Výzkumy v ASU AV ČR (206): Očekávané amplitudy geomagneticky indukovaných proudů v české rozvodné síti

Poruchy v šíření slunečního větru vyvolávají změny v ochranném magnetickém obalu naší Země. Plazmové oblaky šířící se od Slunce zejména v souvislosti s proběhlými erupcemi nebo potkávání pomalého a rychlého slunečního větru patří mezi ty nejvýznamnější zdroje poruch zemského magnetického pole. Příchozí rázová vlna ovlivňuje tvar zemského magnetického pole a vyvolává změny v proudění částic ve vyšších vrstvách ionosféry. Nastává tzv. geomagnetická bouře. Ručičky magnetometrů kmitají, intenzita horizontálních složek zemského magnetického pole se chaoticky mění o stovky nanotesla. Systém ionosférických elektrických proudů může být významně narušen, v důsledku čehož vznikají elektrická pole, která postupují směrem k zemskému povrchu a pod něj. 

Tato elektrická pole na vodivých strukturách indukují elektrické proudy, tzv. geomagneticky indukované proudy, GIC. Ty vznikají v půdě, v oceánech, ale také ve vodivých infrastrukturních prvcích. Například v rozvodech elektrické energie, v produktovodech, v metalických signálních sítích. Časová proměnnost GIC je značně odlišná od nosných elektrických proudů v rozvodech. Střídavý elektrický proud v Evropě osciluje s frekvencí 50 Hz, padesátkrát za sekundu se tedy vymění plus a minus. GIC mají charakteristickou délku změny řádově v minutách, jejich změny jsou tedy oproti střídavým proudům několikatisíckrát pomalejší. Z pohledu designu zařízení rozvodné sítě představují GIC v podstatě proudy stejnosměrné. A zde nastává problém. Stejnosměrné proudy ovlivňují např. magnetizační křivku jader elektrických transformátorů. Jádro se může saturovat jednou polaritou, objevují se místa s výraznými tepelnými ztrátami, dochází k poruchám izolace, plynování olejové lázně a v extrémních případech dokonce i tavení desek v jádře. Přídatné kvazi-stejnosměrné proudy deformují tvar vlny nosného proudu, ovlivňují efektivní frekvenci i efektivní napětí v síti. Citlivé kontrolní prvky mohou porušenou vlnu vyhodnotit jako fatální poruchu a vedení odpojit. 

Z historie víme, že problémy na rozvodných sítích jsou vlastní spíše lokacím nacházejícím se dále od rovníku a blíže geomagnetickým pólům. Opět z historických událostí vyplývá, že na katastrofální selhání zařízení je zapotřebí průnik GIC s amplitudou v řádu 100 A. Jiné práce ovšem ukazují, že již GIC s amplitudou 1 až 10 A při době působení delší než minutu mohou vést k významné saturaci jádra transformátoru a způsobit nucený přechod jeho provozu v parametrech mimo technické specifikace. 

V zemích, kde jsou události související s geomagnetickými bouřemi běžnější, jsou GIC monitorovány a přímo měřeny. V České republice žádné takové dlouhodobé měření k dispozici není, rozhodně ne takové, které by probíhalo v období zvýšené geomagnetické aktivity. Pro posouzení možných amplitud GIC je nutné jít cestou matematického modelu. 

Diplomová práce Anny Smičkové z Fakulty elektrotechnické ČVUT vypracovaná pod vedením Michala Švandy, pracovníka Slunečního oddělení ASU a MFF UK, řešila přesně toto téma. Pílí studentky se podařilo zajistit technické údaje reprezentující páteřní 400kV síť provozovanou státní společností ČEPS, a.s. S pomocí zjednodušeného modelu, který nahrazuje komplikovanou strukturu sítě značně zjednodušeným elektrickým obvodem, a modelu geoelektrického pole, vypočteného na základě měření zemského magnetického pole na observatoři u Budkova na Šumavě, bylo možné vypočítat očekávané amplitudy GIC v rozvodnách páteře ČEPS. Použitý model je standardní, jeho solidnost byla v minulosti několikrát ověřena i proti přímým měřením prováděným v jiných zemích. Z práce vznikl ve spolupráci s další studentkou Tatianou Výbošťokovou z MFF UK odborný článek, který byl přijat k publikaci v časopise Earth, Planets and Space. 

Autoři si pro studium vybrali dvě situace. Jednak reálnou situaci delší geomagnetické bouře na přelomu října a listopadu roku 2003, která je v literatuře známa pod označením Halloweenské bouře. A pak extrémní situaci elektrického pole s intenzitou 1 V/km, které je považováno za myslitelné maximum pro země v podobné pozici, jako je Česká republika. Maxima během Halloweenských bouří byla kolem 0,6 V/km. 

Z modelu vyplývá, že v uzlech páteřních rozvoden obsluhovaných ČEPS nelze očekávat větší GIC než 40 A. To je zjevně málo na katastrofické selhání. Ovšem, jak ukazují jiné, technické studie za zahraničí, dlouhodobé vystavení zařízení proudům menším může mít kumulativní efekt a vést k postupné skryté degradaci zařízení a tím vyšší citlivosti i na menší výkyvy. To by vysvětlilo dříve pozorovanou statisticky zvýšenou závadovost po náhlém nástupu geomagnetické aktivity. 

V současné době není možné předpovědi tohoto modelu přímo ověřit. Jeho výsledky jsou v zásadě srovnatelné s podobnými studiemi prováděnými například v Rakousku. Lze tedy očekávat, že výsledné hodnoty GIC pro českou rozvodnou síť jsou reprezentativní a nastavují údaje potřebné pro reálné posouzení možného rizika v našich podmínkách. 

REFERENCE

M. Švanda, A. Smičková, T. Výbošťoková, Modelling of Geomagnetically Induced Currents in the Czech Transmission Grid, Earth, Planets and Space v tisku, preprint arXiv:2112.02438. 

KONTAKT

doc. Mgr. Michal Švanda, Ph.D. 
svanda@asu.cas.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.