Воздействие импульсных возмущений геомагнитного поля на рост геомагнитно-индуцированных токов в линиях электропередач

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.36-44 УДК 550.374

В. Б. Белаховский, В. А. Пилипенко, Я. А. Сахаров, В. Н. Селиванов

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РОСТ ГЕОМАГНИТНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Аннотация

В работе произведена оценка вклада различных типов импульсных геомагнитных возмущений (SSC, TCV импульсы, Pi3 суббуревые пульсации) в рост геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ), регистрируемых в линиях электропередач на Кольском полуострове и в Карелии. Анализ показывает, что наибольших значений ГИТ достигает при суббуре. Но генерация интенсивных ГИТ в значительной степени связана не с глобальными геомагнитными возмущениями большой амплитуды, а с локальными быстрыми вариациями сравнительно небольшой амплитуды, наложенными на глобальные возмущения. Экстремальные значения ГИТ могут быть вызваны не только временными вариациями геомагнитного поля, но и пространственными вариациями вихревых токовых систем. Пространственно-временное распределение максимума геомагнитных возмущений не всегда совпадает с пространственно-временным распределением максимума производной dX/dt. Поэтому проблема предсказания ГИТ далеко не всегда сводится к предсказанию мощного геомагнитного возмущения.

Ключевые слова:

геомагнитные возмущения, геомагнитно-индуцированные токи, SSC импульс, TCV импульс, Pi3 пульсации.

V. B. Belakhovsky, V. A. Pilipenko, Ya. A. Sakharov, V. N. Selivanov

THE INFLUENCE OF THE IMPULSE DISTURBANCES OF GEOMAGNETIC FIELD ON A GROWTH OF GEOMAGNETICALLY INDUCED CURRENTS IN ELECTRIC POWER LINES

Abstract

In this study the estimation of the contribution of different types of impulse geomagnetic disturbances (SSC, TCV impulses, Pi3 substorm pulsations) on a growth of geomagnetically induced currents (GIC) registered in electric power lines of Kola Peninsula and Karelia are conducted. The analyses show that the GIC have a maximum value during the substorm. But the generation in intense GIC is largely associated not with global geomagnetic disturbances with great amplitude but with fast local variations of small amplitude superimposed on global disturbances. The extreme values of GIC can be caused not only by the temporal variations of geomagnetic field but also by the spatial variations of the vortex currents systems. The spatial-temporal distribution of the maximum of geomagnetic disturbances does not always coincide with the spatial-temporal distribution of the dX/dt maximum. So the problem of GIC prediction is not always a problem of strong geomagnetic disturbance prediction.

Keywords:

geomagnetic disturbances, geomagnetically induced currents, SSC impulse, TCV impulse, Pi3 pulsations.

Введение

Геомагнитно-индуцированные токи (ГИТ) представляют собой токи, протекающие в поверхностных слоях Земли, они вызываются теллурическими электрическими полями, индуцированными изменениями геомагнитного поля. Наиболее интенсивные токи (до сотен ампер) и электрические поля (>10 В/м) возбуждаются на авроральных широтах при магнитных бурях и суббурях [1]. ГИТ представляют опасность для наземных технологических систем (линии электропередач, трубо-, нефте-, газопроводы, телефонные, телеграфные линии и т.п.). Наведенные токи вызывают насыщение, перегрев и даже повреждение высоковольтных трансформаторов на электрических подстанциях. Известны многочисленные примеры катастрофических последствий.

Главная фаза магнитной бури или начало суббури являются причиной высокого dB/dt и рассматриваются как основной фактор риска для энергосистем на высоких широтах. Например, катастрофа энергетической системы Hydro Quebec была вызвана бурей с dB/dt ~ 480 нТл/мин [2], хотя влияние ГИТ на ЛЭП наблюдалось и при гораздо меньших dB/dt ~ 100 нТл/мин [3].

Крупномасштабная структура ионосферных токов на авроральных широтах определяется восточно-западным электроджетом, что проявляется в преобладании Х-компоненты геомагнитного поля. Однако вклад производных dY/dt, dX/dt в рост ГИТ уже вполне сопоставим. Поэтому рост ГИТ определяется не только авроральным электроджетом, но и мелкомасштабными токовыми системами [4].

В данной работе произведена оценка вклада импульсных геомагнитных возмущений, таких как SSC, TCV импульсы, Pi3 пульсации, в рост ГИТ в высоких широтах.

Данные

В работе были использованы данные по регистрации ГИТ в линиях электропередач Кольского полуострова и Карелии. Система регистрации принадлежит Полярному геофизическому институту и Центру физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН и является единственной в России. Система включает себя 4 станций (Выходной - VKH, Титан - TTN, Лоухи - LKH, Кондопога - KND) на линии 330 кВ и одну станцию на линии 220 кВ (Ревда - RVD). Система регистрации ориентирована в направлении север-юг, она работает с 2010 года по настоящее время.

Для характеристики вариаций геомагнитного поля были использованы данные магнитометров сети IMAGE (58°-79° геомагнитной широты). Также в работе использована двухмерная модель по расчету эквивалентных ионосферных токовых систем на основе данных магнитометров сети IMAGE, построенная по методу сферических элементарных токовых систем.

Воздействие SSC импульса на энергетические системы

Появление SSC (storm sudden commencement) импульса связано с приходом к магнитосфере Земли межпланетной ударной волны (МУВ), SSC импульс является индикатором начала геомагнитной бури. Воздействие МУВ на геомагнитное поле имеет и важный прикладной аспект как источник ГИТ. Хотя возмущение AB, связанное с SSC, относительно мало по сравнению с AB во время суббури, бури, величина dB/dt при SSC может быть достаточно большой, чтобы

индуцировать опасные ГИТ в энергетических системах. В то время как подавляющее большинство исследований ГИТ сосредоточено на сильных геомагнитных бурях, такое явление космической погоды, как SC, также может давать очень большие dB/dt на разных широтах, от авроральной области до геомагнитного экватора [2]. Операторы линий электросети воспринимают SC как появление короткого замыкания в системе.

34 January 2012. OMNI

ю Ii 1г 13 и 15 16 17 |в 19 во 31 гг ит

Рис. 1. Параметры межпланетного магнитного поля (By, Bz-компоненты [нТл], модуль B [нТл] геомагнитного поля) и солнечного ветра (плотность [см-3], скорость [км/c]) по данным базы OMNI, SYM-H индекс [нТл].

Во время SSC событий, наблюдаются заметные скачки в ГИТ, однако далеко не для всех событий. Возмущения с dB/dt > 100 нТл/мин могут возникать во время SSC в авроральной области, при этом величина связанного с этим импульсом dB/dt не связана однозначно с интенсивностью последующей магнитной бури.

Детально проанализировано SSC событие 24 января 2012 года. Приход МУВ связан с резким ростом скорости (от 400 до 650 км/c), плотности (с 3 до 12 см-3) солнечного ветра, модуля межпланетного магнитного поля (с 7 до 27 нТл) около 15 UT по данным базы OMNI (рис. 1). Приход МУВ привел к резкому росту геомагнитного поля, как видно из вариаций SYM-H индекса (рис. 1). Обнаружен заметный вклад данного SSC события в резкое увеличение величины ГИТ (~28 А) в линиях электропередач на станции VKH (Кольский полуостров), KND (Карелия) - рис. 2. После SSC события видны Pc5 пульсации в вариациях ГИТ с амплитудой примерно 5-8 А. Вариации ГИТ в целом хорошо коррелируют с вариациями производной X-компоненты геомагнитного поля dX/dt.

Интересно, что вклад SSC импульса в рост ГИТ примерно в 3 раза выше, чем вклад последовавшей после SSC суббури (примерно в 21 UT). Хотя амплитуда самого SSC импульса составляла примерно 300 нТл, а амплитуда суббури около 600 нТл. Это объясняется тем, что величина производной во время

SSC импульса (dX/dt ~ 160 нТл/мин) достигала больших значений, чем во время суббури (dX/dt ~ 80 нТл/мин) - рис. 2. То есть вклад SSC импульса в рост ГИТ соизмерим, а порой даже превосходит вклад суббури. Величина ГИТ зависит не от амплитуды геомагнитного возмущения, а от скорости его изменения.

Построена карта распределения вариаций геомагнитного поля и его производной в зависимости от геомагнитной широты и времени на основе данных сети IMAGE (рис. 3). Пунктирной линией показано расположение станций VKH, KND. Подобное распределение позволяет по вариациям производной геомагнитного поля оценить возможность наведения ГИТ на той или иной широте. Максим геомагнитных возмущений после SSC события не совпадает с максимумом производной dX/dt этих геомагнитных возмущений. Поэтому проблема предсказания ГИТ далеко не всегда сводится к предсказанию максимального геомагнитного возмущения.

Рис. 2. Вариации X, Y-компонент геомагнитного поля, вариации производных dX/dt, dY/dt на станции LOZ, вариации ГИТ на станции VKH.

Рис. 3. Вариации ГИТ на станциях VKH, KND, широтные вариации X-компоненты геомагнитного поля, широтные вариации производной ^^ геомагнитного поля.

Воздействие TCV импульса на энергетические системы

Рассмотрен вклад перемещающихся конвективных вихрей (traveling convection vortices - TCV) в рост величины ГИТ. Данные импульсы возбуждаются в магнитосфере на дневной стороне при спокойных геомагнитных условиях и имеют продолжительность 5-10 минут. Они, как правило, являются результатом отклика магнитосферы на резкие изменения ориентации межпланетного магнитного поля, динамического давления солнечного ветра [5]. Проанализирован TCV импульс 26 января 2012 года (рис. 4.). На станции HOP (CGL=73.06°) амплитуда импульса достигала 400 нТл. В ходе анализа показано,

что TCV импульсы не вносят заметного вклада в рост ГИТ в линии электропередач на Кольском полуострове (5-6 А). Однако данные импульсы имеют вихревую структуру (рис. 5.). Из рисунка видно, что вихревая структура TCV располагается заметно выше системы регистрации ГИТ на Кольском полуострове. Поэтому для технологических систем, расположенных в еще более высоких широтах, они могут представлять опасность.

Рис. 4. X-компонента геомагнитного поля, dX/dt, Z-компонента геомагнитного поля на станции HOP; X-компонента геомагнитного поля, dX/dt, Z-компонента геомагнитного поля на станции IVA; ГИТ на станции VKH.

Рис. 5. Двухмерные эквивалентные

токи, построенные по методу сферических элементарных токовых систем для 26 января 2012 года в 07.14 ит.

Воздействие Р13 пульсаций на энергетические системы

Pi3 пульсации (или Ps6 пульсации) являются тонкой структурой геомагнитной суббури [6]. Их период составляет примерно 10-20 минут, амплитуда Pi3 пульсаций достигает сотни нТл [7]. Данные колебания наблюдаются на земной поверхности и в магнитосфере. Pi3 пульсации в геомагнитном поле вызывают одновременные пульсации в риометрическом поглощении, интенсивности полярных сияний, что свидетельствует о модуляции потоков высыпающихся в ионосферу энергичных и надтепловых электронов. Период Pi3 пульсаций заметно больше периодов типичных Pc5 пульсаций, поэтому они не могут быть интерпретированы как собственные колебания силовой линии. Механизм генерации данного типа возмущений так до конца и не выяснен.

В качестве примера рассмотрена магнитная буря 27-29 июня 2013 года, когда значения ГИТ достигали максимальных значений за всю историю регистрации в данной системе, начиная с 2010 года. 29 июня 2013 года

на станциях сети IMAGE наблюдалась мощная суббуря. Величина суббури на станции SOD достигала более 1000 нТл. Вариации ГИТ, магнитного поля, его производной показаны на рис. 6. На фоне суббури наблюдались мощные (с амплитудой в сотни нТл) иррегулярные Pi3 пульсации. Величина ГИТ достигала 120 Ампер на станции VKH. Интересно, что амплитуда Pi3 пульсаций в X и Y-компонентах геомагнитного поля вполне сопоставима.

Рис. 6. Вариации ГИТ на станции

VKH [А]; Ex, Ey-компоненты электрического поля [мВ/м]; X, Y-компоненты магнитного поля на станции LOZ [нТл]; dX/dt, dY/dt на станции LOZ [нТл/мин].

Рис. 7. Спектральная мощность для вариации ГИТ, Ex, Ey-компонент электрического поля, X, Y-компоненты магнитного поля; dX/dt, dY/dt.

Проведены расчеты теллурического поля, ответственного за генерацию ГИТ. Были использованы импедансы земной поверхности, рассчитанные в ходе глобального эксперимента BEAR по магнитотеллурическому зондированию (МТЗ) Скандинавии, Кольского полуострова [8]. Из первичных 10-секундных данных магнитометра сети IMAGE (компоненты X и Y) удалялся тренд: из временного ряда вычиталось текущее среднее значение по 33 минут интервалу. Затем к полученному временному ряду применялось преобразование Фурье (ПФ). На ПФ накладывался анизотропный тензор комплексной импедансной функции в диапазоне от 8 секунд до 55000 секунд по соотношению (5). Затем с помощью обратного ПФ восстанавливался 10 сек временной ряд вариаций теллурического поля (компоненты Ex и Ey). Результаты оценок для суббури 29 июня 2013 года приведены на рис. 6, где показаны вариации электрического поля (Ex, Ey-компоненты).

Спектральный анализ показывает наличие общего пика на частоте 1.2 мГц для вариаций ГИТ, магнитного, электрического полей, что говорит об общей

физической природе данных вариаций (Рис. 7). Хотя для ¿Х/Л, <1У/Л спектр более зашумленный. Результаты корреляционного анализа для станции VKH и Ь02 в интервале 01.00-04.00 ЦТ представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Коэффициенты корреляции между ГИТ и X, У, ¿Х/Л, ¿УМу, Ех, Еу (01 -04 ЦТ)._

J X Y dX/dt dY/dt Ex Ey

VKH-LOZ -0.28 0.69 -0.05 0.003 0.54 0.37

Видно, что лучше всего вариации ГИТ коррелируют с Y-компонентой геомагнитного поля, корреляция в dX/dt, dY/dt очень слабая. Таким образом, вопреки традиционной точке зрения, ГИТ лучше коррелирует с вариации магнитного поля, чем dB/dt. Поэтому высокие значения ГИТ могут быть вызваны не только временными вариациями геомагнитного поля, но и пространственными вариациями мелкомасштабных вихревых ионосферных токовых систем.

Рис. 8. Векторная диаграмма эквивалентных ионосферных токов вдоль меридионального профиля станций.

Рис. 9. Двухмерные эквивалентные ионосферные токи для события 29 июня 2013 года в 02.15 ЦТ в районе Скандинавии, Кольского полуострова.

Построение векторных диаграмм эквивалентных ионосферных токов по данным наземных магнитометров показывает, что Pi3 пульсации имеют вихревую структуру (рис. 8.). Распределение эквивалентных ионосферных токов, рассчитанных по данным модели IMAGE, в координатах широта-долгота также показывает наличие сильных вихрей (рис. 9.).

Таким образом, причиной экстремальных значений ГИТ помимо аврорального электроджета могут являться вихревые токовые системы в ионосфере, связанные

продольными токами в магнитосфере. Генерация интенсивных ГИТ в значительной степени связана не с глобальными геомагнитными возмущениями большой амплитуды, а с локальными быстрыми вариациями сравнительно небольшой амплитуды, наложенными на глобальные возмущения.

Заключение

Произведена оценка воздействия различных типов импульсных геомагнитных возмущений на рост величины ГИТ, регистрируемых в линиях электропередач на Кольском полуострове и в Карелии. SSC события, связанные с приходом межпланетной ударной волны, могут приводить к заметному росту ГИТ (до ~30 А). Значительное по амплитуде геомагнитное возмущение не всегда приводит к большим значениям ГИТ. Пространственно-временное распределение максимума геомагнитных возмущений далеко не всегда совпадает с пространственно-временным распределением максимума производной dX/dt. Поэтому проблема предсказания ГИТ далеко не всегда сводится к предсказанию интенсивного геомагнитного возмущения.

Наибольших значений ГИТ достигает при суббуре. При этом генерация интенсивных ГИТ в значительной степени связана не с глобальными геомагнитными возмущениями большой амплитуды, а с локальными быстрыми вариациями сравнительно небольшой амплитуды, наложенными на глобальные возмущения (Pi3 пульсации).

Показано, что в отдельных случаях вариации ГИТ могут лучше коррелировать с вариациями геомагнитного поля, чем с его производной. Поэтому экстремальные значения ГИТ могут быть вызваны не только временными вариациями геомагнитного поля, но и пространственными вариациями вихревых токовых систем, связанных с продольными токами в магнитосфере.

TCV импульсы приводят к незначительному росту ГИТ (около 7А). Однако данные возмущения имеют вихревую структуру и могут представлять опасность для технологических систем, расположенных в более высоких широтах, чем система регистрации ГИТ.

Благодарности. Авторы выражают благодарность сотрудникам сети магнитометров IMAGE за предоставленные данные (space.fmi.fi/image). Данные системы регистрации ГИТ представлены на сайте http://eurisgic.org/. Работа поддержана грантом РФФИ № 16-35-60049 мол_а_дк.

Литература

1. Lanzerotti L.J. Space weather effects on technologies // Space Weather. Geophys. Monogr. Ser. vol. 125. P. 11. 2001.

2. Fiori R.A.D., Boteler D.H., Gillies D.M. Assessment of GIC risk due to geomagnetic sudden commencements and identification of the current systems responsible // Space Weather. 2014. V. 12. P. 76-91.

3. Kappenman J.G. Great geomagnetic storms and extreme impulsive geomagnetic field disturbance events - an analysis of observational evidence including the great storm of May 1921 // Adv. Space Res. 2006. V. 38. P. 188-199.

4. Белаховский В.Б., Пилипенко В.А., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. Характеристики вариабельности геомагнитного поля для изучения

воздействия магнитных бурь и суббурь на электроэнергетические системы // Физика Земли. 2018. № 1. с. 56-68.

5. Friis-Christensen E., M.A. McHenry, C.R. Clauer, and S. Vennerstroem. Ionospheric traveling convection vortices observed near the polar cleft: A triggered response to sudden changes in the solar wind // Geophys. Res. Lett. 2014. 15. 253256.

6. Saito T. Long-period irregular magnetic pulsations Pi3 // Space. Sci. Rev. 1978. 21. 427-467.

7. Cheng C-C., Mann I., Baumjohann W. Association of consecutive Pi2-Ps6 band pulsations with earthward fast flows in the plasma sheet in response to IMF variations // J. Geophys. Res. 2014. 119. P. 3617-3640.

8. 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. P. 535-558.

Сведения об авторах

Белаховский Владимир Борисович

к.ф.-м.н., н. с., Институт физики Земли РАН, Москва

E-mail: belakhov@mail.ru

Пилипенко Вячеслав Анатольевич

зав. лабораторией, Институт физики Земли РАН, Москва

д.ф.-м.н., г. н. с., Геофизический Центр РАН, Москва

E-mail: pilipenko_va@mail.ru

Сахаров Ярослав Алексеевич

к.ф.-м.н., зав. лабораторией, Полярный Геофизический Институт, Апатиты

E-mail: ya_sakh@mail.ru

Селиванов Василий Николаевич

к.т.н., директор, Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ

РАН, Апатиты

E-mail: selivanov@ien.kolasc.net.ru