Влияние магнитных возмущений на магистральные объекты

С ростом количества и сложности технических систем, важным аспектом космической погоды становится влияние магнитных бурь на эти системы и протяженные магистральные объекты [Авакян С. В., Воронин Н. А. Роль космических и ионосферных возмущений в глобальных климатических изменениях и коррозии трубопроводов // Исследования Земли из космоса. 2011. № 3. С. 14–29].

Вариации геомагнитного поля, возникающие во время магнитных бурь в полярных и авроральных широтах (согласно известному закону электромагнитной индукции), генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли, в соленой воде и в искусственных проводниках. Наводимая разность потенциалов невелика и составляет примерно несколько вольт на километр, но в протяженных проводниках с низким сопротивлением - линиях связи и электропередач (ЛЭП), трубопроводах, рельсах железных дорог - полная сила индуцированных токов может достигать десятков и сотен ампер.

Наименее защищенными от подобного влияния являются воздушные низковольтные линии связи. Так, значительные помехи, возникавшие во время магнитных бурь, были отмечены уже на самых первых телеграфных линиях, построенных в Европе в первой половине XIX века. Значительные неприятности геомагнитная активность может доставлять и железнодорожной автоматике, особенно в приполярных районах. А в трубах нефти- и газопроводов, тянущихся на многие тысячи километров, индуцированные токи могут значительно ускорять процесс коррозии металла, что приходиться учитывать при проектировании и эксплуатации трубопроводов.

Число аварий в энергосетях США в районах повышенного риска (близких к авроральной зоне) возрастает вслед за уровнем геомагнитной активности. В годы минимума активности вероятности аварий в опасных и безопасных районах практически уравниваются.

Крупная авария, произошедшая во время сильнейшей магнитной бури 1989 года в энергетической сети Канады, наглядно продемонстрировала опасность магнитных бурь для ЛЭП. Исследования показали, что причиной аварии стали трансформаторы. Дело в том, что постоянная составляющая тока вводит трансформатор в неоптимальный режим работы с избыточным магнитным насыщением сердечника. Это приводит к избыточному поглощению энергии, перегреву обмоток и, в конце концов, к аварии всей системы. Последовавший анализ работоспособности всех энергетических установок Северной Америки выявил статистическую зависимость между количеством сбоев в зонах повышенного риска и уровнем геомагнитной активности.

Магнитные бури приводят к сильным возмущениям в ионосфере, которые в свою очередь, отрицательно сказывается на состоянии радиоэфира. В приполярных районах и зонах аврорального овала ионосфера связана с наиболее динамичными областями магнитосферы и поэтому наиболее чувствительна к таким воздействиям. Магнитные бури в высоких широтах могут практически полностью блокировать радиоэфир на несколько суток. При этом страдают и другие сферы деятельности, например, авиасообщение. Другим негативным эффектом, связанным с геомагнитными бурями, является потеря ориентации искусственных спутников Земли, навигация которых осуществляется по геомагнитному полю, испытывающей во время бури сильные возмущения. Естественно, что во время геомагнитных возмущений возникают проблемы и с радиолокацией.

Наибольшие проблемы возникают в высоких широтах, в пределах или вблизи зон полярных сияний. Кроме этого в высоких широтах имеется очень толстый слой вечной мерзлоты, в которой проводимость очень мала, что приводит к исключительно плохим условиям для создания заземления. В этих районах проявления геомагнитных бурь являются наиболее интенсивными и частыми. Таким образом, необходимо исследовать влияние GIC на авроральных и субавроральных широтах (севернее 50 градусов с.ш.), то есть на большой территории в России, особенно в Сибири и в Якутии, Канаде и на Аляске.

Исходя из результатов моделирования, производительности электрических сетей и фактических текущих измерений, представляется, что следующие пороги могли бы определить наиболее значимые события электромагнитных возмущений с точки зрения влияния на энергетические системы:

· Магнитная вариация (dВ/dT)> 30нТл/мин

· К-индекс, равный или более чем 7 по крайней мере один раз за день

· Ак индекс > 60 в течение дня.

Для ускорения коррозии трубопроводов с защитой пороговое критическое значение магнитной вариации составляет (dВ/dT)> 20нТл/мин.

В Финляндии Finnish Meteorological Institute в коллаборации с компанией GasumOy более 20 лет ведут исследования влияния GIC на действующем газопроводе.

Выделено шесть уровней активности, используя -dBx/dt:

· Спокойное поле (median < 4, 26нT/мин, 92% probability)

· Слабая активность (median > 4, 26, less than 8% probability)

· Активное поле (median > 6, less than 4% probability)

· Большая активность (median > 10, 5, less than 1% probability)

· Шторм (median > 14, 3, less than 0, 5% probability)

· Экстремальный шторм (median > 32, 8, less than 0, 1% probability).

В настоящее время достаточно широко изучены многочисленные эффекты воздействия космической среды, наиболее ярко проявляющиеся во время магнитных бурь, которые условно можно разделить на несколько классов:

Во-первых, это спутниковые аномалии: поверхностные заряды и токи, деградация солнечных батарей, сбои электронных схем и т.п.

Во-вторых, это радиационное воздействие на космонавтов, проникающее до верхней границы атмосферы, т.е. до уровня высот, где выполняются полеты гражданской авиации.

В-третьих, это воздействие на ионосферу: прекращение радиосвязи, сбои в радиосистемах, ошибки в системах навигации и т.п.

В-четвертых, это индукционные эффекты на уровне земли: экстратоки в линиях электропередач, наведенные токи в трубопроводах, наводки в трансокеанских кабелях и т.д.

В-пятых, это воздействие на биосферу, в том числе и на человека. Хотя такое воздействие и не является катастрофой для большинства людей, но те, кто находятся в экстремальных ситуациях, кто страдает сердечной недостаточностью, психическими расстройствами могут проявить вполне заметную реакцию на магнитные бури, которая иногда становится фатальной.

В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея в проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электродвижущая сила индукции, которая является причиной возникновения в цепи индукционного электрического тока [Савельев И. В. " Курс общей физики, том II. Электричество". - М.: " Наука", 1970, с. 373 и 193]. Таким образом, резкие изменения геомагнитного поля создают в магистральных объектах погонную напряженность электрического поля, в результате которой текут токи, достигающие десятков ампер, и создается разность потенциалов, например, между металлом трубопровода и окружающей землей. В результате резко возрастает электрохимическая коррозия. Исследования этих явлений особенно актуальны после запуска трубопроводов ВСТО и начала проектирования Сила Сибири, имеющих большие протяженности как в широтном, так и в меридиональном направлениях.

Интенсивность магнитного поля Солнца меняется в течение 11 летнего цикла, во время которого количество пятен, вспышек, бурь увеличивается в течении примерно 4-х лет до максимума солнечной активности, а потом примерно в течении 7 лет уменьшается до минимума солнечной активности [Лазутин Л.Л. Мировые и полярные бури. - М.: МГУ, 2012. – 213 с.]. В период солнечной активности возможно отключение или выход из строя станций катодной защиты, которыми снабжены магистральные трубопроводы. Оставаясь фактически без защиты, трубы подвергаются ускоренной электрохимической коррозии. Согласно техническому регламенту, отключение катодной защиты магистральных трубопроводов допускается не более 10 дней в году. Но наша планета ежегодно испытывает 50-100 сильных геомагнитных бурь – они случаются раз, а то и два раза в неделю [Авакян С. В., Намгаладзе А. А. Некоторые техносферные проявления гелиогеофизических возмущений // Вестник РАН. 2012. Т. 82. № 1. С. 43–49.].

В работах Finnish Meteorological Institute (Финляндия) в коллаборации с компанией Gasum Oy [Boteler D.H., Pirjola R.J. and Nevanlinna H. The Effects of Geomagnetic Disturbances on Electrical Systems at the Earth's Surface // Adv. Space Res., 1998. V. 22. - P. 17-27.] на основе исследований влияния геомагнитных индуктированных токов (GIC) на газопроводы выделены влияющие на трубопроводы пороговые уровни геомагнитной активности. Коррозия трубопроводов возникает в течение положительной части цикла формы теллурической волны. При dB/dt > 5 нТл/мин (активное поле) резко увеличивается коррозия при отсутствии дополнительной защиты (катодной или анодной). При dB/dt > 20 нТл/мин (шторм) коррозия резко увеличивается даже при наличии защиты [Koen J, Gaunt C.T. Geomagnetically induced currents at mid-latitudes. / URSI, Maastricht, August 2002.]. В [NACE International, Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems, NACE Recommended Practice RP0169-96, 1996, pp.13.] показано, что в периоды времени, когда поляризованный потенциал более электроположительный, чем общепринятые 850 мВ - потенциал катодной защиты, и по другому критерию, когда он более положительный, чем 650 мВ, коррозия будет происходить, по оценкам, 15% и 4% из этих периодов соответственно. На основе этой модели подсчитано, что труба может быть перфорированной менее чем за четыре года на круговой дефект покрытия диаметра 0, 6 см. Скорость коррозии труб обычно составляет 0, 25 мм в год, но иногда фиксируются значения в 1, 16 мм в год. В результате коррозии неприятности начинаются уже через 5-10 лет эксплуатации трубопроводов, хотя их работа рассчитана на 25-30 лет [Авакян С. В., Намгаладзе А. А. Некоторые техносферные проявления гелиогеофизических возмущений // Вестник РАН. 2012. Т. 82. № 1. С. 43–49.]. При (dВ/dT)> 30нТл/мин (экстремальный шторм) начинаются воздействия на энергетические системы [Koen, J., and C.T. Gaunt. Geomagnetically induced currents at mid-latitudes. Abs. The 27 General Assembly of URSI, 17-24 August, 2002. Netherlands, Maastrich, 177.].