Az intenzív naptevékenység hatása a villamosenergia-rendszerre
2012/12. lapszám | Szőke Zsolt | 4017 |
Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Már 1859-ben, az ún. Carrington-esemény során kiderült, hogy a napviharok a lenyűgöző sarki fényeken túl a földfelszín távoli pontjai közötti nagy potenciálkülönbségek okozói is lehetnek. Ennek következtében az akkorra már kiterjedt távíróhálózatban működési zavarok léptek fel, vonalak égtek ki, és több embert is súlyos áramütés ért. A geomágneses indukció megismerésével a napviharokat követő geomágneses aktivitás kockázati tényezővé vált, így az évezred végére világszerte megnőtt az igény a kiszolgáltatottság mérséklésére.
2. ábra az európai litoszféra-lemez összegzett elektromos vezetőképessége (S-térképe) a felszíntől 160 km mélységig
Geofizikai szempontból a földlégkör külső határfelületének azt a térrészt tekintjük, ahol a földi mágneses tér nyomása egyensúlyt tart a napszél dinamikai nyomásával. Ezt a változó alakú felületet hívjuk magnetopauzának. Az intenzív naptevékenység által okozott geomágneses viharok jellemző időtartama néhány óra, intenzitásukat a napszél sebessége és az interplanetáris mágneses tér határozza meg. A viharok fő okozói a Nap nagy távolságban záródó mágneses erővonalai mentén kiáramló napszélnyalábok, valamint a napkitörések során kilökődő plazmafelhők és a magnetoszféra közötti energiaátadás. Utóbbi esetben a vihart impulzusszerű kezdet jellemzi, mint az az 1. ábrán látható, ún. Halloween-esemény idején is megfigyelhető volt. A vízszintes tengelyen az idő, a függőlegesen pedig a mágneses indukció X, Y illetve Z irányú komponense látható. A külső eredetű geomágneses tér energiája alapvetően két módon csatolódhat be: erővonal-összekapcsolódással vagy geomágneses pulzációk útján. Az interplanetáris mágneses tér és a magnetoszféra erővonalai akkor kapcsolódnak össze, ha a bolygóközi térnek van dél felé mutató komponense. Ez határozza meg a geomágneses aktivitást. A geomágneses pulzációk széles spektrumú (1-1000 mHz), egymástól eltérő eredetű, meglehetősen szabályos, szinuszos változások, melyek keletkezésében szerepet játszanak a Föld rezonancia-folyamatai.
1. ábra Halloween-esemény, MTA Széchenyi István Geofizikai Obszervatórium, 2003. 10. 23. a vízszintes tengelyen az idő, a függőlegesen pedig a mágneses indukció X, Y illetve Z irányú komponense látható.
A Föld geomágneses aktivitása több lépcsőben növekedett az elmúlt száz évben, és kiemelten aktív szakasznak számít az elmúlt 3-4 év. Ugyan a geomágneses aktivitás korrelál a naptevékenység 11 éves periódusával, de az aktivitásban három csúcs jelenik meg, melyek közül a legnagyobb a naptevékenység maximumát követő 2-3 évben található.
3. ábra egy hosszú távvezeték és a földelési pontok által alkotott hurok
Nézzük meg az európai litoszféra-lemez geoelektromos modelljét, mely egy olyan kvázi-háromdimenziós modell, ami különféle méretű cellákból épül fel, azokon belül pedig 1D struktúrát feltételez (2. ábra). A talajban fellépő a villamos térerősséget a fajlagos ellenállás mélybeli eloszlása határozza meg, így a kőzetek anyagából például olyan további következtetéseket vonhatunk le, hogy a geomágnesesen indukált áramok által jelentett kockázat a távvezetékek topológiájától eltekintve is jelentősen nagyobb Skandináviában, mint Magyarországon.
A föld mágneses tere
Földünk mágneses mezejét eredet szerint három összetevőre bonthatjuk. Az elsődleges komponens az ún. fő tér. Eredetét illetően a földmagbeli magneto-hidrodinamikus folyamatokra vezethető vissza, a tér természetes, lassan változó komponense, átlagos amplitudója 25-70 ?T.
Ehhez adódik az anomális tér, melyek kialakulásában elsődleges szerepük van a ferromágneses anyagoknak és a kőzetek remanens mágnesezettségének van. Forrásai a földkéregben, illetve a felső köpenyben keresendők, ahol a hőmérséklet a Curie-pont felett, nagyságát tekintve a fő tér néhány százalékát teszi ki. A mágneses viharok szempontjából nagy jelentősége az előbbi két komponensre szuperponálódó, külső eredetű mágneses változásoknak van. Ennek veszélyét nem 0,1 ?T-ás nagyságrendje, hanem a belső térkomponensekhez viszonyított nagy változási sebessége adja, mely képes feszültséget indukálni a nagy hurkokban. Nézzük meg az európai litoszféra-lemez geoelektromos modelljét, mely egy olyan kvázi-háromdimenziós modell, ami különféle méretű cellákból épül fel, azokon belül pedig 1D struktúrát feltételez.
A napviharok hatása a villamosenergia-rendszerre
A napviharokkal összefüggésben levő villamosenergia-átviteli rendszerzavarokat először az Egyesült Államokban észleltek 1940-ben, ahol hibás védelmi működés miatt több vezeték is lekapcsolódott a szinkron működő hálózatról, ezzel tartós üzemzavart okozva. Kanadában 1989-ben öt 735 kV feszültségű távvezeték kapcsolódott le a Hydo-Québec rendszerről, így a termelésből 21 500 MW esett ki, aminek következtében 6 millió ember számára szünetelt 9 órán át a villamosenergia-szolgáltatás. A jelenség az átviteli hálózat transzformátorain kívül az erőművek géptranszformátorait és generátorait is túlterhelheti vagy tönkreteheti.
4. ábra normál üzemi körülmények között üzemelő transzformátor mágnesezési viszonyai
A jelenség magyarázata a geomágnesesen indukált áramokban keresendő. A mágneses pólusok közelében összesűrűsödött erővonalak és az időben változó mágneses erőtér az őt körülvevő vezető hurokban feszültséget indukál, és ha a hurok zárt, akkor geomágnesesen indukált áram keletkezik benne. Erős mágneses tevékenység esetén a talajban néhány V/km villamos térerősség is előfordulhat. Ennek akkor van érzékelhető hatása, ha a földtől szigetelt vezető fut keleti-nyugati irányban, amelynek végei egymástól nagy távolságban földelve vannak, így egy olyan nagyméretű hurok keletkezik, amely körülzárja a fluxus egy részét. Tipikusan ilyen elrendezést alkotnak a háromfázisú távvezetékek, végükön a földelt csillagkapcsolású transzformátoraikkal (3. ábra). A geomágnesesen indukált feszültség spektruma az 1-10 mHz tartományba esik, szemben az üzemi feszültség 50 vagy 60 Hz-es frekvenciájával. A transzformátoraink vasmagját a mágnesezési görbe lineáris, arányos szakaszán célszerű használni, ahol üresjárásban a nagy induktív reaktancia miatt kicsi mágnesezési áram folyik (4. ábra).
5. ábra eltolt gerjesztéssel üzemelő transzformátor mágnesezési viszonyai
A veszély abban rejlik, hogy a mágneses vihar által indukált feszültség az ipari frekvenciához képest gyakorlatilag egyenáramú gerjesztést hoz létre, amellyel szemben viszont a transzformátor reaktanciája az ohmos összetevővel együtt is nagyon kicsi. A mágneses tevékenység a gerjesztő áramot több száz amperre is növelheti, aminek köszönhetően a transzformátorra kapcsolt feszültséggel arányos mágneses indukció eltolódik, így a munkapont a mágnesezési görbe arányos részén túlra, a telítési szakaszra esik, amelyhez az üzeminél lényegesen nagyobb, aszimmetrikus áram tartozik (5. ábra).
Az áram hő- és erőhatása miatt a tekercsek felmelegednek, elmozdulnak, a szigetelés tönkremehet, így a transzformátor zárlatos lesz. A túláramvédelmek az esetek nagy részében ugyan megakadályozzák a transzformátor teljes tönkremenetelét, de az üzemzavar elkerülhetetlen, hiszen a visszakapcsolás nem lehetséges, valamint a keletkező felharmonikusok éppen a védelmek működését zavarhatják meg. A jelenség az erőművi generátorokra is veszélyt jelent, hiszen a transzformátorokban kialakuló féloldalas, aszimmetrikus áram páros felharmonikusokkal jár, ami a transzformátorral összekapcsolt generátorban olyan erőhatásokat vált ki, hogy a több tonnás forgórész rázkódni kezd.
Befejezés
Összefoglalásként kijelenthetjük, hogy a mágneses viharok hatásai a látványos sarki fényen túl a biztonságosnak és erősnek hitt, rendkívül robusztus berendezéseinkben is megjelennek, olykor végzetes következményekkel. Ugyan nagyobb veszélynek vannak kitéve az Északi-sarkhoz közelebb eső távvezetékek a nagy hosszúságuk, a geomágneses szélességük és a kőzetanyagok miatt is, de a közepes földrajzi szélességeken is tisztában kell lennie a kockázatokkal a rendszerirányítóknak.
