CC BY
56
УДК 550.385.4
В. А. Пилипенко, В. Б. Белаховский, Я. А. Сахаров, В. Н. Селиванов, В. А. Билин
ОЦЕНКА ВАРИАЦИЙ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩАЯ ВОЗБУЖДЕНИЕ ГЕОМАГНИТНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ В ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Аннотация
Данные системы регистрации геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ) Полярного геофизического института (ПГИ) и Центра физико-технических проблем энергетики Севера (ЦФТПЭС) КНЦ РАН в линиях электропередач Кольского п-ова и Карелии, а также данные магнитометров сети IMAGE использованы для исследования характеристик вариабельности геомагнитного поля. Применение различных методик для магнитной бури, начавшейся 17 марта 2013 г, показывает, что ионосферные токи флуктуируют в направлениях восток-запад и север-юг. Таким образом, ГИТ наблюдаются как в восточно-западном, так и в северно-южном направлениях, представляя опасность для энергетических систем, вытянутых в том числе в северно-южном направлении.
Ключевые слова:
геомагнитно-индуцированные токи, магнитная буря, суббуря, космическая погода
V. A. Pilipenko, V. B. Belakhovsky, Ya. A. Sakharov, V. N. Selivanov, V. A. Bilin
THE ESTIMATION OF THE GEOMAGNETIC FIELD VARIATIONS DESCRIBING
THE GENERATION OF THE GEOMAGNETIC INDUCED CURRENTS
IN THE ELECTRIC POWER LINES
Abstract
Data of the geomagnetic induced currents (GIC) registration system of the Polar geophysical institute and CPTPEN of the KSC RAS in the electric power lines of the Kola Peninsula and Karelia, IMAGE magnetometer data was used for the investigation of the characteristics of the geomagnetic field variability. The usage of the different methods for the geomagnetic storm started at 17 March 2013 year show that the ionosphere currents fluctuate not only in the east-west direction as well in the north-south direction. So GIC directed in the east-west and in the north-south direction and can produce hazard for the power lines extended in the north-south direction.
Keywords:
geomagnetic induces currents, magnetic storms, substorms, space weather.
1. Введение
Одним из наиболее существенных проявлений космической погоды для наземных технологических систем являются электрические геомагнитно-индуцированные токи (по западной терминологии — geomagnetically induced currents, GIC), возбуждаемые в поверхностных слоях Земли при резких изменениях геомагнитного поля. Наведенные ГИТ опасны для трубопроводов [1], магистральных кабельных линий, высоковольтных линий электропередач, железнодорожного оборудования, морских коммуникационных кабелей, телефонных и телеграфных линий [2].
Известны многочисленные примеры катастрофических последствий некоторых событий космической погоды, имевшие место в США, Канаде, Скандинавии и Японии [3]. Наиболее интенсивные токи (до сотен ампер) и электрические поля (>10 В/м) возбуждаются на авроральных широтах при магнитных бурях и суббурях [4]. Вариации магнитного поля с dB/dt > 40 нТ/c привели к нарушениям в работе скандинавских энергетических сетей. Наведенные токи вызывают насыщение, перегрев и даже повреждение высоковольтных трансформаторов на электрических подстанциях [5].
Наиболее активные проявления геомагнитных возмущений и наведенных токов наблюдаются на авроральных широтах, поэтому в северных странах (США, Канада, Великобритания, Скандинавские страны) с 1970-х гг. начались изучение влияния ГИТ на наземные технологические системы и выработка возможных мер, снижающих негативные последствия. Страны, расположенные в средних и низких широтах, также обеспокоены возможным влиянием ГИТ на технологические системы [6]. Уровень и размах отечественных исследований по этому направлению явно отстает от работ в передовых странах. Кроме того, в отличие от Скандинавских стран и Канады район Российской Арктики не имеет достаточно плотной сети магнитных станций.
Хотя наибольшие магнитные возмущения на земной поверхности создаются авроральным электроджетом, в быстрые изменения геоэлектрического поля, существенные для возбуждения ГИТ, заметный вклад вносят мелкомасштабные ионосферные токовые структуры [7]. Даже простое сопоставление широтных профилей величин геомагнитного возмущения B и производной dB/dt показывает, что хотя возмущение в Х-компоненте может быть больше, чем в Y-компоненте, производные dX/dt и dY/dt сопоставимы, а суточный ход производной dB/dt не повторяет ход B.
Таким образом, для описания вариабельности геомагнитного поля и связанных с ними ГИТ необходимо применение более тонких характеристик, чем широко используемая производная Х-компоненты поля dX/dt. В данной работе делается попытка применить некоторые новые характеристики к описанию вариабельности геомагнитного поля во время магнитных бурь и суббурь. В работе использованы данные Полярного геофизического института и Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН по регистрации ГИТ в линиях электропередач на Кольском п-ове и Карелии, а также магнитные данные сети IMAGE.
2. Используемые данные
В рамках проекта EURIGIC ПГИ совместно с ЦФТПЭС создана единственная в России система регистрации воздействия магнитосферных возмущений на энергосистему [8, 9]. Данная система регистрации расположена на Кольском п-ове и в Карелии и включает в себя пяти станций, координаты и названия станций даны в табл. 1. В работе были использованы данные чеырех станций — VKH, RVD, LKH, KND (рис. 1). Измеряемым параметром является квази-постоянный ток, протекающий в глухозаземленной нейтрали автотрансформатора, который связан с ГИТ в линии электропередачи (ЛЭП). Для исследования выбраны подстанции Кондопога, Лоухи, Титан и Выходной на магистральной линии 330 кВ и подстанция Ревда на линии 110 кВ.
Рис. 1. Система регистрации ГИТ в ЛЭП и магнитные станции сети IMAGE
Имеющийся выбор точек измерения позволяет при развитии магнитосферного возмущения исследовать распределение ГИТ по широте на магистральной линии, ориентированной с юга на север. Регистрация ГИТ проводится с 2011 г. по настоящее время, данные регистрации токов размещаются на сайте http://eurisgic.org, созданном для оценки риска воздействия геомагнитных возмущений на европейские энергетические системы.
Магнитные станции изучаемого региона принадлежат сети IMAGE (рис. 1). Комбинация ГИТ станций и ближайших к ним магнитных обсерваторий позволяет создать следующие локальные пары станций: KNP-HAN, LKH-OUL, RVD-LOZ, VKH-LOZ. Координаты магнитных станций указаны в табл. 2.
Таблица 1
Станции ПГИ по регистрации ГИТ
Станция Код Географическая широта, градус Географическая долгота, градус
Vykhodnoj VKH 68.83 33.08
Revda RVD 67.77 34.99
Titan TTN 67.56 33.62
Loukhy LKH 65.77 31.08
Kondopoga KND 62.21 34.28
Таблица 2
Магнитные станции
Станция Код Географическая широта, градус Географическая долгота, градус
Nordkapp NOR 71.09 25.79
Ivalo IVA 68.70 27.30
Lovozero LOZ 67.97 35.08
Pello PEL 66.90 24.08
Oulu OUL 64.52 27.23
Hankasalmi HAN 62.30 26.65
Nordkapp NOR 71.09 25.79
3. Характеристики вариабельности геомагнитного поля
Для описания вариаций геомагнитного поля по величине и направлению применены следующие характеристики.
Векторное поле. Результатом специальной обработки данных магнитных наблюдений является последовательность «фотографий» векторного поля. Каждая картинка представляет собой векторное поле геомагнитного возмущения AB и производной B' = \dt Bx, 8tBy} в координатах широта-долгота для конкретного момента времени. Производная считается по формуле 8 B(t) = (B(t + At) - B(t - At)) / 2 At.
Временная эволюция меридионального профиля магнитных возмущений. Чтобы представить картину динамики геомагнитных возмущений и ионосферных токов вдоль меридионального профиля, рисовались последовательно сдвинутые по времени векторы возмущений. Такая техника использовалась, например, в работе [10] при анализе конвективных холловских вихрей. Возмущение магнитного поля в конкретной точке связано с эквивалентным ионосферным током над ней следующим образом: b = (2rc/c)[Jxn], где n — нормаль к плоскости, или в компонентах {Jx,Jy} = (с/2л){Ьу,-Ьх}. Вектор J повернут на л/2 по отношению к b.
RB-метод. Этот метод дает возможность ввести параметр, который показывает, испытывает ли магнитное поле вариации по направлению или по величине. Для 2D случая B(Y) = {Bx,By} геомагнитное поле в скользящем окне длиной N точек, B0 = {Bx0,By0} фоновое геомагнитное поле, возмущение геомагнитного поля b = {Bx-Bx0,By-By0} = {bx,by} и модуль геомагнитного
/""г---b b
возмущения | b |= у bx + by . Направляющие косинусы cosxа-^-; cos^а-щ •
Параметр RB для временного ряда длиной N точек [11]:
^=1 - М1Е
При КБ ^ 1 исследуемое векторное поле испытывает хаотические вариации во всех направлениях. При ЯБ ^ 0 поле варьируется только по величине, но не по направлению. При этом параметр не зависит от интенсивности возмущения.
4. Магнитная буря 17 марта 2013 г.
Магнитная буря началась с подходом к земной магнитосфере межпланетной ударной волны, что вызвало на земной поверхности импульс SC в ~ 06.00 UT. В это момент скорость солнечного ветра резко увеличилась с ~ 400 км^ до ~ 650-700 км/^ Межпланетное магнитное поле стало антипараллельным геомагнитному полю, что обеспечило пересоединение полей и постоянное поступление энергии в магнитосферу. Индекс SYM-H, характеризующий интенсивность магнитной бури, упал примерно до -150 нТл. Авроральный AE-индекс резко возрос до ~ 1000 нТл и оставался повышенным. АЕ-индекс
показывает в 16.00 UT появление другой авроральной активизации (увеличение AE до ~ 2500 нТл).
Вариации геомагнитного поля, зарегистрированные станциями сети IMAGE во время этой магнитной бури, показаны на рис. 2. Сопоставление X- и Г-компонент показывает, что вариации по первой компоненте более интенсивны, чем по второй.
Рис. 2. Геомагнитное поле [нТл/104] по данным станций сети IMAGE (NOR, IVA, PEL, OUJ, HAN) во время магнитной бури 17 марта 2013 г., 05.00-24.00 UT
Система регистрации ГИТ показывает наличие трех заметных всплесков интенсивности ГИТ (рис. 3): во время 8С в 06.00 иТ, во время авроральной активизации в 16.00 ИТ и неожиданное усиление в 18.00-20.00 ИТ. Пиковая величина ГИТ на разных станциях сильно отличается: УКН ~ 70 А, ТТК ~ 8 А, ЬКН ~ 6 А, ККБ ~ 20 А, так как эти измерения не калиброваны между собой.
Имеющиеся магнитометры преимущественно расположены вдоль геомагнитного меридиана в направлении север-юг. Благодаря такой ориентации можно применить метод временной вариации вектора магнитных возмущений.
Динамика магнитных возмущений (рис. 4) показывает, что происходило не только изменение величины магнитного возмущения, но и его ориентации. С 06.00 до 09.00 ЦТ возмущения ориентированы преимущественно в направлении к югу, затем ориентация сменилась на северное направление и после 18.00 ЦТ снова на юг. Эти вариации обусловлены сильными колебаниями регионального ионосферного тока.
Рис. 3. Данные системы регистрации ГИТ (станции VHD, TTN, LHN, KND) во время магнитной бури 17 марта 2013 г., 05.00-24.00 UT
Картина эквивалентных ионосферных токов (рис. 5) показывает, что сразу после SC токи текли преимущественно на восток, затем их направление поменялось на обратное. Наконец в период с 16.00 до 18.00 UT направление токов снова сменилось на восточное. Этот переход выглядит как переход от одной вихревой токовой системы к другой. Хотя крупномасштабная структура ионосферных токов определяется восточно-западным электроджетом, на более мелком региональном уровне токи испытывают сильные вариации по направлению. В результате, ГИТ проявлены как в восточно-западном, так и в северно-южном направлениях.
Применение Äfi-параметра для станции IVA (рис. 6) свидетельствует о том, что геомагнитное поле меняется не только по величине, но и по направлению, поскольку данный параметр имеет значения, более близкие к 1, чем к 0. На станции IVA ЛВ-параметр варьировался в пределах 0.7-0.9. Остальные магнитные станции дают примерно тот же результат. Таким образом, вариации геомагнитного поля нельзя считать обусловленными только колебаниями интенсивности аврорального западно -восточного электроджета.
Рис. 4. Временная вариация вектора магнитных возмущений вдоль меридионального профиля за анализируемый период с 05.00 ЦГ до 24.00 ЦГ
(с шагом 5 мин.)
Рис. 5. Картина эквивалентных ионосферных токов за анализируемый период с 05.00 Ц до 24.00 ЦТ (с шагом 5 мин.)
Сравнение вариации ГИТ на станции УКИ с вариациями производной горизонтальной компоненты геомагнитного поля на близко расположенной станции Ь02 показывает хорошую корреляцию между ними (рис. 7). Коэффициент корреляции Я между вариациями ГИТ и составляет 0.72, а между ГИТ и
равен -0.29 для временного интервала 06.00-10.00 иТ. То есть производная Х-компоненты сильнее связана со скачками ГИТ, чем производная Г-компоненты.
-
г IV 1, X I -I
IVA, Y / V чн, V Л-
05.00 10.00 15.00 20.00 24.00
Рис. 6. Временные вариации параметра RB, рассчитанного по магнитным возмущениям (нижние панели) на станции IVA за период с 05.00 до 24.00 UT (с шагом 30 мин.)
- VKH, LOZ, гит dX/i tt
- I LOZ, dX/dt : | I Ii ,||-
vA LOZ, У \ßv.
05 00 10 00 15 00 20 00 2-1.1
LT
Рис. 7. Вариации ГИТ на станции УКИ и производная dX/dt на станции Ь02 (верхняя панель), производная Х-компоненты геомагнитного поля dX/dt на станции Ь02 (средняя панель), Х-компонента геомагнитного поля на станции Ь02 (нижняя панель) с 05.00 до 24.00 иТ 17 марта 2013 г.
6. Обсуждение и заключение
В работе на примере средней по интенсивности магнитной бури 17 марта 2013 г. исследованы характеристики вариаций геомагнитного поля в авроральных широтах и произведено их сравнение с реально измеренными величинами ГИТ в ЛЭП Кольского п-ова и Карелии. Обнаружен вклад SC-события и суббуревой активности в возрастание величины ГИТ. Скачок тока на станции VKH достигал 70 A. В ходе анализа обнаружена хорошая корреляция производной горизонтальной Х-компоненты геомагнитного поля dX/dt с вариациями ГИТ в ЛЭП. Применение различных методов (временные вариации вектора геомагнитных возмущений, определение специального RB-параметра) показывает, что геомагнитное поле меняется не только по величине, но и по направлению.
Крупномасштабная структура ионосферных токов на авроральных широтах определяется восточно-западным электроджетом, что проявляется в преобладании Х-компоненты магнитных возмущений. Однако на более мелком региональном уровне эквивалентные ионосферные токи и создаваемые ими геомагнитные возмущения испытывают сильные вариации по направлению. В результате, ГИТ наблюдаются как в восточно-западном, так и в северно-южном направлениях. Таким образом, ГИТ представляют опасность и для электропроводящих энергетических систем, вытянутых в северно-южном направлении.
Благодарности. Авторы выражают благодарность сотрудникам сети IMAGE за предоставленные данные магнитометров. Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ МК-4210.2015.5, гранта РНФ № 16-17-00121 (ПВА), гранта n260330 программы FP7/2007-2013.
Литература
1. Pulkkinen A. Modeling of space weather effects on pipelines / A. Pulkkinen [et al.] // J. Applied Geophysics. 2001. 48. 233.
2. Pirjola R. Space weather risk / R. Pirjola [et al.] // Space Weather. 2005. 3. S02A02.
3. Boteler D. H., Pirjola R. J., Nevanlinna H. The effects of geomagnetic disturbances on electrical systems at the Earth's surface // Adv. Space. Res. 22. 1998. 17.
4. Lanzerotti L. J. Space weather effects on technologies // Space Weather. 2001. Vol. 125. P. 11. (Ser. AGU).
5. Erinmez I. A., Kappenman J. G., Radasky W. A. Management of the GIC risks on the national grid company's electric power transmission system // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2002. 64. 743.
6. Kelly G. S. Understanding GIC in the UK and French High Voltage Transmission Systems During Severe Magnetic Storms / G. S. Kelly [et al.] // Space Weather. 2016.14.
7. Viljanen A. The relation between geomagnetic variations and their time derivatives and implications for estimation of induction risks // Geophys. Res. Lett. 1997. 24. 631-634.
8. Ефимов Б. В, Сахаров Я. А., Селиванов В. Н. Геомагнитные штормы. Исследование воздействий на энергосистему Карелии и Кольского полуострова // Новости электротехники. 2013. № 2 (80).
9. Сахаров Я. А. Регистрация геоиндуктированных токов в региональной энергосистеме / Я. А. Сахаров [и др.] // Практические аспекты гелиогеофизики: тр. 11-й ежегод. конф. «Физика плазмы в солнечной системе». 2016. С. 134-145.
10. Friis-Christensen E. Ionospheric traveling convection vortices observed near the polar cl: A triggered response to sudden changes in the solar wind / E. Friis-Christensen [et al.] // Geophys. Res. Lett. 1988. 15. 253-256.
11. Lin N. A comparison of ULF fluctuations in the solar wind, magnetosheath, and dayside magnetosphere. 2. Field and plasma conditions in the magnetosheath / N. Lin [et al.] // J. Geophys. Res. 1991. 96. 3455.
Сведения об авторах Пилипенко Вячеслав Анатольевич
д. ф.-м. н., профессор, зав. лабораторией, Институт физики Земли РАН, г. Москва E-mail: pilipenko_va@mail.ru
Белаховский Владимир Борисович
к. ф.-м. н., научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты E-mail: belakhov@mail.ru
Сахаров Ярослав Алексеевич
к. ф.-м. н., заведующий лабораторией, Полярный геофизический институт, г. Апатиты E-mail: ya_sakh@mail.ru
Селиванов Василий Николаевич
к. т. н., зам. директора Центра физико-технических проблем энергетики Севера, г. Апатиты E-mail: selivanov@ien.kolasc.net.ru
Билин Владислав Андреевич
лаборант, Полярный геофизический институт, г. Апатиты bilinvlad@gmail.com
