지자기 유도 전류

Geomagnetically induced current

긴 전기 도체 시스템의 정상 작동에 영향을 미치는 지자기 유도 전류(GIC)는 우주 날씨의 지상 레벨에서 나타난다.우주 기상 이벤트 동안, 자기권과 전리권의 전류는 지구의 자기장에서도 나타나는 큰 변화를 경험합니다.이러한 변화는 지구 표면에서 작동하는 도체에 전류(GIC)를 유도합니다.전기 전송 그리드 및 매립 파이프라인이 그러한 도체 시스템의 일반적인 예입니다.GIC는 파이프라인 강철의 부식 증가와 고압 전력 변압기의 손상과 같은 문제를 일으킬 수 있습니다.GIC는 지구 자기 폭풍의 가능한 결과 중 하나로, 지구 물리 탐사 조사와 석유 및 가스 시추 작업에도 영향을 미칠 수 있다.

배경

지구의 자기장은 다양한 시간대에 걸쳐 변화한다.일반적으로 수십 년에서 천 년에 걸쳐 발생하는 장기적인 변화는 주로 지구 중심부의 발전기 작용의 결과입니다.전리층, 자기권 및 태양권의 동적 과정으로 인해 몇 초에서 몇 년의 시간표에 따른 지자기 변화도 발생한다.이러한 변화는 궁극적으로 태양 활동 (혹은 태양 흑점) 주기와 관련된 변화와 관련이 있으며 우주 날씨의 징후입니다.

지자기장이 태양 조건에 반응한다는 사실은 예를 들어 자기장학을 이용하여 지구 구조를 조사하는 데 유용할 수 있지만, 또한 위험을 야기하기도 한다.이러한 지자기적 위험은 주로 지구의 보호 대기 [1]덮개 아래 있는 기술에 대한 위험이다.

인프라스트럭처에 대한 리스크

GIC 생성을 위한 기본 원리: 전리층 전류(I(t)의 변화)는 GIC를 구동하는 전계(E(t)를 생성한다.핀란드 천연가스 파이프라인의 실제 GIC 기록도 보여진다.

지구 외부의 시간 가변 자기장은 텔루르 전류, 즉 전도 지면에 흐르는 전류를 유도합니다.이러한 전류는 2차(내부) 자기장을 생성합니다.패러데이의 유도 법칙의 결과로, 지구 표면의 전장은 자기장의 시간 변화와 관련되어 유도된다.표면 전장은 지자기 유도 전류(GIC)로 알려진 전류를 지구에 접지된 전력 또는 파이프라인 그리드 등 모든 전도 구조에서 흐르게 합니다.이 전계는 V/km 단위로 측정되며 네트워크를 통해 전압원으로 작동합니다.

예를 들어 송전 그리드, 송유관, 비광섬유 해저 통신 케이블, 비광섬유 전화 및 전신망 및 철도가 있습니다.GIC의 변동 주파수는 전계의 시간 변동에 의해 제어되지만 GIC는 종종 준직류(DC)로 설명된다.GIC가 기술의 위험이 되려면 전류가 기기가 즉시 또는 누적 손상에 취약하도록 하는 규모와 발생 빈도를 가져야 한다.임의의 네트워크에서 GIC의 크기는 네트워크의 전기적 특성과 토폴로지에 따라 결정됩니다.가장 큰 외부 자기장 변동을 초래하는 가장 큰 자기권-이온권 전류 변화는 지자기 폭풍 중에 발생하고 가장 큰 GIC가 발생한다.상당한 변동 주기는 보통 수초에서 약 1시간이기 때문에 유도 과정은 맨틀 상부와 암석권을 포함한다.높은 자기 위도에서 가장 큰 자기장 변화가 관찰되기 때문에 GIC는 1970년대 이후 캐나다, 핀란드 및 스칸디나비아 전력망과 파이프라인에서 정기적으로 측정되었다.수십에서 수백 암페어의 GIC가 기록되었습니다.GIC는 또한 큰 폭풍우 동안 중위도에서 기록되었다.낮은 위도 지역에도 위험이 있을 수 있으며, 특히 지구의 낮 쪽에서 발생하는 필드의 높고 단주기 변화율 때문에 갑작스럽게 시작된 폭풍우 중에는 더욱 위험합니다.

GIC는 1847-8년 태양 주기 [2]9 기간 동안 신흥 전기 전신 네트워크에서 처음 관측되었다.기술 변화와 전도 네트워크의 성장은 현대 사회에서 GIC의 중요성을 더 크게 만들었다.해저 케이블, 전화 및 전신 네트워크 및 철도에 대한 기술적 고려사항은 유사합니다.복원력을 [3]확보하기 위한 노력이 이루어졌기 때문에 이러한 시스템에 대한 공개 자료에서 보고된 문제는 적습니다.

전력망 내

현대의 전력 전송 시스템은 변전소에서 제어되는 고정 전송 전압으로 작동하는 전기 회로에 의해 상호 연결된 발전소로 구성됩니다.사용되는 그리드 전압은 이러한 변전소 사이의 경로 길이에 크게 좌우되며 200-700 kV 시스템 전압이 일반적이다.보다 긴 경로 길이에 걸쳐 전송 손실을 줄이기 위해 보다 높은 전압과 낮은 라인 저항을 사용하는 경향이 있습니다.낮은 라인 저항은 GIC의 흐름에 유리한 상황을 생성합니다.전력 변압기에는 준직류 GIC에 의해 방해되는 자기 회로가 있습니다.GIC에 의해 생성된 자기장이 자기 회로의 동작점을 상쇄하고 변압기가 반주기 포화 상태가 될 수 있습니다.이로 인해 AC 파형에서 고조파가 생성되고 국부 가열이 발생하며 무효 전력 수요 증가, 비효율적인 전력 전송 및 보호 조치의 오작동으로 이어질 수 있습니다.이러한 상황에서 네트워크의 균형을 맞추려면 상당한 양의 무효 전원 [4]용량이 필요합니다.변압기에 중대한 문제를 일으키는 GIC의 크기는 변압기 유형에 따라 다릅니다.현대 산업 관행은 새로운 변압기에 대해 GIC 허용 수준을 지정하는 것입니다.

1989년 3월 13일 심각한 지자기폭풍으로 인해 기기 보호 릴레이가 연속적으로 [5]작동하면서 수 초 만에 하이드로퀘벡 전력망이 붕괴되었다.6백만 명의 사람들이 9시간 동안 전기가 끊겨 상당한 경제적 손실을 입었다.1989년 이후 북미, 영국, 북유럽 및 기타 지역의 전력회사들은 GIC 위험 평가와 완화 전략 개발에 투자해왔다.

GIC 위험은 콘덴서 차단 시스템, 유지보수 일정 변경, 추가 온디맨드 생성 용량, 최종적으로는 부하 감소에 의해 어느 정도 감소될 수 있습니다.이러한 옵션은 비용이 많이 들고 경우에 따라서는 실용적이지 않습니다.고전압 전력망의 계속적인 성장은 더 큰 위험을 초래합니다.이는 부분적으로 더 높은 전압에서의 상호접속성 증가, 오로라존의 그리드에 대한 전력전달 측면에서의 연결 및 과거보다 용량에 가깝게 작동하는 그리드에 기인한다.

전력망에서 GIC의 흐름을 이해하고 GIC 위험에 대해 조언하려면 그리드의 준직류 특성 분석이 필요하다.[6]이것은 시간 가변적인 전리층 소스장과 지구의 전도율 모델을 조합하여 결정되는 구동면 전장을 제공하는 지구의 지구물리학적 모델과 결합되어야 한다.이러한 분석은 북미, 영국 및 북유럽에서 수행되었다.전력망, 전원 전리층 전류 시스템 및 3D 접지 전도성의 복잡성으로 인해 정확한 분석이 어렵습니다.[7]주요 폭풍과 그 결과를 분석할 수 있게 됨으로써 전송 시스템의 취약점을 파악하고 가상 이벤트 시나리오를 실행할 수 있습니다.

그리드 관리는 또한 주요 지자기 폭풍의 우주 기상 예보에 의해 도움을 받는다.이를 통해 완화 전략을 구현할 수 있습니다.태양 관측은 CME 속도에 따라 지구 방향 코로나 질량 방출(CME)에 대한 1-3일 경고를 제공한다.그 후, L 라그랑주 지점에서1 우주선을 통해 태양풍에서 CME에 선행하는 태양풍 충격을 감지하면 지자기 폭풍을 20분에서 60분 동안 확실하게 경고할 수 있다(또한 지역 태양풍 속도에 따라 다름).CME가 태양에서 발사된 후 지자기 폭풍이 지구에 도달하고 지구의 지자기장에 영향을 [8]미치기까지 약 2~3일이 걸린다.

파이프라인의 GIC 위험

파이프라인의 부식을 방지하기 위해 사용되는 음극 방식 시스템의 개략도.

주요 파이프라인 네트워크는 모든 위도에 존재하며 많은 시스템이 대륙 규모의 시스템입니다.파이프라인 네트워크는 강철로 구성되어 고압 액체 또는 가스를 포함하고 부식 방지 코팅이 되어 있습니다.파이프라인 코팅이 손상되면 강철이 토양이나 물에 노출되어 국부 부식이 발생할 수 있습니다.파이프라인이 매설된 경우 강철을 지면에 대한 음전위로 유지하여 부식을 최소화하기 위해 음극방지가 사용됩니다.작동 전위는 파이프라인 근처의 토양과 지구의 전기 화학적 특성에 따라 결정됩니다.파이프라인에 대한 GIC 위험은 GIC가 배관 대 토양 전위의 변동을 유발하여 주요 지자기 폭풍 중의 부식 속도를 증가시킨다는 것이다(Gummow, 2002).GIC 리스크는 치명적인 장애의 위험이 아니라 파이프라인의 수명 단축입니다.

파이프라인 네트워크는 전력 그리드와 유사한 방식으로 모델링된다. 예를 들어 파이프를 따라 임의의 지점에서 파이프에서 토양으로의 전위를 제공하는 분산 소스 전송선 모델을 통해 모델링된다(Boteler, 1997; Pulkkkinen et al., 2001).이러한 모델에서는 벤딩이나 분기 등 복잡한 파이프라인 토폴로지와 서로 다른 섹션을 전기적으로 격리하는 전기 절연체(또는 플랜지)를 고려해야 합니다.파이프라인 엔지니어는 GIC에 대한 파이프라인 응답에 대한 자세한 지식을 통해 파이프라인 측량 및 유지보수가 중단될 수 있는 지자기 폭풍 중에도 음극방식 시스템의 동작을 이해할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

각주 및 참고 자료

  1. ^ 최근 리뷰는 Lanzerotti, 2001; Pirjola et al, 2005를 참조한다.
  2. ^ Ronalds, B.F. (2016). Sir Francis Ronalds: Father of the Electric Telegraph. London: Imperial College Press. ISBN 978-1-78326-917-4.
  3. ^ Geomagnetically Induced Currents as Ground Effects of Space Weather (Thesis). doi:10.1190/sbgf2009-024.
  4. ^ Erinmez et al., 2002
  5. ^ Bolduc, 2002
  6. ^ 레티넨과 피르졸라, 1985년
  7. ^ Thomson 등, 2005년 참조
  8. ^ (NERC, 1990)

추가 정보

  • Bolduc, L., GIC 관측 및 하이드로 퀘벡 전력 시스템 연구.J. 아트모스솔, 공포.Phys., 64(16), 1793~1802, 2002.
  • Boteler, D. H. 전자기 유도 연구를 위한 분산 소스 전송로 이론.제12회 취리히 국제 심포지엄 및 전자파 적합성에 관한 기술 전시회 의사록 보충. 페이지 401–408, 1997.
  • Boteler, D. H., Pirjola, R. J. 및 Nevanlinna, H., 지구 표면의 전기 시스템에 대한 지자기 교란의 영향.어드밴스 공간Res., 22(1), 17-27, 1998.
  • Erinmez, I. A., Kappenman, J. G. 및 Radasky, W. A., 국가 그리드 회사의 전력 전송 시스템에서 지자기 유도 전류 위험 관리J. 아트모스솔, 공포.Phys., 64(5-6), 743-756, 2002.
  • Gummow, R. A., GIC가 파이프라인 부식 및 부식 제어 시스템에 미치는 영향.J. 아트모스솔, 공포.Phys., 64(16), 1755-1764, 2002.
  • Lanzerotti, L. J. 우주 날씨가 기술에 미치는 영향.Song, P, Singer, H. J., Siscoe, G. L. (에드), Space Weather.미국 지구물리학 연합, 지구물리학 모노그래프, 125, 페이지 11-22, 2001.
  • 레티넨, M., R.피르졸라, 지자기 유도 전계에 의해 접지 도체 네트워크에서 생성되는 전류, Annales Geophysicae, 3, 4, 479-484, 1985.
  • Pirjola, R. 우주 기상 위험 추정 및 구제책 설계에 적용할 수 있는 전력 시스템의 지자기 유도 전류 흐름에 관한 기초.J. 아트모스솔, 공포.Phys., 64(18), 1967-1972, 2002.
  • 피르졸라, R., 카우리스티, K., 라팔라이넨, H.와 빌야넨, A.와 풀키넨 A., 우주 기상 위험.AGU Space Weather, 3, S02A02, doi:10.1029/2004SW000112, 2005.
  • 톰슨, A. W. P., A. J. McKay, E. Clarke 및 S. J. Reay, 표면 전장과 지자기 유도 전류가 2003년 10월 30일 AGU 우주 기상, 3, S11002, do:101015,000/2005년 10월 29일 스코틀랜드 전력 그리드에서 발생.
  • 풀키넨, A., R. 피르졸라, D.보틀러, A.빌자넨과 나Yegorov, 파이프라인에 대한 우주 기상 영향 모델링, 응용 지구물리학 저널, 48, 233-256, 2001.
  • 풀키넨, A.매우 교란된 우주 기상 조건에서의 지자기 유도:헬싱키 대학 박사 논문, 2003년 지반효과 연구(eAthit에서 이용 가능)
  • 가격, P.R., 변압기에 대한 지자기 유도 전류 영향, 전력 공급에 대한 IEEE 트랜잭션, 17, 4, 1002–1008, 2002, doi:10.1109/TPWRD.2002.803710

외부 링크

전력망 관련 링크