CC BY
31
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.29-35 УДК 550.374
В. А. Пилипенко, В. Б. Белаховский, Я. А. Сахаров, В. Н. Селиванов
ВОЗДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОЙ БУРИ 7-8 СЕНТЯБРЯ 2017 ГОДА НА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ
Аннотация
Интенсивность геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ) определяется вариациями во времени геомагнитного поля dB/dt. В системе регистрации ГИТ на Кольском полуострове и в Карелии во время геомагнитных бурь интенсивность ГИТ существенно возрастает. Достаточно ли для оценки величины ГИТ информации о локальной производной dB/dt - этот вопрос рассматривается в данной работе на примере магнитной бури 7-8 сентября 2017 г. Для синтеза вариаций теллурического поля использованы импедансы земной поверхности, рассчитанные в ходе эксперимента BEAR 1998 г. по глубинному магнитотеллурическому зондированию Феноскандии. Оказалось, что для некоторых случаев, корреляция ГИТ с вариациями dB/dt не выше, чем с вариациями самого поля В. Проводящая земная кора действует на вариации геомагнитного поля, вызывающие индуцированные токи в ЛЭП, как низкочастотный фильтр, подавляя высокочастотные компоненты.
Ключевые слова:
магнитная буря, геомагнитно-индуцированные токи, магнитотеллурическое зондирование.
V. A. Pilipenko, V. B. Belakhovsky, Ya. A. Sakharov, V. N. Selivanov
THE IMPACT OF THE GEOMAGNETIC STORM ON 7-8 SEPTEMBER 2017 ON ELECTRO POWER SYSTEM
Abstract
Intensity of geomagnetic-induced currents (GIC) is determined by the time variations of the geomagnetic field dB/dt. In the system of registration of GIC on the Kola Peninsula and in Karelia during geomagnetic storms, the GIC intensity increases significantly. Is the local derivative dB/dt sufficient for estimating the GIC magnitude? This issue is considered in this paper using as example the magnetic storm on June 7-8, 2017. To synthesize electrotelluric field variations, we use the Earth's surface impedances calculated during the 1998 BEAR experiment on deep magnetotelluric sounding of Fennoscandia. It turned out that for some cases, the correlation of GIC with variations of dB/dt is not higher than with variations of the field B. The conductive crust acts on geomagnetic variations dB/dt, inducing GIC in the power system, as a low-pass filter, suppressing high-frequency components.
Keywords:
magnetic storm, geomagnetically induced currents, magnetotelluric sounding.
Введение
Одним из наиболее существенных проявлений космической погоды являются электрические геомагнитно-индуцированные токи (ГИТ), возбуждаемые при резких изменениях геомагнитного поля в линиях электропередач (ЛЭП). Даже если не происходит нарушений в работе
оборудования, перегрузки в сети, вызванные космической погодой, оказывают существенный экономический эффект на рынок электроэнергии [1]. Ранее полагалось [2], что интенсивность ГИТ I пропорциональна производной по времени геомагнитного поля J~dB/dt. Однако это справедливо для замкнутого витка провода с омическим сопротивлением в вакууме. В реальности ГИТ индуцируется в контуре, образованным ЛЭП, заземлением с плохо известными характеристиками и земной корой с частотно-зависимыми геоэлектрическими свойствами. При этом во время магнитных бурь поле сильно варьирует по величине и направлению [3], а пространственные структура возмущения содержит иерархию масштабов. Более корректно полагать, что ГИТ определяется разностью потенциалов теллурического поля между заземленными узлами сети. Однако в отличие от наблюдений вариаций геомагнитного поля на мировой сети магнитных станций (около 300), регулярные наблюдения теллурического поля практически отсутствуют. Единственная возможность оценить эти поля состоит в их синтезе по данным о магнитных вариациях и геоэлектрических свойствах подстилающей земной поверхности [4]. В данной работе проводится сопоставление ГИТ, вариаций магнитного поля и синтезированного теллурического поля в период магнитной бури 7-8 сентября 2017 г.
Рис. 1. Карта положения магнитных станций сети IMAGE (черные кружки), пунктов МТЗ (треугольники) и станций регистрации ГИТ (квадраты). Пунктирная линия означает трассу ЛЭП. Тонкие сплошные линии показывают геомагнитную сетку координат, точечные линии - географическую сетку. Для анализируемого периода данные ГИТ со станции RVD отсутствуют.
Данные регистрации геомагнитных вариаций и ГИТ
Полярным Геофизическим Институтом совместно с Центром физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН создана единственная в России система регистрации воздействия магнитосферных возмущений на энергосистему [5], развернутая на Кольском полуострове и в Карелии (рис. 1).
Измеряемым параметром является квази-постоянный ток, протекающий в глухозаземленной нейтрали автотрансформатора, который связан с ГИТ в ЛЭП.
Информация о вариациях геомагнитного поля получена по данным магнитных станций сети IMAGE (рис. 1). Магнитные данные были децимированы к шагу дискретизации 1 мин.
Ё Е
= |
Е
- |
; ----, \
; \
2 3 los(T)
Рис. 2. Графики зависимости амплитуд элементов тензора импеданса Z(71) от
периода Т для пункта В50.
Расчет эквивалентных теллурических токов
На земной поверхности спектральные амплитуды электрической и магнитной компонент поля связаны импедансным соотношением через тензор поверхностного импеданса земной коры Z, определяемый распределением проводимости Земли с глубиной с^):
( E* (f)
V Е y f)
Л
(z„ Z , ^
7 Z
V 7yx 7yy
( X (f) ^ Y(f)
(1)
Для синтеза вариаций теллурического поля были использованы импедансы земной поверхности, рассчитанные в ходе глобального эксперимента BEAR 1998 г. по глубинному магнитотеллурическому зондированию (МТЗ) Феноскандии [6]. Положение отдельных МТЗ станций показано на карте (Рис. 1). Из первичных 10-сек данных магнитометров сети IMAGE удалялся тренд (текущее среднее значение по 33 мин интервалу) и затем применялось преобразование Фурье (ПФ). На ПФ накладывался анизотропный тензор комплексной импедансной функции Z(T) в диапазоне периодов 8-55000 сек по граничному условию (1). Затем с помощью обратного ПФ восстанавливался 10 секундный временной ряд вариаций теллурического поля (компоненты Ex и Ey).
Граничное условие (1) справедливо только для крупномасштабных возмущений над хорошо-проводящей земной поверхностью, когда масштаб возмущения много больше скин-длины 5. Поскольку всплески ГИТ могут быть вызваны быстрыми вариациями мелкомасштабных токовых структур [7], то для таких возмущений условие (1) может нарушаться. График характерной зависимости амплитуд элементов тензора Z(T) от периода Т для пункта МТЗ B50 приведен на рис. 2. Для большинства МТЗ пунктов эта зависимость хорошо
аппроксимируется степенной зависимостью Z (T)~T-a , где показатель а«0.6 (для однородного полупространства а=0.5).
Регионы, где имеются измерения магнитного поля, импеданса и ГИТ в близких точках или на одной геомагнитной широте - это набор станций LOZ-B50-VKH и HAN-B32-KND. Для этих групп станций мы сравним временные формы вариаций J(t), B(t), dB(t)/dt, E(t).
Сопоставление геомагнитных и геоэлектрических вариаций и ГИТ
Сильная магнитная буря 7-8 сентября 2017 г. неожиданно возникла на фазе минимума солнечной активности 24-го солнечного цикла. Во время главной фазы бури, начавшейся в 23:15 UT 7 сентября, геомагнитные индексы достигли значений |Dst|—150 нТл, АЕ~1500-2000 нТл. Сопоставление мгновенных амплитуд ГИТ во время этой бури на станциях VKH и KND с «магнитной кеограммой» [8], показывающей вариацию во времени широтного распределения амплитуды геомагнитного возмущения (Х-компонента) и вариабельности поля |dX/dt|, представлено на рис. 3. Видны по меньшей мере три активизации, сопровождающиеся всплеском dB/dt и J. Возмущения магнитного поля происходит на широтах 58о-67о. Эпицентр вариабельности поля |dX/dt| локализован по широте в диапазоне 60о-65о. ЛЭП от VKH до KND покрывает область широт, от 62о до 68о (положение крайних станций показано пунктиром). Таким образом, во время этой магнитной бури «эпицентр» геомагнитного возмущения находился внутри области, перекрываемой ЛЭП.
7-Я Sepieniber 2017
& 00
VI<11, 1с,с ill Lv .....1 J J
1 KND, 1С1С . L _ - - - J idl ¿iL. . . ]
4 ' "1
Vfcl « on * IM
Рис. 3. Мгновенные амплитуды ГИТ на станциях VKH и KND и «магнитная кеограмма», показывающая вариацию во времени широтного распределения (в
геомагнитных координатах) вдоль профиля станций IMAGE амплитуды геомагнитного возмущения X (3-я панель) и вариабельности поля dX/dt (нижняя панель). Горизонтальные пунктирные линии показывают положение крайних станций ГИТ VKH и KND на ЛЭП.
Сопоставление локальных значений возмущений геомагнитного и теллурического полей с 21 иТ 7 сентября по 03 иТ 8 сентября 2017 г. показаны на рис. 4 для близких станций.
Рис. 4. Вариации ГИТ, компонент теллурического поля Ех и Еу, компонент магнитного поля X и У, производных магнитного поля dX/dt и dY/dt, с 20 ЦГ 7 сент. по 03 иТ 8 сентября 2017 г. на станциях УКИ-ГУЛ (слева) и КШ-ИЛК
(справа).
Была рассчитана корреляция разных параметров магнитного и геоэлектрического полей с ГИТ на ближайших станциях УКИ и ККБ (коэффициенты корреляции Я приведены в таблице 1).
Таблица 1. Коэффициенты корреляции между ГИТ и X, У, dX/dt, dУ/dy, Ех, Еу.
J X Y dX/dt dY/dt Ex Ey
VKH-IVA -0.33 0.32 0.11 0.28 0.45 0.08
KND-HAN -0.10 0.01 -0.28 -0.26 0.21 0.27
Для пары VKH-IVA вариации dB/dt коррелируют с J даже хуже, чем вариации В. Наибольшая корреляция наблюдается между ГИТ и теллурическим полем (компонента Ех). Однако для пары KND-HAN примерно одинаковая корреляция наблюдалась как для dB/dt, так и Е (Ey-компонента).
Модель ГИТ в заземленной ЛЭП
Интенсивность ГИТ пропорциональна электродвижущей силе (EMF), которая определяется производной по времени от магнитного потока через замкнутый контур. Чтобы оценить частотную зависимость Jffl, рассмотрим
упрощенную модель заземленной ЛЭП с длиной Ь на опорах с высотой й, в которой протекает ГИТ 3 (рис. 5).
dB/dt
Рис. 5. Схема эквивалентного контура, в котором возбуждаются ГИТ при изменениях геомагнитного поля.
Токи, возбуждаемые в ЛЭП, замыкаются токами растекания в Земле. Магнитное поле проникает в Землю на глубину скин-слоя 5, определяемую величиной поверхностного импеданса 5=21/2|2|/юц. Можно качественно полагать, что эффективный магнитный поток определяется контуром с замыкающим проводником на глубине 5 и площадью Ь(й+5). Магнитный поток через контур Ф=Ба ехр(-гМ) Ь(й+5). Таким образом, ток в контуре (и в ЛЭП) определяется в типичном случае 5>>ё как:
где Я(ю) - сопротивление Земли между заземлениями, зависимость которого от длины линии частоты плохо известна. В результате зависимость ГИТ от частоты можно представить в виде:
В рассматриваемом регионе Z(m)~ma с типичным значением показателя а=0.6 (рис. 2). Таким образом, спектр ГИТ в отличие от соотношения J~dB/dt, при котором Jffl-raBffl, должен быть более слабой зависимостью от частоты, чем вариабельность поля dB/dt. Это качественное предсказание согласуется с наблюдаемыми спектральными особенностями (рис. 4) и корреляционными соотношениями (Табл. 1).
Заключение
Простые оценки показывают, что проводящая земная кора действует на вариации геомагнитного поля, вызывающие индуцированные токи в ЛЭП, как низкочастотный фильтр, подавляя высокочастотные компоненты. В зависимости от соотношения между геометрическими размерами ЛЭП и геоэлектрическими параметрами вариации ГИТ могут как соответствовать dB/dt, так и оказываться более низкочастотными.
Благодарности. Работа Пилипенко В.А. поддержана грантом РНФ № 16-17-
Jm = -шДв£5(ю)/Л( со),
(2)
Jm = 2,/2 iLц-1 Z(a)BJR(a)
(3)
Литература
1. Schulte in den Bäumen H., Moran D., Lenzen M., Cairns I., Steenge A. How severe space weather can disrupt global supply chains // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2014. Vol. 14. P. 2749-2759.
2. Viljanen A., Nevanlinna H., Pajunpää K., Pulkkinen A. Time derivative of the geomagnetic field as an activity indicator // Ann. Geophys. 2001. Vol. 19. P. 1107-1118.
3. Белаховский В.Б., Пилипенко В.А., Сахаров Я.А, Селиванов В.Н. Характеристики вариабельности геомагнитного поля для изучения воздействия магнитных бурь на электроэнергетические системы // Физика Земли. 2018. №1. 173-185.
4. Püthe C., Kuvshinov A. Towards quantitative assessment of the hazard from space weather. Global 3-D modellings of electric field induced by a realistic geomagnetic storm // Earth, Planets and Space. 2013. V. 65. P. 1017.
5. Sakharov Ya.A., A.N. Danilin, R.M. Ostafiychuk. Registration of GIC in power systems of Kola Peninsula // Proc. of 7-th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology, St-Petersburg. 2007. P. 291-293.
6. Korja T., Engels M., Zhamaletdinov A., Kovtun A., Palshin N., Smirnov M., Tokarev A., Asming V., Vanyan L., Vardaniants I. Crustal conductivity in Fennoscandia - a compilation of a database on crustal conductance in the Fennoscandian Shield // Earth Planets Space. 2002. 54. 535-558.
7. Pulkkinen A., Bernabeu E., Eichner J., Viljanen A., Ngwira C. Regional-scale high-latitude extreme geoelectric fields pertaining to geomagnetically induced currents // Earth, Planets and Space. 2015. Vol. 67. article id. 93.
8. Kozyreva O.V., Pilipenko V.A., Belakhovsky V.B., Sakharov Ya.A. Ground geomagnetic field and GIC response to March 17, 2015 storm // Earth, Planets and Space. 2018. Vol. 70, Issue 1, article id. 157.
Сведения об авторах
Пилипенко Вячеслав Анатольевич
д.ф.-м.н., г. н. с., Геофизический Центр РАН, Москва зав. лабораторией, Институт физики Земли РАН, Москва E-mail: [email protected]
Белаховский Владимир Борисович
к.ф.-м.н., н. с., Полярный Геофизический Институт, Апатиты E-mail: [email protected]
Сахаров Ярослав Алексеевич
к.ф.-м.н., зав. лабораторией, Полярный Геофизический Институт, Апатиты E-mail: [email protected]
Селиванов Василий Николаевич
к.т.н., директор, Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, Апатиты
