Повышение надежности работы объектов электроэнергетики в условиях воздействия геоиндуктированных токов, генерируемых возмущениями магнитного поля Земли в периоды геомагнитных бурь

Серьезной угрозой для энергетической инфраструктуры являются геомагнитно-индуцированные токи в проводящих системах, вызванные резкими изменениями геомагнитного поля [5].

Проблемой, затрудняющей предотвращение чрезвычайных ситуаций в электроэнергетике, связанных с воздействием геоиндуктированных токов, генерируемых возмущениями магнитного поля Земли в периоды геомагнитных бурь, является отсутствие актуаль-

Повышение надежности работы объектов электроэнергетики в условиях ...

Грабчак Евгений Петрович

ных методик, стандартов и другой нормативной документации, полноценно регламентирующих требования по электромагнитной защищенности объектов Единой энергетической системы (далее – ЕЭС) России, в настоящий момент и упреждающих возможные перспективные риски и угрозы преднамеренного применения электромагнитного импульса (далее – ЭМИ) как отдельно, так и в сочетании с природными явлениями (геомагнитными бурями) [3].

Геомагнитные бури как угроза работе электроэнергетической инфраструктуры

Геомагнитные бури (далее – ГМБ) являются причиной разнообразных чрезвычайных ситуаций, в первую очередь функциональных нарушений и аварий электрооборудования в системах проводной связи, электроэнергетических системах, системах сигнализации и связи на железнодорожном транспорте, системах антикоррозионной защиты магистральных нефтегазопроводов [1].

Основным негативным фактором воздействия ГМБ является генерирование геоинду-цированных токов (далее – ГИТ), возникающих в протяженных наземных и подземных проводящих коммуникациях, имеющих гальваническую связь с окружающей землей не менее чем в двух пространственно разделенных точках. В случае протекания указанных токов в трансформаторном оборудовании может произойти смещение рабочей точки вдоль кривой намагничивания сердечника, что приведет к его насыщению. Последнее провоцирует многократное возрастание токов намагничивания, что имеет серьезные негативные последствия, вплоть до выхода оборудования из строя и иных аварийных ситуаций. Масштабность воздействия ГМБ позволяет ожидать одновременного инициирования аварийных ситуаций в множестве точек энергосистемы, что несет потенциальные ри- ски каскадных отключений оборудования. Подобное негативное влияние геомагнитных возмущений особенно актуально для северных (арктических) районов, что подтверждается событиями в конце прошлого века в США и Канаде.

Продолжающееся расширение высоковольтных электрических сетей, рост связи между ними, увеличение нагрузки и переход на низкоомные линии электропередачи с более высоким напряжением приводят к увеличению вероятности отказов во время космических электромагнитных явлений. Расширение линий передачи за последние несколько десятилетий сделало энергосистему эквивалентом большой антенны, которая электромагнитно связана с воздействиями, создаваемыми возмущениями магнитосферы Земли.

Для примера: электросеть Hydro Quebec 13 марта 1989 года вышла из строя при геомагнитно-индуцированных возмущениях примерно ~ 480 нТл/мин по региону. Произошло отключение электроэнергии по всей провинции через 92 секунды от начала воздействия. Уровни возмущений более 2000 нТл/мин ранее наблюдались по крайней мере трижды во второй половине ХХ века на геомагнитных широтах, оказывающих влияние на энергосистему Северной Америки, это август 1972-го, июль 1982-го и март 1989 года.

Система мониторинга геоиндуцированных токов

Несмотря на большое внимание, удаляющееся в настоящее время развитию арктических регионов Российской Федерации, в нашей стране отсутствует единая глобальная система мониторинга геомагнитных возмущений и геоидуцированных токов.

В 2011 году Кольским научным центром РАН совместно с Полярным геофизическим институтом создана единственная локальная система мониторинга геоиндуцированных токов в нейтралях трансформаторов.

Накоплен массив информации о влиянии геомагнитных возмущений на электрическую сеть протяженностью 800 км. Измерений в фазах не проводилось ввиду отсутствия разрешения со стороны собственника линий электропередачи (далее – ЛЭП), хотя указанные измерения необходимы для полноты данных о степени влияния ГИТ на оборудования энергосети.

Для корректной оценки степени угрозы геомагнитных возмущений в отношении протяженных энергосистем необходимо провести мероприятия по наработке научно-технического обеспечения глобальных исследований влияния геоиндуцированных токов, вызванных магнитными бурями, на надежность ЕЭС России. Полученные целевым образом данные о геомагнитной активности позволят провести корреляционный анализ нештатных событий на исследованных энергосистемах с масштабными процессами в магнитосфере Земли.

Наработка научно-технического обеспечения глобальных исследований влияния геоиндуцированных токов, вызванным магнитными бурями, на надежность ЕЭС России

Для решения вышеописанных проблем Минэнерго России совместно с Объединенным институтом высоких температур РАН разработан проект Стратегии обеспечения безопасности Единой энергетической системы России в условиях естественных и искусственных электромагнитных воздействий (далее – проект Стратегии).

В проекте Стратегии обеспечения безопасности ЕЭС России в условиях естественных и искусственных электромагнитных воздействий (программа) включен раздел, посвященный исследованию влияния геоиндуцированных токов, вызванных магнитными бурями, на надежность ЕЭС России.

Проект Стратегии предусматривает:

Повышение надежности работы объектов электроэнергетики в условиях ...

• •    развитие существующей системы мониторинга геоиндуцированных токов в магистральных электрических сетях в регионах России с повышенным уровнем геоиндуциро-ванных токов;

• •    выявление объектов электроэнергетики в регионах России с повышенным уровнем геоиндуцированных токов, потенциально подверженных негативному воздействию геомагнитных возмущений;

• •    разработка требований к выбору и проектированию оборудования электрических сетей, функционирующих в районах с повышенным уровнем геоиндуцированных токов.

Для повышения надежности работы объектов электроэнергетики и предотвращения вероятных чрезвычайных ситуаций в регионах России с повышенным уровнем геоинду-цированных токов предлагается следующее.

• 1.    Исследование воздействий, индуцированных ионосферными токами геомагнитных возмущений, на оборудование технологических систем северных регионов; анализ данных мониторинга геомагнитных воздействий на магистральные сети 330 кВ Кольской энергосистемы, сопоставление их с данными магнитосферных станций Баренцрегиона.

• 2.    Разработка технических средств и программного обеспечения для глобальной системы мониторинга геоиндуцированных токов на территории России, включая Арктический регион.

• 3.    Создание региональных систем мониторинга воздействий геомагнитных возмущений на оборудование технологических систем в регионах России с повышенным уровнем геоиндуцированных токов.

• 4.    Разработка моделей воздействия геомагнитных бурь на наземные технологические объекты, численное моделирование воздействия ГИТ на автотрансформаторы магистральных линий и тупиковых подстанций для оценки возможного негативного влияния на их функционирование [6].

• 5.    Анализ оперативных схем электрических сетей энергосистем в различных режимах работы и оценка степени негативного воздействия на конкретное оборудование для принятия решения о необходимости его защиты.

• 6.    Исследование эффективности технических и организационных мероприятий для уменьшения негативного воздействия геомагнитных возмущений на технологические системы.

• 7.    Разработка технических условий и требований к выбору и проектированию оборудования и объектов технологических систем, функционирующих в районах, подверженных негативному воздействию геомагнитных возмущений.

Программа модификации ионосферы с целью имитации магнитных бурь

Ранее США проводили испытания и активно использовали антенный комплекс HAARP, в том числе для ионосферного рассеивания высокочастотных радиоволн при управлении гидрометеорологическими явлениями, что могло привести к инициированию территориально сконцентрированных очаговых перепадов температур, массированному выпадению осадков, организации на больших территориях засухи и лесных пожаров и др. [4].

Таким образом, актуальной задачей является разработка новых физических и геофизических методов создания долгоживущих плазменных образований в ионосфере, а также электромагнитного излучения, влияющих на работоспособность информационно-управ-ляющих систем в энергетике в аспекте предотвращения чрезвычайных ситуаций [2]. Для полноценного описания рассматриваемых явлений необходимо верифицировать существующие и вновь разрабатываемые модели на реальных экспериментальных данных.

Решением проблемы является создание новых технологий на основе инжекции в ионосферу высокоскоростных плазменных струй, приводящая к образованию долгоживущих областей с контролируемым изменением характеристик, вторичного электромагнитного излучения, а также возбуждению системы «ионосфера – магнитосфера» в целом.

Для развития данного направления предложены следующие мероприятия.

• 1.    Развитие расчетных моделей и численный анализ возможных воздействий на ионосферу.

• 2.    Разработка исходных данных для практической реализации программы модификации ионосферы с целью имитации магнитных бурь.

• 3.    Разработка, изготовление и наземная отработка генераторов высокоэнергичных потоков плотной плазмы.

• 4.    Разработка диагностических систем для размещения на ракетных носителях и на земле.

При получении исходных требований для масштабного эксперимента целесообразна разработка с участием Российской академии наук отдельной программы с целью проведения экспериментов по модификации ионосферы.

Заключение

Для комплексного повышения устойчивости энергетических объектов в регионах России с повышенным уровнем геоиндуцированных токов и предотвращения чрезвычайных ситуаций необходимо решать как локальные задачи защиты оборудования от внешнего искусственного электромагнитного воздействия, так и глобальную задачу стойкости топологии сети к масштабным электромагнитным воздействиям геоиндук-тированных токов, генерируемых возмущениями магнитного поля Земли в периоды геомагнитных бурь, или множеству аналогичных, но локальных событий явного и латентного характера.