letova preusmjereno, te su nastali troškovi od

10,000$, pa sve do 100,000$ po preusmjerenom letu. Također je bila pogođena GPS

navigacija, pa Federal Aviation Administration (FAA) nije bila u mogućnosti davati GPS

potporu punih 30 sati.

3. Utjecaj geomagnetskih oluja

Geomagnetska inducirana struja (engl. geomagnetically induced current - GIC) utječe

na normalan rad veoma dugih električnih vodiča, uslijed geomagnetske oluje. Za vrijeme

geomagnetske oluje, električna struja u magnetosferi i ionosferi doživljava promjene, a

mijenja se i Zemljino magnetsko polje. Najviše problema imaju vrlo dugi dalekovodi u Kini,

Sjevernoj Americi i Australiji, dok su Europski dalekovodi puno kraći. Postoje zaštitne mjere

kao ukopavanje prijenosnih linija u zemlju, postavljanje gromobrana na dalekovode ili

korištenje kablova kraćih od 10 km.

Slika 3.1 Grafički prikaz geomagnetskog utjecaja [2]

3.1 Utjecaj geomagnetski induciranih struja na transformator i distributivnu mrežu

Za vrijeme velikog izbacivanja koronalne mase Sunca, na Zemlji dolazi do geomagnetskih

oluja koje uzrokuju razliku potencijala na površini zemlje i kvazi-istosmjerne struje iznosa

preko 100 A. Takve pojave mogu uzrokovati tok istosmjerne struje kroz uzemljene nul točke

transformatora u energetskoj mreži. Ta struja je približno istog iznosa i smjera u sve tri faze,

te može uzrokovati pomak po krivulji magnetiziranja i zasićenje jezgre.

Kada kroz uzemljenje zvjezdišta transformatora poteče istosmjerna struja, dolazi do čitavog

niza popratnih pojava na rad transformatora. Jezgre transformatora s povratnim magnetskim

putem će se zbog istosmjernog magnetiziranja asimetrično zasititi. S obzirom da magnetski

lim od kojeg je jezgra sastavljena ima krivulju magnetiziranja sa strmim koljenom, a

transformatori su projektirani za indukcije u jezgri blizu koljena krivulje, istosmjerni tok

može izazvati vrlo veliku struju magnetiziranja, reda veličine i do deset puta veću od

nominalne struje. Zasićenje jezgre znatno povećava rasipni tok u transformatoru, što povećava

dodatne gubitke uslijed vrtložnih struja u konstrukcijskim dijelovima i uzrokuje njihovo

povećano zagrijavanje. Jezgra u zasićenju i velika struja u namotima izazivaju povećanu buku

transformatora.

Slika 3.2 Zasićenost transformatora [1]

Transformatori koriste čelik u svojim jezgrama da bi poboljšali svoje mogućnosti i

učinkovitost, no jezgra je ta koja predstavlja nelinearnosti u njihovim performansama.

Uobičajeni dizajn transformatora prakticira minimiziranje utjecaja nelinearnosti u

performansama,te istovremeno smanjenje količine čelika potrebnog za izradu jezgre.

Transformatori su dizajnirani da pretežno rade u linearnom području karakteristike željezne

jezgre,tek vrlo malo izvan te karakteristike u vršcima napona.

U prisustvu geomagnetski induciranih struja,normalna radna točka krivulje zasićenosti jezgre

se miče,te dolazi do varijacija napona te rada jezgre u izrazito nelinearnom dijelu

karakteristike. Dolazi do ekstremnog zasićenja koje se očituje u polovici AC kruga,te se

pojavljuje velika i asimetrična uzbudna struja,koja se vremenski pomiče,kasni napon za 90

stupnjeva,te stvara gubitke snage u sustavu.

Najveći utjecaj na mrežu izaziva vrlo veliko povećanje potrebne jalove snage uslijed zasićenja

jezgara transformatora. Također, zbog asimetričnog zasićenja pojavljuju se viši harmonici u

mreži. Ti harmonici izazivaju preopterećenje kondenzatora i filtara u mreži. Viši harmonici

mogu uzrokovati proradu zaštite u mreži, kao i poremećaje u radu statičkih kompenzatora koji

mogu ispasti iz pogona. Automatsko raspoređivanje opterećenja u mreži može biti nedovoljno

učinkovito, što pak može izbaciti iz pogona čitav elektroenergetski sustav.

Slika 3.3 Harmonici generirani u transformatoru [4]

Proizvesti transformator velike snage koji bi bio imun na geomagnetski induciranu struju nije

baš jednostavno. Takav transformator bio bi težak i skup, jer bi bilo potrebno

predimenzionirati jezgru, te samim time i količinu bakra zavoja primara i sekundara.

3.2 Smanjenje posljedica GIC-a

Najjednostavnija način zaštite od geomagnetski induciranih struja je spajanje malog otpora

(2.5-7 Ω) na uzemljenja transformatora. Ovo jednostavno rješenje će značajno smanjiti, ali ne

i kompletno blokirati tok geomagnetski inducirane struje u prijenosne linije. Postoje i druga

rješenja primjenom kapaciteta, ali je prvotno rješenje puno jednostavnije, jeftinije i najbrže za

implementaciju.

Slika 3.4 Prikaz jednostavne zaštite od geomagnetski induciranih struja [4]

Na sljedećoj slici je prikazano koliko se smanji GIC upotrebom otpora.

Slika 3.5 Grafički prikaz smanjenja GIC-a [4]

4. Zaključak

Kad bi se u današnje vrijeme pojavila oluja jačine one iz 1859. šteta bi bila puno veća nego u

to vrijeme. Danas postoje na tisuće kilometara duge elektro energetske mreže koje služe kao

„antene“ za geomagnetski induciranu struju, pa tako GIC od 5 V/km bi imao puno veće

posljedice nego kad su mreže bile duge samo desetke kilometara.

Prije geomagnetske oluje iz 1989., ljudi nisu vjerovali da bi elektroenergetska industrija

mogla imati velike posljedice od geomagnetskih oluja. Ali događaji u Quebecu su razuvjerili

većinu skeptičnih promatrača i od onda se sve više ulaže u promatranje i predviđanje

geomagnetskih oluja. Međutim, elektroenergetska industrija će trebat živjeti s ovim

problemom sve dok se nepronađe rješenje za potpunu zaštitu od geomagnetskih oluja.

Literatura

[1] John G. Kappenman, Vernon D. Albertson (1990): Bracing for the geomagnetic

storms, IEEE SPECTRUM, pp. 27-33.

[2] Reene James (2007): Solar Forecast: Storm ahead, Sky & Telescope, pp. 24-30.

[3] Centra Techology (2011): Geomagnetic Storms, OECD

[4] John Kappenman: Electric Power Grid Vulnerability to Geomagnetc Storms