Markbaserade system

Introduktion

Det jordelektriska fältet driver strömmar i marken och i handgjorda elektriska ledare, som elnät, kommunikationskablar, olje-och gasledningar och järnvägsutrustning. Ett gemensamt namn för dessa strömmar är jordmagnetiskt inducerade strömmar (på eng. GIC) och de är det sista fenomenet i den komplicerade av kedjan av fysikaliska processer från solen till jordytan. GIC är huvudsakligen (men inte enbart) ett fenomen på högre latitud, eftersom geomagnetiska störningar och jordelektriska fältet är störst och mest frekvent där.

Kraftsystem

Under en geomagnetisk storm bildas strömmar på ca 100 km:s höjd uppe i jonosfären. Dessa kallas elektrojetströmmar och kan uppgå till flera miljoner ampere. De uppstår på höga lattituder som t.ex. nordamerika och skandinavien. När strömmarna varierar med tiden kommer, enligt Faraday’s lag, ett elektriskt fält att induceras. På jordytan kan detta fält driva strömmar i olika ledare som t.ex. kraftledningar, kommunikationskablar, pipelines och järnvägsräls. Dessa strömmar kallas med ett gemensamt namn för geomagnetiskt inducerade strömmar (geomagnetically induced currents, GIC).

Kraftindustrin är den bransch som har haft störst problem med GIC. Vårt kraftnät utgörs av ett 3-fas ledningssystem tillsammans med Y- och D-kopplade transformatorer. Till skillnad från D-kopplingen har Y-kopplingen en nollpunkt som är jordad. Under normal belastning adderas strömmarna till noll i denna punkten. Jordningen utgör däremot en naturlig väg för GIC in i kraftsystemet. Till skillnad från växelströmmen på 50/60 Hz kan GIC betraktas som likströmmar (< 1 Hz.) Strömmen går via jordningen, följer kraftledningarna, och tillbaka till jord via en annan transformator.

gicflow

Jordmagnetiskt inducerad ström i en kraftledning mellan två transformatorer. En varierande jonosfärsström, dvs det som driver GIC, visas också schematiskt. [Wik et al, 2008]

Problemet uppstår då strömmen passerar transformatorlindningen. Då skapas ett magnetfält som kan mätta järnkärnan. Läckflöden uppstår som kan skapa s.k. hotspots, vilket i sin tur kan skada transformatorn och skapa överhettning i kyloljan. Övertoner i strömmen kan leda till att skyddsrelä löser ut och även urkoppling av flera ledningar. Detta tillsammans med en ökad förlust i reaktiv effekt kan i slutändan orsaka en kollaps av nätet.

Graden av störning från GIC beror på ett flertal faktorer som t.ex. kraftnätets placering, markkonduktiviteten, nätets uppbyggnad samt transformatordesign. Under en kraftig geomagnetisk storm,13-14 mars, 1989, kollapsade elnätet Hydro-Québec, i Kanada, varvid 6 miljoner människor blev utan ström i upp till 9 timmar (figur 4). Även i Sverige har det inträffat störningar på nätet på grund av GIC, varav den kraftigaste inträffade under Halloween-stormen, 2003.

Pipelines

GIC kan också påverka pipelines, dvs gas- och oljeledningar. Dessa ledningsnät är tillverkade av stål och innehåller vätskor eller gas med korrosionsbeständiga beläggningar. Vittring och annan skada på rörledningen kan resultera i att stålet utsätts för fuktig luft eller markkontakt, vilket orsakar lokala korrosion.

Ett katodiskt skyddssystem används för att minimera korrosion genom upprätthållandet av stål vid en negativ potential i förhållande till marken. Denna driftspotential bestäms av egenskaperna hos jorden i omedelbar närhet av rörledningen. Under en jordmagnetisk storm, kan GIC orsaka svängningar i jordpotentialen, vilket ökar korrosionshastigheten. Dock orsakar GIC inte en risk för katastrofala fel, utan snarare en reducerad livslängd på rörledningen.

Järnvägen

Järnvägsutrustning har också påverkats i det förflutna på grund av GIC. I början av 30-talet, observerades GIC i den svenska järnvägen. På den tiden påverkade GIC spårreläerna felaktigt, så att en viss bansträcka indikerade att det var fritt spår. På grund av denna farliga konstruktion, började man en ombyggnad på 50-talet för att eliminera denna effekt.

Dock har GIC effekter uppträtt senare på signalsystemet, men utan några allvarliga konsekvenser. En händelse inträffade under den jordmagnetiska stormen, natten mellan den 13 och 14 juli 1982, då trafikljusen blev röd utan någon uppenbar anledning i en järnvägssträcka på ca 45 km lång i södra delen av Sverige. Efter en stund blev ljuset grönt och tillbaka till rött igen senare. Anledningen var att det jordelektriska fältet påverkat reläerna.

På senare år har det också förekommit några fall där jordelektriska fältet har orsakat vissa störningar på det ryska järnvägssystemet.

Referenser

Lundstedt, H.: The sun, space weather and GIC effects in Sweden, Adv. Space Res., 37 (6), 1182–1191, 2006.

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., 22 (1), 17–27, 1998.

Wallerius, A.: Solen gav Sverige en strömstöt, Ny Teknik – Teknisk Tidskrift, 29, 3, 1982.

Wik, M., Pirjola, R., Lundstedt, H., Viljanen, A., Wintoft, P., and Pulkkinen, A.: Space weather events in July 1982 and October 2003 and the effects of geomagnetically induced currents on Swedish technical systems, Ann. Geophys., 27, 1775-1787.

Wik, M., Viljanen, A., Pirjola, R., Pulkkinen, A., Wintoft, P., and Lundstedt, H.: Calculation of Geomagnetically Induced Currents in the 400 kV Power System in Southern Sweden, Space Weather, 6, S07005, doi:10.1029/2007SW000343, 2008.