Zvládli bychom geomagnetickou bouři?

Geomagnetické bouře, způsobené výrony plazmatu ze Slunce, vyvolávají poruchy geomagnetického pole Země a vytvářejí geomagneticky indukované proudy (Geomagnetically Induced Currents, GIC); ty přes uzemněné neutrály transformátorů ovlivňují elektrické přenosové soustavy. Proudy extrémně až v řádu stovek ampérů by mohly způsobit poškození transformátorů jejich přehřátím a způsobit napěťové výkyvy až ke kolapsu soustavy – k blackoutu. Z výsledků výzkumných projektů vyplývá relativně malé ohrožení území České republiky. Více jsou ohrožené státy ležící ve vyšších geomagnetických šířkách a státy s větším měrným odporem horninového podloží. Významné provozní problémy, které by mohly vést k  výpadkům přenosového systému, mají pravděpodobnost výskytu řádově jednou za sto let. Přesto společnost ČEPS provozující českou přenosovou soustavu přijímá opatření, která by i v případě extrémní geomagnetické bouře dopad snížila.

Dne 2. září 1859 došlo na obloze nad celou planetou Země k erupcím červených, zelených a nachových září. Záře byly tak jasné, že při nich bylo možné číst noviny jako za denního světla. Ohromující záře dokonce pulsovaly poblíž tropických zeměpisných šířek nad Kubou, Bahamy, Jamajkou, Salvadorem a Havají. Významné záře se objevily také nad Skalistými horami. Jejich intenzita probudila asi ve 4 hodiny v noci horníky ze zlatých dolů. Začali připravovat snídani, protože si mysleli, že je ráno. Přestaly fungovat telegrafní systémy na celém světě. Telegrafní operátoři byli šokováni jiskrovými výboji, které zapalovaly telegrafní papír. I když operátoři odpojili baterie, které vedení napájely, elektrický proud indukovaný do vedení stále umožňoval přenos zpráv. Ve 160leté dokumentované historii elektromagnetických bouří byla tato událost, nazvaná podle britského astronoma Carringtona, největší.

Trocha fyziky

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

Jak řeší GIC ve světě

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 jednoho transformátoru, důsledkem byl devítihodinový blackout celé provincie. Poškozen byl i jeden transformátor v jaderné elektrárně v USA.

Další geomagnetická superbouře „Haloween“ z 30. října 2003 přímo způsobila hodinový blackout pro 50 000 spotřebitelů v oblasti švédského Malmö. Jeho primární příčinou byly harmonické impulzy, na které reagovaly citlivé ochrany na vedení130 kV a vypnuly ho.

Přes historicky vysoké naměřené hodnoty GIC 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 vedeních severojižní orientace, které intenzitu GIC proudů sníží - a nové transformátory vybírá odolné vůči GIC.

National Grid, provozovatel přenosové soustavy ve Velké Británii, vypracoval detailní provozní postupy, jak čelit GIC. V případě nejrizikovějšího scénáře - superbouře s pravděpodobností výskytu řádově jednou za sto let - předpokládají modelové analýzy poškození nebo zničení přibližně 17 z 1 500 transformátorů. Z toho je zřejmé, že předpokládané důsledky takové události by pro National Grid nebyly fatální.

Na téma jak se vyrovnat s ohrožením GIC vydala v roce 2012 asociace evropských provozovatelů přenosových soustav ENTSO-E shrnující zprávu. Zpráva se zakládala převážně na zkušenostech National Grid. Uvádí řadu opatření, která se aplikují pro udržení bezpečného provozu v případě extrémní geomagnetické bouře. U nejvíce ohrožených přenosových soustav ve světě se uvažuje o následujících dlouhodobých infrastrukturních opatřeních:

• instalace sériových kondenzátorů na nejvíce ohrožená vedení (podle vzoru Finska),
• u extrémně ohrožených transformátorů uvažovat o blokačních dodatečných zařízeních omezujících proudy přes neutrály transformátorů do jejich uzemnění (příklady z USA).

Fyzikální vlivy

Náhlá a výrazná změna intenzity geomagnetického pole Země vyjádřená změnami magnetické indukce B v jednotkách nT/min (nanotesla za minutu) vede k odpovídající časové změně magnetického toku na určité ploše, která vyvolá podle II. Maxwelova zákona geoelektrické pole, jehož horizontální složky na zemském povrchu protlačují geomagneticky indukované proudy (GIC) přes střední body vinutí transformátorů (sítě 400kV, 220kV, 110kV), protékají přes jejich fázová vinutí a vedení do elektrizační soustavy (obr. 2). Podélné linky znázorňují tři fáze energetických vedení příslušných napětí. Vlnovky vyznačují tři fáze vinutí transformátorů, vlevo je transformátor 400kV/220kV a vpravo je transformátor 400kV/110kV. Neutrály obou transformátorů jsou přímo uzemněny, přičemž vzdálenost mezi dvěma uzemněními může obnášet desítky až stovky kilometrů. Mezi těmito vzdálenými uzemněními může během geomagnetické bouře vznikat následkem intenzity indukovaného geoelektrického pole E_Geo geoelektrické napětí U_ind, které v jednotlivých fázích vedení 400kV protlačují proudy GIC, vyznačené šipkami. Obdobně další geoelektrická napětí protlačují proudy GIC přes sítě 220kV a 110kV opět k dalším neutrálám transformátorů, kterých jsou v elektrické soustavě desítky až stovky podle počtu instalovaných transformátorů.

Transformátory se zahřívají

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 proudů GIC (0,3 až 0,0001 Hz). Pro účely výpočtů vlivů na energetická zařízení se proudy GIC mohou považovat za téměř stejnosměrné (ss). Vzhledem k relativně velmi nízkým odporům vedení pro průchod ss proudů v energetické síti je možné vliv GIC na vedení zanedbat a zabývat se pouze vlivem GIC na transformátory. Během geomagnetické bouře se indukované proudy GIC superponují na provozní proudy a způsobují stejnosměrné půlperiodové přesycení železných jader transformátorů. To způsobuje zvýšené oteplení transformátoru, vývin vyšších harmonických proudových složek a zvýšení jalových ztrát transformátoru (obr 3).

Výpadky vedení

Kromě oteplení transformátorů, které v krajním případě vedlo až ke zničení transformátorů (v minulosti prokázány minimálně dva případy) je kritické rovněž velké zvýšení jalových ztrát transformátoru a tím snížení napětí v síti vedoucí až ke kolapsu energetické sítě (Švédsko, říjen 2003). GIC vyvolává napěťové a proudové fluktuace, vznikají harmonické složky, které se šíří sítí a mohou vyvolat nadbytečné funkce ochran a tím výpadky vedení a dalších silnoproudých prvků v sítích. Z konstrukčního hlediska jsou nejvíce ohroženy transformátory s více než třemi sloupci magnetického obvodu, jednofázové transformátory a transformátory zastaralých konstrukcí. Z hlediska umístění transformátoru platí, že nejvíce jsou GIC ohroženy transformátory umístěné v topologických „rozích“ a na okrajích propojených elektrizačních soustav.

Projekt EURISGIC

V projektu EURISGIC http://www.eurisgic.eu/ v letech 2011-2014 tým sedmi řešitelských výzkumných institucí napříč Evropou (včetně zástupce ČEPS), dospěl k těmto výsledkům: ocenění relativní zranitelnosti přenosových sítí vytvořením evropské mapy pravděpodobnosti ohrožení proudy GIC, ocenění dopadu nejhoršího scénáře geomagnetické události na přenosové soustavy a náčrt konceptu předpovědní služby GIC pro budoucnost. Vznikl zjednodušený model evropské elektrizační sítě s jednotnými parametry propojovacích vedení a s uzly v jejich křížení, nahrazujícími skutečný počet transformátorů v jednotlivých stanicích. K výpočtu se použila data magnetického a elektrického pole v celé zájmové oblasti za období 1996-2008 a jednorozměrný geoelektrický model vodivostí zemských vrstev do hloubek 20, 40, 60, 80 a 160 km.

GIC risk map

Interaktivní mapa, ve které jsou do pravoúhlé sítě zprůměrovány proudy GIC (A) v přiléhajících uzlech přenosového systému, je nejdůležitějším výsledkem projektu EURISGIC, protože podle něj je možné ocenit relativní ohrožení v jednotlivých regionech. „GIC risk map“ ukazuje, že největší ohrožení je v severských státech Skandinávie, Velké Británie a Pobaltí, což souvisí s vyššími geomagnetickými šířkami. Přenosové systémy v regionech s větším odporem horninového prostředí jsou rovněž ohroženější: v nejvyšší míře jih Skandinávského poloostrova, podstatná část Velké Británie a nakonec i stovky kilometrů široký pás od západní hranice Maďarska přes Rakousko a jih ČR a Švýcarsko do Francie a severního Španělska. Naopak, oblast Německa a Beneluxu je geomagnetickými bouřemi méně ohrožená než severní část Španělska. Přitom v oblasti Katalánska by maximální proud GIC za modelové největší geomagnetické disturbance neměl překročit 33 A. O něco větší magnituda se dá, podle výsledků výpočtů EURISGIC, očekávat na našem území.

Možné pokračování výzkumu – předpovědi

Bude se vycházet z měřených a předpovědních geomagnetických a geoelektrických dat tak, aby bylo možné extrapolovat průběh geoelektrického pole podle předpovězených variací. Reálný model přenosové soustavy a jeho automatická aktualizace podle aktuálního zapojení pak umožní spočítat proudy GIC v jednotlivých elementech přenosového systému, upozornit na problémy a v konečném důsledku i modelovat připravovaná nápravná opatření.

Doporučení pro podmínky ČR

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 Evropy patří náš systém k oblastem s většími projevy těchto proudů. Podle výsledků projektu EURISGIC může v této zóně dosáhnout maximální proud GIC 50 A (důležité: v uzlu, nikoliv v neutrále jednoho transformátoru) oproti hodnotě 427 A ve Skandinávii, 78 A v pobaltských státech a 97 A na Britských ostrovech. 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, nicméně vzniklé provozní problémy by neměly způsobit vážná poškození transformátorů. Pravděpodobnost takové události můžeme srovnat s pravděpodobností katastrofální povodně z roku 2002 v Praze.

Systémová opatření před blížící se (na základě předpovědí s předstihem dne, resp. hodin) extrémní geomagnetickou bouří, resp. při výskytu kritických GIC 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 zapnout do maximální konfigurace, zejména 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.

V přenosových soustavách, které jsou primárně ohroženy proudy GIC, se doporučuje přijmout tato opatření k trvalému posílení struktury elektrizační soustavy:

• instalace transformátorů se zvýšenou odolností proti GIC,
• využití speciální ochrany transformátorů, které registrují současně proudy GIC, harmonické složky proudů a teplotu transformátoru, vyhodnocují je a vydávají výstrahu a případně transformátor vypnou,
• vložení přídavného odporu mezi neutrálu a zem u přímo zemněných transformátorů (toto opatření se jeví až jako krajní možnost).

V  podmínkách ČR nepřicházejí v úvahu žádná mimořádná investiční opatření. Při instalaci nových transformátorů se ovšem zohledňuje odolnost proti GIC.

Naše přenosová soustava je především svou kondicí (robustnost a stáří, parametry transformátorů) a svojí polohou ve středu Evropy chráněna od zničení i při skutečně extrémní geomagnetické bouři, jejíž pravděpodobnost je jednou za několik stovek let. A tato pravděpodobnost je řádově nižší, než jsou další možné důvody pro selhání sítě.

Obrázky převzaty s laskavým svolením autorů a ČEPS, a. s.

RNDr. František Cahyna, Ing. Ladislav Haňka, CSc. †, Ing. Dalibor Klajbl