В ожидании бури

Некоторые туристы готовы проехать тысячи километров для того, чтобы полюбоваться северным сиянием на Аляске, в Норвегии или в Архангельске. Полярное сияние, или, поэтическим языком, «Аврора», возникает, когда корональный выброс массы отрывается от поверхности Солнца, достигает Земли и взаимодействует с разреженными газами в верхних слоях атмосферы.

Явление, которое создаёт поразительные красоты в небе, может нанести большой ущерб на земле. Корональный выброс массы способен навести геомагнитные токи, которые достаточно сильны, чтобы повредить ключевые элементы магистральных электрических сетей и таким образом вызвать блэкауты в обширных регионах.

Огромные антенны

За последние десятилетия электросети по всему миру разрослись во много раз, перейдя на более высокие рабочие напряжения. Это ведет к снижению потерь в линиях электропередачи, однако новые системы оказываются менее защищёнными от неуправляемых наведённых токов. Человечество, само того не желая, соорудило антенны огромных размеров, хорошо поглощающие энергию возмущений геомагнитного поля. Особо сильные возмущения называются геомагнитными бурями. В 1989 году такая буря сожгла высоковольтный трансформатор на ГЭС и вызвала девятичасовой блэкаут в Монреале, побудив североамериканских регуляторов энергетики, законодателей и энергетические компании приступить к планомерной работе по защите сетевой инфраструктуры.

Величина индуцированных в линиях токов определяется наведённой электродвижущей силой вдоль трассы линии и активным сопротивлением постоянному току трёх фазных проводов и трансформаторных обмоток высокого напряжения, соединённых в звезду, а также сопротивлениями заземления их нейтралей. Индуцированные токи накладываются на переменный ток промышленной частоты, протекающий по обмоткам трансформаторов и автотрансформаторов, и приводят к однополупериодному магнитному насыщению железа их магнитопроводов. Результат - увеличение амплитуды гармоник, влекущее за собой быстрый разогрев как обмоток, так и железа трансформаторов.

В 2016 году Федеральная комиссия по энергетике США одобрила стандарт надёжности, созданный в профильной некоммерческой организации North American Electric Reliability Corporation (NERC). Документ предписывает владельцам и операторам магистральных электрических сетей оценить угрозу особо сильных геомагнитных возмущений - супербурь, случающихся примерно раз в сто лет. Энергокомпаниям приказано повысить устойчивость энергосетей, но не сказано, каким конкретно образом.

Надо разобраться

Стандарт был принят с условием, что NERC проведёт дополнительные научные исследования для того, чтобы энергетики лучше поняли суть явлений, происходящих во время геомагнитной бури. Американский НИИ электроэнергетики (EPRI) за три года реализовал обширный исследовательский проект, и сегодня всем желающим доступны его результаты.

Исследователи обработали информацию, собранную в течение десяти лет узлами сети SUNBURST, которые специалисты НИИ электроэнергетики разместили на крупных силовых трансформаторах в Северной Америке. Использовались также данные от геофизических обсерваторий Геологического общества США и компьютерные алгоритмы для аппроксимации этих данных на территории между обсерваториями.

В рамках проекта была создана компьютерная программа GICharm, которая позволяет энергокомпаниям анализировать потенциальное влияние разных гармоник электрического тока, возникающих в электросетях во время геомагнитной бури. «Раньше специалисты энергокомпаний были вынуждены буквально на пальцах прикидывать, какое энергооборудование наиболее чувствительно к гармоникам, а сейчас они имеют для этого хороший программный инструмент», - объяснил менеджер NERC по оценке надёжности Марк Олсон.

Проблема в том, что системы релейной защиты и автоматики (РЗиА) магистральных сетей во время геомагнитной бури могут обнаружить вызванные ею гармонические токи и, приняв их за признаки автоколебательных процессов в сети, отключить оборудование. То есть блэкаут возникнет не из-за аварии, а в результате непредвиденных реакций РЗиА. «Наш программный инструмент помогает понять, какие элементы сети наиболее уязвимы и требуют усиления, а какие вполне способны выдержать сильную геомагнитную бурю, - говорит Боб Арритт, эксперт в EPRI по солнечной активности и её воздействию на магистральные сети. - Для защиты наиболее уязвимых трансформаторов можно установить специальное оборудование, которое блокирует наведённые токи, или принимать диспетчерские решения насчёт вывода трансформаторов в резерв».

Местоположение

Отчёт об исследовании EPRI пролил свет и на то, как географическое расположение влияет на уязвимость магистральных энергосетей. В геомагнитную супербурю полярное сияние распространяется далеко на юг, приближаясь к экватору. Судя по историческим данным, сильнейший геомагнитный шторм 1859 года, когда по всей планете искрили телеграфные линии, достиг даже Ямайки и Кубы.

Объединив исторические свидетельства и результаты компьютерного моделирования, исследователи пришли к выводу, что в супербурю полярное сияние может быть видно даже на магнитной широте (почти не отличается от широты географической, указываемой на картах) от 43 до 50 градусов. Для нашей страны это значит, что Москва, Екатеринбург, Пермь, Нижний Новгород окажутся под ударом стихии. Могут быть даже затронуты такие южные города, как Краснодар, Волгоград и Астрахань.

Энергосети в горных регионах, где почвы имеют повышенную проводимость, пострадают с большей вероятностью.

Трансформаторный парк

Как мы уже отметили, в сильную геомагнитную бурю самое слабое звено магистральных сетей - это высоковольтные силовые трансформаторы. От наводок они могут перегреваться и выходить из строя. Защита трансформаторов - серьёзная проблема, поскольку в эксплуатации находится множество их модификаций, выпущенных разными производителями в разные годы.

Сотрудники EPRI расширили базу тепловых моделей трансформаторов, добавив восемьдесят четыре их разновидности, используемые в сетях США и Канады. Но этого мало. «Наши исследования позволяют понять, как поведут себя энергетические сети в супербурю, и задают планку необходимого уровня безопасности, но не говорят компаниям, как его добиться, - пояснил Марк Олсен. - Наш институт готов работать с каждой энергокомпанией отдельно для того, чтобы помочь ей найти оптимальное решение проблемы».