Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Ohrožení přenosové soustavy ČR

geomagnetickými bouřemi a nápravná opatření

Publikováno: Vesmír 93, 692, 2014/12

Geomagnetické bouře způsobované výrony plazmatu ze Slunce vyvolávají poruchy geomagnetického pole Země a vytvářejí geomagneticky indukované proudy, které se přes uzemněné neutrály transformátorů uzavírají přes přenosové vedení. Tyto proudy (extrémně až v řádu stovek ampérů) by mohly způsobit poškození transformátorů a v důsledku zvýšené spotřeby jalového výkonu v transformátorech může docházet k napěťovým nestabilitám, extrémně až ke kolapsu soustavy – blackoutu. Zároveň vyšší harmonické způsobené geomagnetickými indukovanými proudy mohou chybně ovlivňovat funkci ochran a dalších prvků přenosové soustavy.

Druhého září 1859 došlo na obloze nad celou planetou Země k erupcím červených, zelených a nachových září, které byly tak jasné, že bylo možné číst snadno noviny jako za denního světla. Ohromující záře dokonce pulsovaly poblíž tropických zeměpisných šířek nad Kubou, Bahamami, Jamajkou, Salvadorem a Havají. Velká záře se objevila také nad Skalistými horami a měla takovou intenzitu, že probudila horníky ze zlatých dolů, kteří si ve 4 hodiny v noci začali připravovat snídani v domnění, že už je ráno. Přestaly fungovat telegrafní systémy na celém světě. Telegrafní operátoři byli šokováni jiskrovými výboji, které zapalovaly telegrafní papír. I když odpojili baterie, které vedení napájely, elektrický proud indukovaný do vedení stále umožňoval přenos zpráv. Ve stošedesátileté dokumentované historii elektromagnetických bouří byla tato událost, nazvaná podle britského astronoma Carringtona, největší.

Fyzikální podstata problému a identifikace ohrožení

Výron hmoty ve skupenství plazmatu se silným magnetickým polem ze sluneční korony může být nasměrován k Zemi a interaguje s magnetosférou. Část nabitých částic se pohybuje podél geomagnetických siločar k Zemi do atmosféry zvláště ve vysokých šířkách a způsobí změny magnetického pole Země – geomagnetickou bouři, která může zasáhnout i velký geografický region. Z tohoto důvodu jsou také v těchto šířkách viditelné polární záře. Fluktuující geomagnetické pole vytváří na povrchu Země geoelektrický potenciál v řádu až jednotek V/km. Vzniklé kvazistejnosměrné indukované proudy se uzavírají jednak horninovým prostředím Země, ale také uzemněnými neutrály transformátorů přes (přenosové) linky (obr. 1).

Amplituda těchto geomagneticky indukovaných proudů v přenosové soustavě může dosahovat hodnot desítek (v ČR) nebo i několika stovek ampér (severské státy) s rizikovými účinky pro chod soustavy, zvláště v souvislosti se ztrátami jalového výkonu a následnými napěťovými problémy. V krajních případech jsou ohroženy poškozením nebo zničením prvky infrastruktury, a to zvláště vysokonapěťové transformátory.

Provozovatelé přenosových soustav a „superbouře“

Zatím největší výpadky a poškození transformátorů v historii způsobila magnetická superbouře z března 1989 . V systému Hydro-Québec v Kanadě došlo k napěťovému kolapsu a k vyhoření sice jen jednoho transformátoru, důsledkem byl však devítihodinový blackout celé provincie. Poškozen byl i jeden transformátor v jaderné elektrárně v USA. Severoameričtí provozovatelé přenosových soustav mají proto vypracovány podrobné provozní instrukce pro případ ohrožujících geomagneticky indukovaných proudů.

Další geomagnetická superbouře Haloween 30. října 2003 přímo způsobila hodinový blackout, který postihl 50 000 spotřebitelů v oblasti švédského Malmö. Primární příčinou byly harmonické impulzy, na které reagovaly citlivé ochrany na vedení 130 kV, jež toto vedení vypnuly.

Přes historicky vysoké naměřené hodnoty geomagneticky indukovaných proudů v posledních desetiletích (až 200 A přes neutrály transformátorů) ve finské síti nedošlo k žádnému poškození přenosové infrastruktury ani k napěťovému kolapsu. Finský provozovatel přenosové soustavy FINGRID nainstaloval sériové kondenzátory na dlouhých severojižních vedeních, které intenzitu geomagneticky indukovaných proudů sníží, a instaluje nové transformátory odolné vůči geomagneticky indukovaným proudům.

National Grid – provozovatel přenosové soustavy ve Velké Británii – vypracoval detailní provozní postupy, jak čelit geomagneticky indukovaným proudům. V případě nejrizikovějšího scénáře superbouře s pravděpodobností jednou za sto let modelové analýzy předpokládají poškození nebo zničení přibližně 17 z 1500 transformátorů a asi dvou stanic. Z toho je zřejmé, že předpokládané důsledky takové události by pro National Grid nebyly fatální.

V roce 2012 vydala asociace evropských provozovatelů soustav (ENTSO-E) shrnující zprávu o geomagneticky indukovaných proudech, převážně založenou na zkušenostech National Grid s tímto ohrožením. Uvádí řadu opatření, která dotčení (severští) provozovatelé aplikují pro udržení bezpečného provozu v případě extrémní geomagnetické bouře. Zpráva nepředpokládá žádné další akce ze strany asociace.

Projekt EURISGIC

Projekt EURISGIC (www.eurisgic.eu) v letech 2011–2014, s týmem sedmi řešitelských výzkumných institucí napříč Evropou a se skupinou externích poradců, včetně zástupce ČEPS, dospěl k řešení hlavního problému: ocenění relativní zranitelnosti přenosových sítí vytvořením evropské mapy pravděpodobnosti ohrožení geomagneticky indukovanými proudy a ocenění dopadu nejhoršího scénáře geomagnetické události na přenosové soustavy. Kromě toho projekt načrtl koncept předpovědní služby geomagneticky indukovaných proudů v budoucnosti.

Byl vytvořen zjednodušený model evropské elektrizační sítě s jednotnými parametry propojovacích vedení a s uzly v jejich křížení, nahrazujícími skutečný počet transformátorů v jednotlivých stanicích. Přes tento zjednodušující přístup model realisticky slouží k výslednému ocenění magnitudy geomagneticky indukovaných proudů. K jejich výpočtu byla použita data magnetického a elektrického pole v celé zájmové oblasti za období 1996–2008. K výpočtu sloužil také jednorozměrný geoelektrický model vodivostí zemských vrstev do hloubek 20, 40, 60, 80 a 160 km.

Výsledkem je interaktivní Mapa rizik geomagneticky indukovaných proudů, ve které jsou do pravoúhlé sítě tyto proudy zprůměrovány v přiléhajících uzlech přenosového systému (obr. 4). Toto je nejdůležitější výsledek projektu EURISGIC, protože podle něj je možno ocenit relativní ohrožení v jednotlivých regionech.

Projekt také naznačil budoucí směr předpovědí geomagneticky indukovaných proudů. V předpokládaném navazujícím projektu se bude vycházet z měřených a předpovědních geomagnetických a geoelektrických dat tak, aby bylo možné extrapolovat průběh geoelektrického pole podle jeho předpovězených variací. Reálný model přenosové soustavy a jeho automatická aktualizace podle aktuálního zapojení pak umožní spočítat geomagneticky indukované proudy v jednotlivých elementech přenosového systému, upozornit na problémy a v konečném důsledku i modelovat připravovaná nápravná opatření.

Aplikace poznatků na podmínky ČR a ČEPS

Česká republika je z celoevropského hlediska ohrožena geomagneticky indukovanými proudy s relativně malou pravděpodobností a intenzitou, i když v rámci méně ohrožené síťově propojené zóny Kontinentální Evropa patří náš systém k oblastem s většími projevy těchto proudů: podle výsledků projektu EURISGIC může v této synchronní zóně dosáhnout maximální geomagneticky indukovaný proud 50 A (důležité: v uzlu, nikoliv v neutrále jednoho transformátoru). Ve Skandinávii je to 427 A, v pobaltských státech 78 A a na Britských ostrovech 97 A. Vzhledem ke konfiguraci našeho systému z modelových výpočtů vyplývá, že nejohroženější budou uzly na jižním okraji našeho systému, daleko od severojižních propojení (Kočín, Dasný). Možnost extrémní bouře, která by způsobila vážné provozní problémy s následky rozsáhlých výpadků, lze očekávat v řádu stovek let, vzniklé provozní problémy by však neměly způsobit vážná poškození transformátorů. Pravděpodobnost takové události je srovnatelná s pravděpodobností katastrofální povodně z roku 2002 v Praze – na kterou je ovšem město nyní připraveno, a to jak po nákladných investičních opatřeních, tak i organizačně.

Systémová opatření před blížící se (na základě předpovědí s předstihem dne, popřípadě hodin) extrémní geomagnetickou bouří, resp. při výskytu kritických geomagneticky indukovaných proudů v průběhu bouře, můžeme shrnout do následujících bodů:

  • varovat uživatele sítí;
  • redukovat obchodní přeshraniční transakce;
  • navýšit směny na dispečinku, monitorovat provozní stav sítě, zvláště napětí;
  • zrušit práce na vedeních a odstávky odložit;
  • celou síť pozapínat do maximální konfigurace, zvl. zapojit všechny dostupné transformátory;
  • zaktivovat zdroje činného i jalového výkonu;
  • zvýšit provozní napětí v systému;
  • pečlivě monitorovat teplotní režim transformátorů a jejich plynování;
  • odstavit transformátory, které jsou ohroženy.

Tato opatření míří především k zachování napěťové stability, omezení toků v soustavě a zachování integrity všech prvků soustavy.

Možná infrastrukturní opatření

Přenosové soustavy, které jsou primárně ohroženy geomagneticky indukovanými proudy, mohou být posíleny infrastrukturními opatřeními jako jsou:

  • Instalace transformátorů se zvýšenou odolností proti těmto proudům.
  • Využití speciální ochrany transformátorů, které registrují současně jak tyto proudy, tak harmonické složky proudů a teplotu transformátoru. Komplexní vyhodnocení těchto parametrů umožňuje stanovit míru ohrožení transformátoru, vydat výstrahu a popřípadě transformátor vypnout.
  • Vložení přídavného odporu mezi neutrálu a zem u přímo zemněných transformátorů (toto opatření se jeví až jako krajní možnost).

Závěr

ČEPS si je vědoma ohrožení bezpečnosti provozu přenosové soustavy vlivem geomagnetických bouří a vzniklých geomagneticky indukovaných proudů, resp. teoretické možnosti zničení prvků infrastruktury.

Po identifikaci problému:

  • byly soustavně monitorovány výzkumné aktivity ve světě a byla provedena rešerše dostupných poznatků;
  • zástupce ČEPS se účastnil evropského projektu EURISGIC ve skupině externích poradců a odborných setkání;
  • v rámci projektu EURISGIC byly provedeny upřesňující výpočty s reálnými parametry sítě ČEPS;
  • byla vypracována studie ohrožení transformátorů ČEPS;
  • ČEPS odebírá varovné zprávy o blížících se geomagnetických bouřích systému NOAA.

Zkušenosti severských, daleko ohroženějších PPS a zvláště projekt EURISGIC odpověděly na otázku, jak naléhavá je hrozba extrémních geomagnetických bouří na elektrizační soustavu v podmínkách České republiky.

Naše přenosová soustava je především svou kondicí (robustnost a stáří/parametry transformátorů) a dále svou polohou ve středu Evropy chráněna od zničení svých prvků infrastruktury i skutečně extrémní geomagnetickou bouří s intenzitou, jejíž pravděpodobnost je jednou za několik stovek let.

Provozní problémy, které by mohly vést k lokálním nebo i rozsáhlejším výpadkům v řádu několika hodin, vyloučit při takovéto extrémní geomagnetické bouři nelze, a to ani přijatými provozními ochrannými opatřeními. Vzhledem k pravděpodobnosti, která je řádově nižší, než jsou další možné důvody pro selhání sítě, není třeba přistupovat k cíleným investičním opatřením. To je zcela v souladu s politikou asociace provozovatelů přenosových soustav ENTSO–E a s praxí jejích členů.

ČEPS je připravena na mimořádné účinky geomagnetických bouří a má připraven soubor opatření, jak účinky geomagneticky indukovaných proudů omezit a soustavu bezpečně provozovat.

Ohrožení transformátorů geomagneticky indukovanými proudy

Geomagnetická bouře je náhlá a výrazná změna intenzity geomagnetického pole Země vyjádřená změnami magnetické indukce B v jednotkách nanotesla za minutu, vyvolaná výronem hmoty ze Slunce (sluneční erupcí).

Časová změna intenzity zemní magnetické indukce vede k odpovídající časové změně magnetického toku na určité ploše. Tato změna vyvolá podle 2. Maxwellova zákona geoelektrické pole, jehož horizontální složky na zemském povrchu protlačují geomagneticky indukované proudy přes střední body vinutí transformátorů a vedení do elektrizační soustavy.

Do elektrických sítí s účinně uzemněnými středními body vinutí (neutrálami) transformátorů (v ČR sítě 400 kV, 220 kV, 110 kV) vstupují geomagneticky indukované proudy přes tyto neutrály a protékají přes jejich fázová vinutí (obr. 2).

Protože rychlost časových změn geomagnetického pole při geomagnetické bouři je ve srovnání s frekvencí střídavého proudu v energetické síti (50 Hz) poměrně malá, bude tomu odpovídat i frekvence indukovaných proudů (0,3–0,0001 Hz). Pro účely výpočtů vlivů na energetická zařízení se geomagneticky indukované proudy mohou považovat za téměř stejnosměrné (ss). Vzhledem k relativně velmi nízkým odporům vedení pro průchod stejnosměrných proudů v energetické síti je možné vliv těchto proudů na vedení zanedbat a zabývat se pouze jejich vlivem na transformátory.

Během geomagnetické bouře se geomagneticky indukované proudy superponují na provozní proudy a způsobují stejnosměrné půlperiodové přesycení železných jader transformátorů. To má za následek zvýšené oteplení transformátoru, vývin vyšších harmonických proudových složek a zvýšení jalových ztrát transformátoru (obr 3).

Kromě oteplení transformátorů, které v krajním případě vedlo až k jejich zničení (v minulosti prokázány minimálně dva případy v r. 1989 v Kanadě), se jako rovněž kritické jeví velké zvýšení jalových ztrát transformátoru, a tím snížení napětí v síti vedoucí až ke kolapsu energetické sítě (v říjnu 2003 ve Švédsku). Geomagneticky indukované proudy vyvolávají napěťové a proudové fluktuace, vznikají harmonické složky, které se šíří sítí a mohou vyvolat nadbytečné funkce energetických ochran, a tím výpadky vedení a dalších silnoproudých prvků v sítích. Z konstrukčního hlediska jsou nejohroženější transformátory s více než třemi sloupci magnetického obvodu, jednofázové transformátory a transformátory zastaralých konstrukcí. Z hlediska umístění transformátoru platí, že nejohroženější geomagneticky indukovanými proudy jsou transformátory nacházející se v topologických „rozích“ a na okrajích propojených elektrizačních soustav.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201412_692-694.pdf (523 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky