ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ НА НАЗЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ SPACE WEATHER IMPACT ON GROUND-BASED TECHNOLOGICAL SYSTEMS - Вестник ...
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7. № 3 Solnechno-zemnaya fizika. 2021. Vol. 7. Iss. 3
УДК 550.377 Поступила в редакцию 25.11.2020
DOI: 10.12737/szf-73202106 Принята к публикации 28.06.2021
ВОЗДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ
НА НАЗЕМНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
SPACE WEATHER IMPACT ON GROUND-BASED TECHNOLOGICAL SYSTEMS
В.А. Пилипенко V.A. Pilipenko
Институт физики Земли РАН, Institute of Physics of Earth RAS,
Москва, Россия, pilipenko_va@mail.ru Moscow, Russia, pilipenko_va@mail.ru
Геофизический Центр РАН, Geophysical Center RAS,
Москва, Россия Moscow, Russia
Аннотация. Предлагаемый впервые в отече- Abstract. This review, offered for the first time in
ственной научной литературе обзор посвящен раз- the Russian scientific literature, is devoted to various
личным аспектам проблемы воздействия космиче- aspects of the problem of the space weather impact on
ской погоды (КП) на наземные технологические си- ground-based technological systems. Particular attention
стемы. Особое внимание уделено нарушениям в ра- is paid to hazards to operation of power transmission
боте линий электропередач (ЛЭП), железнодорож- lines, railway automation, and pipelines caused by geo-
ной автоматики и трубопроводов, вызванным гео- magnetically induced currents (GIC) during geomagnet-
индуцированными токами (ГИТ) при возмущениях ic disturbances. The review provides information on the
геомагнитного поля. В обзоре даны сведения об ос- main characteristics of geomagnetic field variability, on
новных характеристиках вариабельности геомаг- rapid field variations during various space weather mani-
нитного поля и быстрых вариациях поля при раз- festations. The fundamentals of modeling geoelectric
личных проявлениях КП. Излагаются основы моде- field disturbances based on magnetotelluric sounding
лирования возмущений геоэлектрического поля, ос- algorithms are presented. The approaches to the assess-
нованные на алгоритмах магнитотеллурического ment of possible extreme values of GIC are considered.
зондирования. Рассмотрены подходы к оценке воз- Information about economic effects of space weather
можных экстремальных величин ГИТ. Собраны све- and GIC is collected. The current state and prospects of
дения об экономических эффектах КП и ГИТ. Рас- space weather forecasting, risk assessment for techno-
сказано о современном состоянии и перспективах logical systems from GIC impact are discussed. While
прогноза КП, а также об оценке риска для техноло- in space geophysics various models for predicting the
гических систем при воздействии ГИТ. Следует intensity of magnetic storms and their related geomag-
подчеркнуть, что хотя в космической геофизике ак- netic disturbances from observations of the interplane-
тивно разрабатываются различные модели предска- tary medium are being actively developed, these models
зания интенсивности магнитных бурь и вызванных cannot be directly used to predict the intensity and posi-
ими геомагнитных возмущений по наблюдениям tion of GIC since the description of the geomagnetic
межпланетной среды, эти модели не могут быть field variability requires the development of additional
непосредственно применены для предсказания ин- models. Revealing the fine structure of fast geomagnetic
тенсивности и положения ГИТ, так как описание variations during storms and substorms and their in-
вариабельности геомагнитного поля требует разра- duced GIC bursts appeared to be important not only
ботки отдельных моделей. Выявление тонкой струк- from a practical point of view, but also for the develop-
туры быстрых геомагнитных вариаций во время ment of fundamentals of near-Earth space dynamics.
бурь и суббурь и вызываемых ими всплесков ГИТ Unlike highly specialized papers on geophysical aspects
оказалось важным не только с практической точки of geomagnetic variations and engineering aspects of
зрения, но и для развития фундаментальных пред- the GIC impact on operation of industrial transformers,
ставлений о динамике околоземного космического the review is designed for a wider scientific and tech-
пространства (ОКП). В отличие от узкоспециальных nical audience without sacrificing the scientific level of
работ по геофизическим аспектам вариаций геомаг- presentation. In other words, the geophysical part of the
нитного поля и инженерным аспектам воздействия review is written for engineers, and the engineering part
ГИТ на работу промышленных трансформаторов об- is written for geophysicists. Despite the evident applied
зор рассчитан на более широкую научно-техническую orientation of the studies under consideration, they are
аудиторию, без потери научного уровня изложения. not limited to purely engineering application of space
Иными словами, геофизическая часть написана для geophysics results to the calculation of possible risks for
инженеров-энергетиков, а инженерная — для геофи- technological systems, but also pose a number of fun-
зиков. Несмотря на явную прикладную направлен- damental scientific problems.
ность рассматриваемых исследований, эти работы не Keywords: space weather, geomagnetically induced
сводятся к чисто инженерному применению резуль- currents, power transmission lines, transformers, pipe-
татов космической геофизики для расчета возмож- lines, railways automation, magnetospheric storms, sub-
ных рисков для технологических систем, а ставят и storms, Pi3/Ps6 pulsations.
ряд принципиальных научных проблем.
72
В.А. Пилипенко V.A. Pilipenko
Ключевые слова: космическая погода, геоинду-
цированные токи, линии электропередач, трансфор-
маторы, трубопроводы, железнодорожная автоматика,
магнитосферные бури, суббури, Pi3/Ps6-пульсации.
СОДЕРЖАНИЕ
1 Негативное воздействие космической погоды на технологические системы ……………………. 74
1.1 Энергетические системы …………………………………………………………………………….. 74
1.2 Кабельные линии, телефонные и телеграфные линии ……………………………………………... 75
1.3 Железнодорожное оборудование ……………………………………………………………………. 75
1.4 Трубопроводы ………………………………………………………………………………………… 75
2 Вариации геомагнитного и геоэлектрического полей во время различных проявлений косми-
ческой погоды ………………………………………………………………………………………… 76
2.1 Межпланетные ударные волны ……………………………………………………………………… 77
2.2 Авроральные и полярные суббури ………………………………………………………………….. 77
2.3 Локальные импульсные возмущения геомагнитного поля ………………………………………... 78
2.4 Тонкая структура суббури: серии магнитных импульсов типа Ps6/Pi3 …………………………... 79
2.5 Pc5 пульсации ………………………………………………………………………………………… 79
2.6 Статистические особенности вариабельности геомагнитного поля dB/dt ……………………….. 80
3 Сбои в технологических системах, вызванные ГИТ ……………………………………………….. 82
3.1 Нарушения в работе промышленных трансформаторов на авроральных широтах ……………... 82
3.2. ГИТ на средних и низких широтах ………………………………………………………………….. 83
3.3. Сбои в работе железнодорожного оборудования …………………………………………………... 83
3.4 Трубопроводы ………………………………………………………………………………………… 84
4 Методы измерения ГИТ ……………………………………………………………………………… 85
4.1 ЛЭП «Северный транзит» ……………………………………………………………………………. 85
4.2 Метод дифференциальной магнитометрии …………………………………………………………. 86
4.3 Гармоники электросети ………………………………………………………………………………. 87
4.4 ГИТ в электрических сетях и ОНЧ-радиоизлучение ………………………………………………. 87
5 Моделирование возмущений геоэлектрического поля и ГИТ …………………………………….. 87
5.1 Методы МТ-зондирования …………………………………………………………………………... 87
5.2 Вариации геомагнитного и теллурического полей как источник ГИТ …………………………… 88
5.3 Карты возможных значений ГИТ …………………………………………………………………… 90
5.4 Метод переходных функций для оценки ГИТ в заданных системах при вариациях геомагнит-
ного поля ……………………………………………………………………………………………… 90
5.5 Модели для вычисления ГИТ в трубопроводе и потенциала труба —почва …………………….. 90
5.6. Влияние резких неоднородностей геоэлектрической проводимости на ГИТ ……………………. 91
6 Оценки возможных экстремальных величин ГИТ …………………………………………………. 92
6.1 Статистические методы оценки экстремальных событий …………………………………………. 92
6.2 Оценки экстремальных значений вариабельности геомагнитного поля и теллурических полей …… 93
7 РС-индекс геомагнитной активности и сбои в энергетических системах …………………………. 93
8 Экономические эффекты ГИТ ……………………………………………………………………….. 94
9 ГИТ в токопроводящих системах и силовые трансформаторы …………………………………… 94
10 Развитие физических и статистических моделей для оценки риска негативного воздействия ГИТ 96
10.1 Статистические взаимосвязи вариаций геомагнитного поля, аврорального электроджета и геоин-
дуцированных токов …………………………………………………………………………………. 96
10.2 Регрессионная модель геоиндуцированных токов …………………………………………………. 97
10.3 Статистические распределения вариаций ГИТ и геомагнитного поля …………………………… 97
11 Прогноз космической погоды, положения аврорального овала и риска для энергетических
систем с помощью глобального МГД-моделирования …………………………………………….. 98
11.1 Компьютерные модели оперативного прогноза рисков ГИТ ………………………………….. 100
11.2 Прогностические модели интенсивности и положения аврорального овала …………………….. 101
12 Заключение: задачи дальнейших исследований ……………………………………………………. 102
73
Воздействие космической погоды Space weather impact
1. НЕГАТИВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ солнечно-земных связей и геофизических оболочек
КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ как единой динамической системы, с другой —
НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ необходимостью обеспечения устойчивой работы
СИСТЕМЫ технологических систем, радиосвязи, радиолока-
ции и навигации.
Исследования состояния околоземной космиче-
1.1. Энергетические системы
ской среды, для краткости называемое космиче-
ской погодой (КП), т. е. состояния электромагнит- Частота выбросов солнечной плазмы в межпла-
ных полей, плазмы и потоков частиц в околозем- нетное пространство увеличивается в периоды макси-
ном космическом пространстве (ОКП) выходят за мума солнечного цикла, но не прекращается и в пери-
рамки чисто академического интереса по мере воз- оды минимума. Выбросы солнечной плазмы, проле-
растания количества проблем, связанных с нару- тающие мимо Земли, деформируют ее защитное
шениями нормального функционирования спутни- магнитное поле, вызывая усиление электромагнит-
ковых и наземных технологических систем [Space ных полей как в ближнем космосе, так и у земной
Weather — Research Towards Applications in Europe, поверхности [Love, 2008]. Индуцируемые в поверх-
2007]. К ним относятся сбои спутниковых и авиа- ностных слоях земной коры вариации геоэлектриче-
ционных систем, частичные или полные отключе- ских токов замыкаются через заземленные энерге-
ния электроэнергии, нарушения сигналов глобаль- тические системы, вызывая появление ГИТ [Boteler,
ных навигационных спутниковых систем (GPS, Pirjola, 2017, 2019]. В свою очередь, ГИТ приводят
ГЛОНАСС), помехи в радиосвязи [Space Storms к перепадам напряжения, перегреву силовых транс-
and Space Weather Hazards, 2000; Extreme Space форматоров и потере реактивной мощности в высо-
Weather: Impacts on Engineered Systems and Infra- ковольтных ЛЭП [Pirjola, 1985a, b; Успенский, 2017;
structure, 2013]. Наиболее активные проявления Вахнина и др., 2018]. В настоящее время ГИТ стали
КП, такие так возмущения геомагнитного поля и постоянной угрозой для высокотехнологичных об-
ионосферы, возбуждение геоиндуцированных то- ществ, представляя серьезную опасность для регио-
ков (ГИТ) в проводящих конструкциях, сбои в си- нальных высоковольтных электрических сетей, мно-
стемах радиосвязи и навигационных спутниковых гие из которых пересекают национальные границы
систем, усиление коррозии в трубопроводах и т. п., [Gaunt, 2016].
наблюдаются в высоких широтах [Space Weather, Современные энергетические сети с крайне
2001]. сложной геометрией, располагающиеся до высоких
При этом, чем шире внедряются передовые тех- широт, оказываются, по существу, гигантской антен-
нологические системы, тем чувствительнее для эко- ной, электромагнитно-сопряженной с токами ионо-
номики и жизнедеятельности человечества стано- сферы Земли [Piccinelli, Krausmann, 2014]. В заземлен-
вятся их сбои и выходы из строя. Расширение сетей ных энергетических сетях наблюдались токи до 300 А,
магистральных линий электропередач (ЛЭП) сопро- в то время как ГИТ с интенсивностью всего не-
вождается повышением вероятности нарушений под сколько ампер достаточны для того, чтобы повлиять
воздействием ГИТ, наводимых геомагнитными бу- на работу трансформатора [Overbye et al., 2013]. Хотя
рями и суббурями [Boteler, 2001]. Известны много- возмущения геомагнитного поля и ионосферы, при-
численные примеры катастрофических последствий водящие к возбуждению ГИТ в проводящих кон-
КП, имевшие место по всему миру [Lanzerotti, 1979, струкциях, происходят в основном в авроральных
1983, 2001; Bolduc, 2002]. Изменчивость факторов высоких широтах [Myllys et al., 2014], в последнее
КП и их негативное воздействие на технологиче- время обнаружено, что опасные величины ГИТ мо-
скую среду являются естественной нормой, которые гут наблюдаться на средних и даже низких широтах
невозможно избежать, но необходимо знать и учи- [Beggan et al., 2013].
тывать [Pirjola et al., 2005]. При решении инженер- Расчет возможных уровней ГИТ при типичных и
ных проблем знание характерных параметров КП и экстремальных магнитных бурях, который может
диапазона их изменений необходимо для усовер- быть использован операторами сетей для принятия
шенствования уже используемых технических необходимых мер для снижения риска катастрофи-
средств и грамотной разработки новых [Veeramany ческих последствий, является крайне актуальной
et al., 2016]. проблемой [Sokolova et al., 2021]. Решение задач по
Космическую погоду в основном определяют снижению риска возникновения и уменьшению по-
солнечные вспышки, корональные выбросы массы следствий катастроф природного происхождения не
(coronal mass ejections), а также высокоскоростные сводится просто к инженерному применению резуль-
потоки плазмы из солнечных дыр (corotating татов космической физики для расчета ГИТ в техно-
interaction regions), вызывающие геомагнитные бури логических системах, а требует выяснения физической
и суббури. Общее количество энергии, выделяющейся природы некоторых магнитосферно-ионосферных
при магнитной буре средней интенсивности, состав- явлений [Pulkkinen et al., 2017]. Необходим, с одной
ляет около 1400 ГВт, что почти вдвое превышает стороны, глобальный планетарный подход к описанию
мощность всех электростанций США. Высокая ак- геомагнитных возмущений, с другой — изучение
тивность ведущихся в мире исследований по про- действия ГИТ в каждой конкретной системе
блемам КП обусловлена, с одной стороны, фунда- [Hapgood, 2012; Viljanen, Tanskanen, 2011; Viljanen
ментальным научным интересом к проблеме изучения et al., 2013].
74
В.А. Пилипенко V.A. Pilipenko
В процессе индустриального развития резко воз- номическое влияние на функционирование оптовых
растают длина и межсвязность энергетических ли- рынков электроэнергии. Поэтому, даже если обору-
ний, что увеличивает подверженность сетей нега- дование для энергетической инфраструктуры и не
тивному воздействию ГИТ. Для того чтобы переда- разрушено во время сильных возмущений КП, ГИТ
вать большую энергию на дальние расстояния, стро- в региональных энергосистемах могут все же оказы-
ятся все более протяженные ЛЭП. Однако такие вать заметное влияние на экономику в целом
линии особенно подвержены воздействию больших [Forbes, 2004].
ГИТ. Это обстоятельство делает электрические сети
все более восприимчивыми к возмущениям КП. Так, 1.2. Кабельные линии, телефонные и те-
в Канаде и США уровни ГИТ стали в 2–3 раза выше, леграфные линии
чем наблюдались 20 лет назад при магнитных бурях Через ГИТ КП проявляет себя в работе и других
той же интенсивности [Molinski, 2002]. Кроме того, технологических систем — телеграфных линий, под-
сбои в электросети могут быть вызваны не только водных кабелей и железных дорог [Lanzerotti et al.,
экстремальными возмущениями КП, но также преж- 1995]. Более ста лет назад магнитная буря 17 июня
девременным старением компонентов высоковольт- 1915 г. нарушила работу телеграфных служб в боль-
ных трансформаторов из-за кумулятивного воздей- шей части мира. В дальнейшем опасность ГИТ для
ствия даже умеренных по величине ГИТ, которые магистральных и морских кабельных линий, телефон-
обычно принято считать безопасными [Beland, Small, ных и телеграфных линий неоднократно подтвержда-
2005]. На последствия ГИТ может влиять и загрузка лась [Anderson et al., 1974; Medford et al., 1981; Meloni
сетей. Так, Wik et al. [2009] показали, что магнитная et al., 1983; Boteler, Jansen van Beek, 1999].
буря 13–14 июля 1982 г. привела бы к серьезным
последствиям, если бы не благоприятные условия 1.3. Железнодорожное оборудование
в энергетической сети благодаря пониженной лет- В то время как в большинстве исследований,
ней нагрузке. связанных с КП, основное внимание уделяется вли-
Нарушения работы ЛЭП являются наиболее оче- янию на электрические сети, гораздо меньше вни-
видными, но не единственными последствиями мания обращается на нарушения работы железнодо-
ГИТ. Несбалансированные трансформаторы с ча- рожного сектора. Однако аномалии в системах сиг-
стично насыщенными сердечниками увеличивают нализации и контроля поездов, связанные с этим
реактивную составляющую и содержание гармоник явлением, были документированы [Liu et al., 2016;
поданного питания от электростанций [Арриллага и Eroshenko et al., 2010; Сахаров, др., 2009]. Тем не ме-
др., 1990]. Следовательно, эффективность распреде- нее, механизм влияния сильных геомагнитных воз-
ления мощности уменьшается, в результате чего мущений на работу железнодорожной автоматики
мощность, доступная для потребителей, может пока не выяснен [Трищенко, 2008]. Кроме того, ра-
уменьшиться. В крайних случаях электрические бота железнодорожных систем зависит от других,
сети могут потерять стабильность и выйти из строя, потенциально подверженных воздействию КП тех-
вызывая масштабные отключения электроэнергии. нологий, таких как энергоснабжение, связь, системы
Известно множество примеров серьезных по- позиционирования и синхронизации времени. По-
следствий воздействия КП на протяженные высо- скольку при сильных бурях воздействие возмущений
ковольтные электрические сети [Bozoki, 1996; Qiu распространяется достаточно широко и носит плане-
et al., 2015]. ГИТ вызвали насыщение, рост гармо- тарный характер, необходимы прогноз КП и разра-
ник, перегрев и даже повреждение высоковольтных ботка мер по ослаблению прямых и косвенных воз-
трансформаторов. Наиболее интенсивные токи действий возмущений на системы и службы желез-
(более сотни ампер) были измерены в нейтральных ных дорог [Krausmann et al., 2015].
выводах трансформаторов на авроральных широ- 1.4. Трубопроводы
тах во время магнитных бурь и суббурь [Viljanen et
al., 2014]. Однако не существует общего правила, Космическая погода и вызванные ей глобальные
насколько сильным должен быть ГИТ, чтобы пред- электромагнитные возмущения представляют опас-
ставлять опасность для энергетических систем, ность для трубопроводов, особенно для тех, которые
поскольку существует много типов трансформаторов расположены в зоне интенсивной геомагнитной ак-
с различной чувствительностью к квази-постоянным тивности [Pulkkinen et al., 2001a, b; Gummow, Eng,
токам. Для некоторых силовых трансформаторов 2002]. Эффекты воздействия на трубопроводы, со-
требуется всего несколько ампер, чтобы вывести здаваемые геомагнитными возмущениями, не явля-
работу трансформатора из линейного режима ются мгновенными, а оказывают кумулятивное воз-
[Вахнина, 2012; Вахнина и др., 2012; Вахнина, действие из-за подверженности коррозионному по-
Кретов, 2012а]. вреждению [Boteler, Cookson, 1986; Martin, 1993;
Постоянное расширение высоковольтных элек- Boteler, Trichtenko, 2015; Marshall et al., 2010]. Элек-
трических сетей, рост связи между ними, увеличе- трокоррозия представляет собой электрохимический
ние нагрузки и переход на низкоомные линии элек- процесс, возникающий, когда ток течет из трубы
тропередачи с более высоким напряжением приво- в почву. Для предотвращения коррозии стальные
дят к увеличению вероятности аварий во время воз- трубопроводы покрыты изолирующим покрытием и
мущений КП. Однако катастрофические сбои не оборудованы системой катодной защиты. Катодная
обязательны для того, чтобы оказать ощутимое эко- защита трубопроводов от электрокоррозии поддер-
75
Воздействие космической погоды Space weather impact
живает отрицательный потенциал порядка –1 В 2. ВАРИАЦИИ ГЕОМАГНИТНОГО
относительно земли. Во время же магнитной бури И ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЕЙ
в ноябре 2004 г. на газопроводе в Финляндии ВО ВРЕМЯ РАЗЛИЧНЫХ
наблюдались отклонения потенциала труба— почва ПРОЯВЛЕНИЙ КОСМИЧЕСКОЙ
в диапазоне от 1.6 В до 4 мВ [Pirjola et al., 2003]. ПОГОДЫ
Под действием ГИТ катодная защита трубопро-
водов, поддерживающая отрицательный потенциал Одним из наиболее значимых факторов КП явля-
трубы относительно земли, искажается, что резко ется электрический ГИТ в системах технологиче-
увеличивает скорость коррозии и приводит к со- ских проводников, связанный с резкими изменениями
кращению срока эксплуатации трубопровода. Высо- геомагнитного поля dB/dt [Knipp, 2015]. Наиболь-
кочастотные (50–60 Гц) электрические поля в тру- шие магнитные возмущения на земной поверхности
бопроводах могут наводиться также проходящими вызываются протяженным авроральным электро-
рядом ЛЭП. Для защиты от ГИТ трубопроводы раз- джетом, создающим на земной поверхности магнит-
биваются на более короткие секции изолирующими ные возмущения, ориентированные в широтном (СЮ)
вставками. Это уменьшает экстремально возможные направлении. Поэтому широко распространены пред-
значения потенциала между трубой и землей, но уве- ставления и расчетные модели, в которых основным
личивает число участков с ненулевым потенциалом, источником ГИТ являются вариации интенсивно-
что повышает риск коррозии. сти аврорального электроджета, индуцирующие ГИТ
Принципиальное отличие трубопроводов от ЛЭП
в долготном (ВЗ) направлении [Hakkinen, Pirjola,
состоит в том, что они заземлены непрерывно. Тру-
1986; Viljanen, Pirjola, 1994; Boteler, Pirjola, 1998;
бопровод, имеющий заземление во многих точках,
Boteler et al., 2000]. На основании этого считалось,
фактически шунтирует электрическое поле, наве-
что магнитные возмущения представляют опасность
денное на поверхности земли. Компонента электри-
ческого поля, параллельная трубопроводу, может преимущественно для технологических систем, вы-
вызывать в нем ток до 100 А [Viljanen et al., 2006b]. тянутых в долготном направлении [Pirjola, 1982].
Вблизи торцов трубы, насосных станций, в местах Однако в быстрые изменения магнитного поля,
соединения труб различного диаметра, при измене- существенные для возбуждения ГИТ, существенный
нии направления трубы меняется распределение вклад могут вносить мелкомасштабные ионосфер-
токов растекания, перераспределяется потенциал ные токовые структуры [Viljanen, 1997; Viljanen et
труба — почва, что может существенно сказаться на al., 2001]. Они создают почти изотропные возмуще-
скорости коррозии и работе катодной защиты. По- ния горизонтальных магнитных полей на земной по-
добные эффекты могут возникать также в местах ло- верхности. Данные о возбуждении и развитии ГИТ
кального изменения проводимости грунта [Viljanen, в реальных проводящих системах представляют фун-
1989; Sackinger, 1991; Fernberg et al., 2007], а также даментальный интерес с точки зрения тонкой струк-
при переходе трубопровода из почвы в море. Для туры развития возмущений и имеют практическую
трубопроводов, расположенных на дне моря (типа значимость в плане защиты технологических систем
«Северный поток-2»), окружающей средой служит от воздействия КП.
хорошо проводящая морская вода. В таких системах Ниже будут приведены конкретные примеры
ГИТ не зарегистрированы, однако воздействие ГИТ различных типов возмущений КП, которые могут
следует ожидать и в этом случае. индуцировать в ЛЭП токи большой интенсивности.
Таким образом, влияние геомагнитных вариаций Анализ отдельных событий показывает, что усиле-
следует учитывать при проектировании трубопрово- ние крупномасштабного аврорального электроджета
дов, выборе и организации системы катодной защиты в момент взрывного начала суббури, геомагнитные
[Henriksen et al., 1978; Lundstend, 1992]. Поскольку пульсации типа Pi3/Ps6 и Рс5, дневные внезапные
воздействие ГИТ может проявляться как непосред- импульсы и ночные спорадические магнитные им-
ственно при развитии возмущения, так и иметь куму- пульсы могут вызывать значительные возрастания
лятивный характер, целесообразно организовать ГИТ. Энергия таких импульсных или квазипериоди-
систему непрерывного контроля уровня ГИТ и по- ческих возмущений много ниже, чем энергия магни-
тенциалов труба —почва на ряде промежуточных тосферных бурь или суббурь, однако быстро меня-
станций и систему непрерывной регистрации маг- ющиеся поля таких возмущений могут вызывать
нитных вариаций. Информация о реакции отдель- всплески ГИТ значительной величины. В общем,
ных участков трубопровода на магнитные возмуще- амплитуды геомагнитных вариаций убывают с ча-
ния в ходе эксплуатации трубопровода позволит
стотой, тогда как ожидается, что величины индуци-
выбрать оптимальную схему заземления и управле-
рованного электрического поля будут расти с часто-
ния катодной защитой. Для оценки степени воздей-
той. Следовательно, отклик ГИТ на геомагнитное
ствия геомагнитных и геоэлектрических полей на
возмущение, который представляет собой комби-
конкретную систему целесообразно составить карту
распределения вероятности отклонения полей от спо- нацию обоих факторов, должен иметь максимум
койного уровня [Trichtchenko, Boteler, 2002]. По- на некоторых частотах. Исследования всплесков ГИТ
скольку в России весьма значительна протяжен- показали, что этот характерный временной масштаб
ность действующих трубопроводов, связывающих составляет примерно 2–10 мин, т. е. попадает в ча-
арктические регионы со средними широтами, про- стотный диапазон пульсаций Pc5/Pi3, находясь на низ-
блема негативного воздействия ГИТ на трубопроводы кочастотном интервале ультранизкочастотного (УНЧ)
требует специального внимания. диапазона.
76
В.А. Пилипенко V.A. Pilipenko
2.1. Межпланетные ударные волны
Среди большого разнообразия МГД-возмущений
в ОКП особое внимание уделяется изучению внезап-
ного начала бури (storm sudden commencement, SSC),
вызванного взаимодействием межпланетной ударной
волны с магнитосферой. Импульсное воздействие
ударной волны может в течение очень короткого вре-
мени привнести значительное количество энергии и
импульса в магнитосферу. Импульсные SSC возмуще-
ния являются предвестниками сильных геомагнитных
бурь. Воздействие ударной волны на геомагнитное
поле имеет важный практический аспект в качестве
источника ГИТ [Belakhovsky et al., 2017]. Влияние
ГИТ на энергетические системы наблюдалось при
dB/dt>100 нТл/мин [Kappenman, 1996]. Некоторые
сбои энергосистем были связаны с появлением SSC
еще до начала главной фазы магнитной бури [Zhang
et al., 2015]. Например, разрушение трансформатора
энергосистемы в Новой Зеландии [Béland, Small,
2005] совпало с SC. Хотя возмущение ∆B, связанное
с SC, относительно мало по сравнению с ∆B во время
главной фазы бури или суббури, величина dB/dt мо-
жет быть достаточно большой, чтобы индуцировать
опасные ГИТ в энергетических системах. При этом
изменение магнитного поля dB /dt при SSC не связано
однозначно с интенсивностью последующей магнит-
ной бури [Fiori et al., 2014].
Благодаря глобальному характеру воздействия Рис. 1. Вариации магнитного поля (Х-компонента)
межпланетной ударной волны на геомагнитное поле, на ст. IVA, производной dX/dt; то же самое для Y-компо-
величины dB/dt на экваторе могут быть сопоста- ненты; величины ГИТ на подстанции VKH во время маг-
вимы с уровнями в высокоширотных областях нитной бури 17 марта 2015 г.
[Carter et al., 2015]. На приэкваториальных широтах
Для операторов ЛЭП SSC проявляется как ко-
существенным для развития индукционных эффек-
роткое замыкание в линии. Воздействие SSC может
тов может оказаться влияние экваториального элек-
быть значительным фактором, влияющим на устой-
троджета. Во время SSC бури 17 февраля 1993 г.
чивость передачи электроэнергии.
пиковые значения геоэлектрического поля достигали
300 мВ/км на геомагнитной широте ~5° [Doumbia 2.2. Авроральные и полярные суббури
et al., 2017].
В качестве типичного примера можно привести В отличие от планетарного возмущения, такого
всплеск в системе регистрации ГИТ в ЛЭП на Коль- как магнитная буря, суббури развиваются только
ском полуострове во время SSC 17 марта 2015 г. в ночном секторе магнитосферы. В течение одного
(рис. 1) [Пилипенко и др., 2018]. В момент воздей- типичного 11-летнего солнечного цикла в среднем
ствия на земную магнитосферу межпланетной удар- около 200 дней могут наблюдаться сильные магнит-
ной волны, которое проявилось на земной поверх- ные бури. Если магнитная буря является относи-
ности в виде импульса SSC в ~06 UT, резкий тельно редким событием (примерно несколько де-
всплеск ГИТ произошел на станциях системы «Се- сятков сильных и умеренных бурь происходят в те-
верный транзит». Изменения ГИТ в пункте VKH чение года в зависимости от фазы солнечного цикла),
оказываются подобны изменениям производной то суббури разной интенсивности возникают в сред-
магнитного поля dX/dt на близкой магнитной стан- нем один раз в три дня. Суббуря является своеоб-
ции IVA (~10 нТл/c). Размах вариаций ГИТ, вызван- разным «космотрясением», развитие которого
ных SSC (~55 A), примерно в два раза выше, чем внешне напоминает землетрясение. Как и в сейсмо-
ГИТ (
Воздействие космической погоды Space weather impact
В качестве примера суббури во время бури при- аврорального западного электроджета. Дальнейшие
ведем результаты наблюдений во время магнитной исследования [Kozyreva et al., 2018] показали, что
бури 17 марта 2013 г. [Белаховский и др., 2018]. Она области максимального магнитного возмущения ∆B
началась в ~06 UT, когда скорость солнечного ветра и наибольшей вариабельности поля |dB/dt| разнесены
резко увеличилась с ~400 до ~650–700 км/с, а ММП в пространстве.
стало антипараллельным геомагнитному полю, что В отличие от типичных авроральных суббурь,
обеспечило пересоединение полей и длительное центр развития полярных суббурь приходится на
поступление энергии в магнитосферу. Амплитуда очень высокие геомагнитные широты 74°–75°.
индекса |Dst|, характеризующего интенсивность Несмотря на большую величину таких суббурь
магнитной бури, в максимуме бури (~21 UT) дости- (магнитные бухты до ~1000 нТл), наблюдаемые при
гала ~120 нТл. Авроральный AE-индекс, характери- этом ГИТ не очень высоки (>∆Y, нитные и геоэлектрические поля пространственно
|dX/dt| и |dY/dt| оказываются сопоставимыми, т. е. однородны по всей области энергосистемы. Однако
малые ∆Y не означают малости dY/dt и дают соизме- часто на фоне общего усиления геомагнитного поля
римый вклад в повышение вариабельности магнит- во время суббурь наблюдаются локализованные в про-
ного поля |dB/dt|. Таким образом, во время суббури странстве импульсные геомагнитные возмущения
геомагнитное поле меняется не только по величине, [Engebretson et al., 2019]. Структура локального гео-
но и по направлению и его вариации нельзя считать электрического поля во время этих экстремальных
обусловленными только вариациями интенсивности возмущений может сильно отличаться от глобально
и регионально усредненных геоэлектрических полей
[Pulkkinen et al., 2015; Ngwira et al., 2015]. Пример
глобальных геоэлектрических полей, показывающих
локализованные всплески на геомагнитных станциях
в Европе и США во время события 13 марта 1989 г.,
показан на рис. 3. Возмущение теллурического поля
~5.9 В/км оказывается резко локализованным. Фи-
зические процессы, определяющие генерацию этих
экстремальных значений, недостаточно изучены.
Появление локальных усилений геоэлектрического
поля показывает, что интенсивные ГИТ могут воз-
никать не только на высоких, но и средних широтах,
так как авроральный электроджет смещается в сред-
ние широты при сильно возмущенных геомагнит-
ных условиях. Неоднородности в структуре прово-
димости земной коры (например, переход от моря
к суше) могут также привести к локальным усиле-
ниям геоэлектрического поля.
Дальнейшие исследования [Pulkkinen et al.,
2015] показали, что при сильных возмущениях на фоне
регулярного возрастания геоэлектрического поля
выделяются локальные неоднородности, связанные
с характерными особенностями распределения про-
водимости, при этом возможны значительные изоли-
рованные всплески электрического поля. Так, в собы-
Рис. 2. Вариации амплитуды ГИТ на подстанции VKH тии 29 октября 2003 г. максимальное значение элек-
во время магнитной бури 17 марта 2013 г., вариабель- трического поля в относительно «однородной» ситу-
ности геомагнитного поля на ст. LOZ, магнитного поля ации составило 3.1 В/км, а на ст. Narsarsuaq в Грен-
на ст. LOZ (X-, Y-компоненты), и АЕ-индекса ландии развился локальный экстремум ~11.4 В/км.
78
В.А. Пилипенко V.A. Pilipenko
Рис. 3. Планетарное распределение вектора возмущенного геоэлектрического поля во время бури 13 марта 1989 г.
из работы [Ngwira et al., 2015]
Физические причины таких локальных возраста- вихревые структуры [Dimmock et al., 2019]. Специ-
ний электрического поля требуют дополнительных альная техника анализа данных 2D-сети магнито-
исследований. метров была разработана для выделения локализо-
ванных мелкомасштабных вихревых структур [Чин-
2.4. Тонкая структура суббури: серии маг- кин и др., 2020]. Анализ события 29 июня 2013 г.
нитных импульсов типа Ps6/Pi3 [Chinkin et al., 2021] показал, что фактически источ-
После взрывной фазы суббури часто наблюдаются ником всплесков ГИТ в ЛЭП на северо-западе РФ
интенсивные нерегулярные пульсации Pi3/Ps6 — является не глобальная интенсификация ионосфер-
квазипериодическая последовательность импульсов ного электроджета, а появление короткоживущих
длительностью 5–20 мин. Эти пульсации представ- мелкомасштабных структур в ионосферных токах.
ляют собой не гармонические колебания, а серию маг- Результаты этой методики, приведенные на рис. 4,
нитных возмущений с крутыми фронтами. Пульсации показывают, что экстремальные всплески ГИТ
Ps6 наиболее заметны в Y-компоненте, и вариабель- (с размахом >200 A) в ранние утренние часы од-
ность поля также наиболее велика в Y-компоненте, нозначно связаны с импульсами, образующими
т. е. |dY/dt|>>|dX/dt| и |dY/dt |>>|dZ/dt|. Благодаря Ps6-пульсации, — последовательностью локализо-
крутым фронтам этих импульсов производная по ванных (радиус ~200–250 км) вихревых токов, под-
времени магнитного поля достигает ~20 нТл/с. Ир- держиваемых струями продольных магнитосфер-
регулярные квазипериодические магнитные возму- ных токов, имеющими попеременно меняющееся
щения Ps6 часто сопровождаются авроральными направление с плотностью до ~5 A/км2 и распро-
явлениями — omega bands сияниями. страняющимися по азимуту в восточном направле-
Пульсации Ps6 вызывают квазипериодические нии (к Солнцу).
всплески ГИТ. Хотя амплитуды квазипериодиче- Мелкомасштабные вихревые возмущения такого
ских возмущений Pi3/Ps6 меньше, чем магнитная типа по аналогии с метеорологическими явлениями
бухта при суббурях, однако быстро меняющиеся можно качественно представлять себе как космиче-
поля таких возмущений могут вызывать значитель- ские торнадо [Pilipenko et al., 2018]. Именно такие тор-
ные всплески ГИТ [Viljanen, 1998; Apatenkov et al., надо вызывали наиболее интенсивные ГИТ в системе
2004; Белаховский и др. 2018; Ягова, др., 2018]. «Северный транзит» за восемь лет наблюдений.
В суббурях с такими пульсациями ГИТ достигает
2.5. Pc5-пульсации
максимума не в начале суббури, а во время одного
из последующих Ps6-импульсов. Belakhovsky et al. В ранние утренние часы на авроральных и суб-
[2019] и Apatenkov et al. [2020] описали события, авроральных широтах наблюдаются квазимонохро-
в которых геомагнитные Ps6-пульсации возбуждали матические пульсации Pc5 с периодами ~3–5 мин
ГИТ в ЛЭП интенсивностью до 120 A. и длительностью до нескольких часов. Пример этих
Токовые системы в ионосфере, ответственные пульсаций 8 октября 2015 г., зарегистрированных
за импульсные геомагнитные возмущения и всплески на станциях в Скандинавии, приведен на рис. 5 из ра-
ГИТ, могут представлять собой локализованные боты [Kozyreva et al., 2020]. Амплитуды X- и Y-пуль-
79Воздействие космической погоды Space weather impact
Особенно эффективными источниками ГИТ мо-
гут быть глобальные пульсации Pc5. Этот подтип
Рс5-пульсаций имеет амплитуду почти на порядок
выше, чем типичные Рс5-пульсации, наблюдается
в более широком интервале широт и возбуждается
на фазе восстановления магнитных бурь при высо-
ких скоростях солнечного ветра [Marin et al., 2014].
Фактический драйвер ГИТ — теллурическое элек-
трическое поле E — может быть оценено для задан-
ного магнитного поля B(f), изменяющегося с часто-
той f над однородной землей с проводимостью σ,
из граничного импедансного условия (в приближе-
нии плоской волны) E / B= ω / µσ . Для пульсаций
Pc5 с частотой ω=0.01 с–1 при средней проводимо-
сти земной поверхности σ= 10–4 См/м это соотноше-
ние дает E [мВ/км] / В [нТл] . 12.6 (мВ/км)/нТл. Для
глобальных пульсаций Pc5 с амплитудой B =100 нТл
ожидаемое теллурическое поле может достигать
E~1.2 В/км. Это почти столько же, сколько дает оцен-
ка, сделанная [Lucas et al., 2018] для величины экстре-
мального теллурического поля, которое могло бы
наблюдаться один раз в столетие на территории США.
2.6. Статистические особенности вариа-
бельности геомагнитного поля dB/dt
Статистически пространственно-временные ва-
риации геомагнитного поля по данным сети станций
можно характеризовать структурной функцией
S 2 (=
∆r, t) B(t , r ) − B(t + t, r + ∆r ) ,
Рис. 4. Результат анализа данных 2D-сети магнито- где < > означает усреднение по времени. Для белого
метров IMAGE с целью выделения локализованных вих- шума структурная функция во времени следует за-
ревых структур в ионосферных токах 29 июня 2013 г. кону S2(t) ~ const, а для диффузного броуновского
Сверху вниз: долгота центров вихрей; широта их центров; движения S2(t) ~t. В общем случае скейлинг самопо-
масштаб вихрей; плотность продольного тока в центре вих- добного процесса с показателем Н подчиняется за-
рей; магнитное возмущение на ст. IVA (Y- и Z-компоненты; кону S2(t) ~t2H. Этот метод был применен к данным
ГИТ на ст. VKH сети IMAGE, чтобы определить структурные осо-
бенности геомагнитных вариаций в диапазоне мас-
саций сравнимы (размах колебаний до ~200 нТл), то-
штабов от 100 до 1000 км [Pulkkinen et al., 2006].
гда как пик в Z-компоненте больше (до ~600 нТл),
Для флуктуаций возмущения магнитного поля для
но более локализован по широте. Те же самые соот-
обеих горизонтальных компонент структурная
ношения справедливы для изменчивости поля
функция имела степенной характер — наблюдался
|dZ/dt|~15 нТл/с, что примерно в два раза больше, ее линейный рост в log–log масштабе. Степенные
чем |dX/dt| и |dY/dt|. Благодаря высокой магнитной зависимости статистических характеристик оказы-
изменчивости геомагнитного поля пульсаций Pc5 ваются характерной особенностью геофизических
амплитуда вызываемых ими ГИТ достигает ~12 А. процессов, которые, по-видимому, являются дина-
Сбои в работе электрооборудования могут быть мическими системами. Однако для вариабельности
вызваны преждевременным старением отдельных поля dB/dt значительное изменение динамики флук-
частей высоковольтных трансформаторов из-за ку- туаций было найдено на масштабах ~80–100 с. Здесь
мулятивного воздействия даже умеренных по вели- временная производная магнитного поля претерпева-
чине ГИТ. При этом из-за гистерезисных явлений ет переход от коррелированного (линейно-растущая
в трансформаторах даже ГИТ порядка нескольких структурная функция) к некоррелированному (выход
ампер могут создать потенциальную угрозу для на const) временному поведению. При этом S(∆r, 0)
корректной работы релейной защиты. Поэтому дли- демонстрирует медленный степенной рост с увели-
тельное существование (несколько часов) ГИТ уме- чением пространственных масштабов. Такое про-
ренной интенсивности, вызванных геомагнитными странственно-временное поведение dB/dt на вре-
Рс5-пульсациями, может быть даже более опасным менных масштабах более 100 с напоминает некор-
для долговременной эксплуатации сетей, чем крат- релированный белый шум. Этот результат наклады-
ковременные и интенсивные всплески ГИТ во время вает ограничения на возможный горизонт прогноза
начал суббурь и бурь. Длительная волновая актив- временной производной магнитного поля.
ность диапазона Рс5 может привести также к таким Основная трудность в прогнозировании ГИТ за-
кумулятивным эффектам, как коррозия трубопрово- ключается в большой изменчивости масштабов
дов [Lehtinen, Pirjola, 1985]. ионосферного тока, вызывающего ГИТ. Суточный
80В.А. Пилипенко V.A. Pilipenko Рис. 5. Магнитная кеограмма (распределение мощности вариабельности геомагнитного поля dB/dt по широте) пуль- саций Рс5, зарегистрированных 8 октября 2015 г. Верхняя из трех панелей в нижней части рисунка показывает вариации локального индекса аврорального электроджета EI. Ниже — вариации геомагнитного поля (Х-компонента) на станциях сети IMAGE и амплитуда ГИТ |J| на ст. VKH ход появления больших значений ГИТ имеет четкий Ключевой величиной, определяющей величину максимум около магнитной полуночи, что соответ- ГИТ, является производная горизонтального маг- ствует времени возникновения суббурь. Повышен- нитного поля dВ/dt [Oliveira, Ngwira, 2017]. Важный ная геомагнитная активность, очевидно, является вопрос — насколько тесно |dB/dt| связана с |∆В|? необходимым условием возникновения большого Знание таких соотношений поможет улучшить воз- ГИТ. Тем не менее, большая величина магнитного можности прогнозирования событий ГИТ, так как возмущения ∆B необязательно означает, что dB/dt в прогнозировании амплитуд магнитных возмущений также велико, и наоборот. Как показал Viljanen et al. |∆В| или рассчитываемых по ним индексов (например, [1998], большие наблюдаемые значения dB/dt почти AE) достигнут значительный прогресс. Наибольшее всегда связаны с западным электроджетом. Разброс значение dВ/dt отмечается вскоре после начала направлений горизонтального вектора производной взрывной фазы суббури, хотя многие события и по времени (dB/dt) оказывается гораздо больше, чем позже имеют более высокие значения производной. разброс вектора горизонтального магнитного возму- Статистически появление максимума dВ/dt прихо- щения (∆B), что свидетельствует о наличии быстро- дится на пятую минуту после начала суббури на меняющихся ионосферных токовых структур с мас- геомагнитных широтах
Воздействие космической погоды Space weather impact
мультимасштабных систем. Время появления мак- ствием ГИТ во время сильных магнитных бурь
симума dВ/dt после начала суббури увеличивается [Gaunt, Coetzee, 2007], при которых по всему миру
в зависимости от широты от ~15 мин на Φ~56° до происходили срабатывания систем релейной за-
~45 мин на Φ~75°. При этом суббури во время бури щиты и наступали блэкауты в ЛЭП [Boteler et al.,
могут иметь вдвое большую максимальную ампли- 1989; Kappenman, 2003, 2005; Pulkkinen et al.,
туду |dВ/dt| на всех широтах по сравнению с изоли- 2003, 2005]. Восстановление энергосистем после
рованными суббурями. сбоев электроснабжения может занять от несколь-
Статистические закономерности несколько раз- ких часов до нескольких месяцев (в связи с отсут-
личаются для изолированных суббурь и суббурь ствием во многих энергосистемах резервных си-
во время бурь. Широтный максимум |dB/dt| во время ловых трансформаторов). Это грозит настоящим кол-
бури находится на ~5° южнее, чем для изолирован- лапсом для современного человечества, слишком
ной суббури, что отражает хорошо известный сдвиг зависимого от современных технологий и уязвимого
аврорального овала к экватору при повышении маг- по отношению к катастрофам такого рода.
нитной активности. Медианное значение времени Наиболее интенсивные ГИТ (до сотен ампер) и
появления max(|dB/dt|) увеличивается как функция электрические поля в поверхностных слоях Земли
широты для суббурь обоих типов. Анализ соотно- (>10 В/м) возбуждаются на авроральных широтах
шений между максимальным значением max(|∆В|) при магнитных бурях и суббурях [Boteler, 2001].
и одновременным max(|dB/dt|) для разных типов Однако точная оценка ГИТ в ЛЭП при магнитной
суббурь показывает высокую корреляцию между буре требует знания проводимости поверхностных
|∆В| и |dВ/dt| — ~0.75 для изолированных суббурь слоев земной коры и геометрии ЛЭП. Во время раз-
и ~0.66 для суббурь во время бури. Наклон кривой вития бури или суббури на фоне относительно глад-
регрессии почти одинаков для суббурь обоих типов, ких закономерностей наблюдаются экстремальные
что указывает на то, что механизм, создающий воз- выбросы амплитуды возмущения. С точки зрения
мущения ∆В и dВ/dt во время суббурь, не зависит обеспечения стабильной работы энергораспредели-
от наличия магнитной бури. тельной системы эти экстремальные события могут
Явное большинство значений max(|dB/dt|) связано оказаться наиболее опасными. Например, вариации
с западным электроджетом. Разброс значений dB/dt магнитного поля во времени с dB/dt=1 нТл/с инду-
означает, что быстрые изменения не всегда связаны цировали в финских высоковольтных сетях ток
с усилением электроджета, но часто — с ионосфер- величиной порядка нескольких ампер, а вариации
ными структурами меньшего масштаба. Восточный с dB/dt>40 нТл/c привели к нарушениям в работе
электроджет доминирует во второй половине дня скандинавских энергетических сетей [Viljanen,
около 13–21 LT, западный — около 01:30 LT. Су- Pirjola, 1994]. Во время магнитосферных возмуще-
точный ход средней величины dB/dt показывает уве- ний обнаружены неоднократные случаи возбужде-
личение в ночные часы, что согласуется с ходом ин- ния гармоник промышленной частоты в нейтралях
тенсивности электроджета. Однако отчетливый утрен- высоковольтных автотрансформаторов, что свиде-
ний максимум значений dB/dt около 05 LT не имеет тельствует о перегрузке трансформаторов, смеще-
аналога в суточном ходе интенсивности электрод- нии их рабочей точки и возникновении угрозы ста-
жета. Вероятность появления больших значений бильной работы энергосистемы [Сивоконь и др.,
dB/dt в области восточного электроджета невелика. 2011]. Приведем некоторые примеры катастрофиче-
ских последствий сильных магнитных бурь, имев-
шие место в разных странах.
3. СБОИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
Магнитная буря 13 марта 1989 г. вызвала разру-
СИСТЕМАХ, ВЫЗВАННЫЕ ГИТ шение силового трансформатора и полный блэкаут
3.1. Нарушения в работе промышленных в канадской энергетической системе Hydro-Quebec
трансформаторов на авроральных широтах [Thomson et al., 2010]. Стоимость нанесенного
ущерба только этой энергетической системе соста-
ГИТ, возбуждаемые при резких изменениях вила около $13 миллионов [Bolduc et al., 1998, 2000;
геомагнитного поля, опасны, в первую очередь, для Bolduc, 2002]. Из-за этой аварии более шести мил-
трансформаторных подстанций высоковольтных лионов человек оставались без электричества в те-
ЛЭП [Трищенко, 2008]. Поскольку ГИТ имеют очень чение восьми часов. Если бы подобная буря затро-
низкую частоту по сравнению с промышленной часто- нула северо-восток США, экономический ущерб
той 50–60 Гц, протекание квазипостоянного тока мог бы превысить $10 миллиардов [National
через обмотки трансформаторов приводит к насы- Research Council, 2008], не считая серьезных соци-
щению магнитопроводов трансформаторов. Посто- альных потрясений. Эта буря вызвала перегрев си-
янная составляющая в токе силового трансформатора лового повышающего трансформатора и выход его
появляется также в момент его включения, поэтому из строя на атомной электростанции Salem Nuclear
реле защиты силовых трансформаторов обычно Power Plant (США). По оценке [Kappenman, 2010]
настраиваются таким образом, чтобы не реагиро- ГИТ, который привел к выводу трансформатора
вать на постоянную составляющую в токе. В ре- из строя, составлял ~95 A. Поскольку размеры обла-
зультате обычная релейная защита не будет реа- сти, охваченной геомагнитной бурей, велики, вы-
гировать на ГИТ, насыщающие трансформатор, и званные искажения происходят во многих транс-
он просто сгорит. В истории известны случаи по- форматорах почти одновременно. В результате мо-
вреждения силовых трансформаторов под дей- жет возникнуть сильный быстро нарастающий ку-
82В.А. Пилипенко V.A. Pilipenko
мулятивный эффект. Во время события Hydro ной Африке [Ngwira et al., 2008]. В Бразилии во время
Quebec (Квебек, Канада) от начального нарушения бури 7–10 ноября 2004 г. на подстанциях ЛЭП
до полного блэкаута прошло всего 1.5 мин. К счастью, значения ГИТ достигали 15 А [Trivedi et al., 2007].
это событие не распространилось за границы провин- Обстоятельства произошедших событий указывают
ции Quebec. Однако, если бы буря развилась во время на то, что причиной выхода оборудования из строя
пиковой нагрузки, каскад сбоев распространился бы во всех этих случаях было воздействие геомагнит-
вплоть до области Washington D.C. [Guillon et al., ных процессов.
2016]. В день блэкаута в Квебеке, в Швеции отключи-
лись пять линий (130 кВ) электропередач, а примерно
3.3. Сбои в работе железнодорожного обо-
в 21.20 UT из-за ГИТ перегрелся ротор одного из гене- рудования
раторов на атомной станции [Wik et al., 2008]. Исторически первым описанным событием, свя-
Двадцать девятого апреля 1994 г. вскоре после занным с нарушением железнодорожной сигнализа-
начала сильной геомагнитной бури на АЭС Maine ции, явилась буря на Нью-Йоркской железной дороге
Yankee полностью был выведен из строя мощный 13 мая 1921 г. на четвертом году после максимума
повышающий трансформатор. 15-го солнечного цикла [Love et al., 2019]. Прелю-
Большая магнитная буря 30 октября 2003 г. вы- дией к этой магнитной буре явилась двойная
звала нарушения в работе энергетических систем вспышка на лимбе Солнца, видимая даже невоору-
Швеции, полное отключение продолжалось от 20 женным глазом [Hapgood, 2019]. Во время бури по-
до 50 мин [Pulkkinen et al., 2005]. Во время резко- лярные сияния наблюдались на восточном побере-
го начала суббури электросеть пострадала так, что жье США и даже в Калифорнии. Утром 15 мая вы-
в Мальмё — крупнейшем городе на юге Швеции — шла из строя система сигнализации на центральной
в течение часа были перерывы в подаче электроэнер- станции Нью-Йорка, затем загорелась башня дис-
гии. Вариабельность геомагнитного поля достигала петчерской, после чего пожар уничтожил всю желез-
~10 нТл/с в большей части Швеции. На магнитной нодорожную станцию. Во время той же бури, в Шве-
станции Abisko значение dB/dt достигло 23 нТл/с. ции загорелась телефонная станция и буря повре-
Эти возмущения вызвали срабатывание защитных дила телефонную, телеграфную и кабельную связь
цепей высоковольтной ЛЭП, что привело к сбоям в на большей территории Европы.
ее работе в северной Швеции. В южной части В качестве примера современных происшествий
Швеции в это время изменчивость dB/dt была до- приведем бурю 13–14 июля 1982 г. с Dst=−325 нТл,
вольно низкой. Как нарушения в высоковольтных когда сбои в работе железнодорожной автоматики
ЛЭП в северной Швеции вызвали отключение элек- были отмечены на юге Швеции [Wik et al., 2009].
троэнергии в Мальмё на юге Швеции (на геомаг- На железной дороге возникли проблемы со световой
нитных широтах 55°–60°), остается невыясненным. сигнализацией: сигнальный светофор переключался
Во время магнитной бури в ноябре 2003 г. про- между красным и зеленым светом без видимых при-
изошли отказы и повреждение 15 трансформаторов чин. Поскольку напряжение батареи в системе
в результате внутреннего нагрева в высоковольтной управления реле сигнализации составляет 3–5 В,
южноафриканской магистральной системе электро- весьма вероятно, что дополнительное напряжение,
передач, которые были связаны с возбуждением вызванное геоэлектрическим полем, могло вызвать
ГИТ в результате геомагнитных возмущений [Gaunt, ошибочную работу релейной системы. Это предпо-
Coetzee, 2007; Kappenman, 2005]. ложение согласуется с оценками индукционного
электрического поля порядка 4–5 В/км, полученными
3.2. ГИТ на средних и низких широтах при моделировании с двухслойной моделью прово-
димости Земли.
Казалось бы, энергетические сети на средних ши-
В РФ выполнен ряд работ по исследованию связи
ротах не должны быть подвержены угрозе ГИТ — аномалий в работе железнодорожной сигнализации
но это не так. Были зарегистрированы резкие с геомагнитными возмущениями. Исследовалась
всплески реактивной нагрузки и сбои в работе статистическая связь между уровнем геомагнитной
трансформаторов сети Великобритании [Erinmez et активности и длительностью сбоев в работе систем
al., 2002], Франции [Kelly et al., 2017], и Испании автоматики Сибирской железной дороги в 2004 г.
[Torta et al., 2014] в результате воздействия ГИТ. [Касинский и др., 2007; Ptitsyna et al., 2007, 2008]
Энергетическая система Шотландии столкнулась Анализ аномалий, указанных в рапортах и журналах
с проблемами во время магнитной бури в октябре железнодорожных служб, показал, что примерно 45 %
2003 г., когда ГИТ возросли до 40 A. Во время этой аномалий заведомо не были вызваны геомагнитными
бури теллурические электрические поля оказались факторами. Эти случаи были отброшены, а для
в 50 раз больше, чем в геомагнитно-спокойных оставшихся аномалий получено, что суммарная су-
условиях [Thomson et al., 2005; McKay, Whaler, 2006]. точная длительность аномалий T на всех участках
Воздействие геомагнитных возмущений на работу дороги меняется в согласии с развитием геомагнит-
энергетических линий серьезно изучается и модели- ной бури. При достижении пика геомагнитной ак-
руется в Новой Зеландии [Divett et al., 2017, 2018; тивности T увеличивается в ~3 раза. Наблюдается
Rodger et al., 2017]. Регистрация ГИТ в Японии по- корреляция между T и локальным индексом геомаг-
казала наличие связи между величиной геомагнитных нитной активности. В частности, для двух супер-
возмущений во время магнитных бурь и интенсивно- бурь 17 июля — 2 августа и 5–12 ноября 2004 г. ко-
стью ГИТ [Watari et al., 2009]. Начаты исследования эффициент корреляции был достаточно высоким
возможного риска ГИТ в протяженных ЛЭП в Юж- (0.83 и 0.71 соответственно).
83Вы также можете почитать
