Výzkumy v AsÚ AV ČR (144): Poruchovost v české rozvodné síti v závislosti na úrovni sluneční aktivity

Strašákem pro stabilitu rozvodných sítí elektrické energie jsou tzv. geomagneticky indukované proudy (GIC z anglického Geomagnetically Induced Currents), tedy proudy, které jsou na zařízení rozvodné sítě indukovány změnami zemského magnetického pole. Tyto změny jsou vyvolávány proměnností slunečního větru a jsou největší v období, kdy je aktivita našeho Slunce zvýšená. Největší vliv pak mají přirozeně eruptivní sluneční události, proto lze pojmy sluneční aktivita a geomagnetická aktivita pro účely této studie zaměňovat. GIC pronikají do klíčových zařízení rozvodné sítě a protože se vůči provozním proudům chovají jako stejnosměrné (jejich typická doba proměnnosti se počítá v minutách, zatímco provozní proud změní své znaménko padesátkrát za sekundu), ovlivňují jejich správnou funkci. Porušený tvar provozní sinusoidy způsobuje změny frekvence a generaci vyšších harmonických, což může vést k zásahu provozních ochran a odpojení postiženého vedení od sítě. Téměř stejnosměrné GIC po průniku do jádra transformátoru nutí zařízení pracovat daleko od návrhových parametrů, dochází k saturaci jádra jednou polaritou s následným zvýšeným tepelným zatížením, které může v extrémních případech vést až k tavení jádra.

Z událostí v minulosti je známo, že velké geomagnetické bouře, tzv. superbouře, jsou spojovány se zvýšeným výskytem závad na klíčových zařízeních rozvodné sítě. V březnu 1989 vstoupil do historie  Québecký blackout, který trval na velkém území celých devět hodin, místy ale až dva měsíce. Stejná geomagnetická bouře ale měla za následek havárie různých zařízení po celém světě, zvýšená poruchovost byla zaznamenána v následujících 25 měsících. Téměř 29 hodin trvající geomagnetická bouře na přelomu října a listopadu 2003 se podepsala lokálními blackouty ve skandinávských zemích nebo rozsáhlými poruchami transformátorů v Jihoafrické republice nebo na Novém Zélandu.

V roce 2013 byla publikována práce provedená pro území Spojených států amerických, která studovala  souvislost mezi výskytem poruch v rozvodné síti a úrovní geomagnetické aktivity. Studie přesvědčivě ukázala, že čtyři procenta všech poruch mají svého původce ve vrtoších našeho Slunce. Navazující práce ukazuje, že to znamená kolem 180 miliard dolarů ročně jen na pojistných plněních na území USA.

Michal Švanda, pracující mimo jiné pro Sluneční oddělení ASU, společně se svou studentkou Tatianou Výbošťokovou z MFF UK realizovali podobnou studii pro rozvodnou síť v České republice. Po tři roky trvajících jednáních získali provozní deníky od všech hlavních distributorů elektrické energie na území ČR a rozdělili je do dvanácti anonymizovaných datových sérií. Každá z těchto sérií obsahovala seznam dní, v nichž byla na zařízeních určitého typu připojených k jednotné napěťové hladině zaznamenána anomálie. Vzhledem ke komplikovanému vyjednávání jednotlivé série pokrývají šest až deset let, všechny se překrývají pouze ve třech rocích. Třináctá testovací série tak vznikla spojením všech poruchových logů dohromady a pokrývá souvisle dvanáct let.

Rozložení závadovosti elektrických sítí v čase bylo porovnáváno s datovou sérií reprezentující úroveň geomagnetické aktivity. Ta měla svůj základ v tzv. K-indexu poruch zemského magnetického pole, který byl vypočten na základě minutových měření z observatoře Budkov obhospodařované Geofyzikálním ústavem AV ČR. V sérii modifikovaného K-indexu byla automaticky vyhledávána lokální maxima odpovídající zvýšené geomagnetické aktivitě v určitém období, k nimž byla dohledávána blízká minima. Cílem bylo porovnat počet anomálií registrovaných v maximech a minimech v jednotlivých sériích od distributorů. Blízkost párovaných období byla požadována proto, aby se zohlednily například sezónní výkyvy nebo dlouhodobé trendy vyvolané změnami v složitosti a zatížení sítě. Počet anomálií byl porovnáván v různě dlouhých obdobích několika desítek dnů v okolí minim a maxim, přičemž studie byla konzistentně provedena pro okna s délkami 10 až 120 dní.

Z výsledků vyplývá že pro sčítací okna v délce 30 až 70 dnů lze i pro českou rozvodnou síť zaznamenat statisticky významně zvýšenou poruchovost v období zvýšené geomagnetické aktivity, a to pro datové řady, které reprezentují anomálie na zařízeních sítě s vysokým a velmi vysokým napětím. Pro nízkonapěťovou hladinu se toto nepotvrdilo, stejně tak negativně dopadly i testy v datových řadách distributora, u nějž převažovala vedení s krátkými úseky mezi zemnícími body. Poruchovost byla v kladných případech zvýšena až o několik desítek procent a statisticky se anomálie vyskytovaly významněji po lokálním maximu geomagnetické aktivity než před ním. Stejná statistická analýza aplikovaná na dvanáctiletou spojenou datovou sérii jednoznačně podtrhuje zvýšený výskyt anomálií v období zvýšené geomagnetické aktivity. To vše nasvědčuje kauzální souvislost, i když ji metodika použitá ve studii nedokáže přímo prokázat.

Jde o pilotní studii v podmínkách státu, u něhož byly díky velké vzdálenosti od geomagnetického pólu efekty sluneční aktivity považovány za vyloučené. Množící se studie v literatuře však ukazují, že amplitudy GIC mohou být i v takových lokalitách značné a dosahovat tak hranic, které již mohou vést ke zvýšenému zatížení klíčových zařízení a tak jejich předčasnému selhání.  

REFERENCE

T. Výbošťoková, M. Švanda, Statistical Analysis of the Correlation between Anomalies in the Czech Electric Power Grid and Geomagnetic Activity, Space Weather v tisku, preprint arXiv:1907.01753

KONTAKT

doc. Mgr. Michal Švanda, Ph. D.
michal@astronomie.cz
Sluneční oddělení Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Sluneční oddělení ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.