Geomagnetiskt inducerade strömmar, förslag på verksamheter Förstudie för Elsäkerhetsverket Mats Bäckström Tekn. Dr. Adj. Professor (KTH) Solstormar och elektromagnetiska störningar ett kunskapsseminarium. MSB, 2 december 2011, Stockholm. Bakgrund Två förstudier inom ämnesområdet Skydd mot elektromagnetiska risker har genomförts på uppdrag av Elsäkerhetsverket. De två typer av elektromagnetiska risker som avses är avsiktliga elektromagnetiska störningar (IEMI) och också geomagnetiskt inducerade strömmar (GIC). Mål: Att ge konkreta förslag på mål, verksamheter och former för verksamheten inom respektive område. Dagens föredrag redovisar resultatet av förstudien avseende GIC. Referenser, se: Bäckström M., Förstudie: Skydd mot elektromagnetiska risker. Geomagnetiskt indicerade strömmar (GIC)., Combitech AB, IK4 11:0092A, 2011 09 15. Sid.2 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Solstormar (rymdväder) Illustration of a solar storm heading towards Earth and later impacting the magnetosphere, our magnetic defensive field. Steele Hill, SOHO, NASA/ESA En geomagnetisk storm är ett rymdväderfenomen i jordens magnetosfär orsakad av en solstorm, dvs. en chockvåg i solvinden, i sin tur orsakad av någon form av solaktivitet, vanligen en koronamassutkastning (CME) eller soleruption (flare). Vanligen varar stormen i något eller några få dygn. Ref: Wikipedia mm. Sid.3 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Den deformering av jordens magnetfält som orsakas av den geomagnetiska stormen ger upphov till inducerade strömmar, (GIC), i kraftledningar, järnvägsräls, pipelines etc. Dessa kan orsaka strömavbrott, spänningskollaps samt permanenta skador i vitala komponenter såsom krafttransformatorer, se nedan. I Quebec 1989 var 6 miljoner personer utan el under 9 timmar pga. en geomagnetisk storm. 2003 orsakade en geomagnetisk storm elavbrott i södra Sverige och, enligt uppgift, permanenta skador på 15 högspänningstransformatorer i Sydafrika. Sid.4 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Det har hävdats att en storm av samma styrka som den 1921, som var tiofalt kraftigare än den 1989, förväntas kunna orsaka mycket omfattande skador på elkraftförsörjningen. Man har i USA pekat på risken att en hundraårsstorm kan komma att permanent slå ut stort antal krafttransformatorer. Detta skulle innebära mycket stora problem eftersom tiden för anskaffning av en ny transformator är 1 2 år. Om skadorna är omfattande skulle det, i detta extremfall, alltså kunna dröja flera år innan kraftnätet är fullt återställt. Motstridiga uppfattningar har dock framförts i denna fråga. Storbritannien arbetar redan med att utreda konsekvenserna av en värsta fall storm. Utgångspunkten är den s.k. Carrington stormen 1859, vilken betraktas som den värsta som någonsin registrerats, enl. uppgift 10 ggr värre än 1989 års storm i Storbritannien. [enligt en utfrågning, hearing, i brittiska underhuset 9 nov. 2011, i vilken bl.a. två ministrar deltog] Sid.5 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Höghöjds EMP. Likheter med GIC Verkningarna av den sena s.k. E3 komponenten av en HEMP är snarlika de från en geomagnetisk storm. Ytan som täcks av en HEMP, och som beror av kärnvapenexplosionens höjd, är typiskt mindre än den från geomagnetisk storm men kan ändå täcka en ansenlig del av en kontinent. Fältstyrkan vid jordytan beräknas kunna vara dubbelt så hög som den som förväntas för en extrem geomagnetisk storm. Bild från Sid.6 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Andra system (än elkraften) som kan påverkas av GIC är: Järnvägssystem. Rapporter (fåtaliga) om signalfel. Telekomsystem (trådbundna). Rapporter (fåtaliga och i huvudsak före 1938) om störningar av telesystem, bl.a. en omfattande brand i Karlstads telestation 1921. Pipelines. Problem med korrosion. Problem pga solstormar men ej relaterat till GIC: Radio och satellitkommunikation (pga. störningar i jonosfären). Signalstörningar. Navigationssystem (t.ex. GPS). Positionsfel eller signalförlust Flygplan. Fel i elektronik, s.k. Single Event Effects (SEE), kan uppstå. Val av rätt typer av komponenter är viktigt för att minimera riskerna. Satelliter. SEE, uppladdning (differential charging) mm. kan orsaka störning och skada. Effekter på markbaserad elektronik, viss risk. Sid.7 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Geomagnetiskt inducerade strömmar i elkraftnätet Från Radasky, Overview of the Impact of Intense Geomagnetic Storms on the U.S. High Voltage Power Grid, 2011 IEEE Int Symp on EMC. Sid.8 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
De potentialskillnader som uppstår i marken p.g.a. det geoelektriska fältet driver en ström via direktjordade transformatorers nollpunkter upp till kraftledningen. Denna ström driver transformatorn i halvcykelmättning varvid övertoner uppstår som kan utlösa reläskydd mm. med strömavbrott som följd. Det största problemet uppges dock vara risken för spänningskollaps orsakad av den våldsamma ökning av behovet av reaktiv effekt som mättningen av transformatorer kan ge upphov till. Man har även haft problem orsakade av upphettning av transformatordetaljer, vilket kan orsaka degradering och även permanenta skador beyond repair. Påkänningen, dvs. GIC nivån, på elnätet beror, förutom av den geomagnetiska stormens intensitet, också av närheten till jordens nord och sydpol, markens resistivitet, längden och orienteringen av kraftledningarna mm. : Sid.9 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN GIC nivån bestäms av två grupper av faktorer: (I) Extent and strength of the horizontal electric field in the power system. This geoelectric field is dependent on the following factors: ionospheric currents which vary as functions of time and space. earth s conductivity which varies as a function of space by as much as five orders of magnitude. proximity of the power system to the auroral zone. (II) Electrical system characteristics: orientation of the transmission lines (north south vs. east west) lengths of transmission lines electrical dc resistance of the transmission conductors and transformer windings transformer type and mode of connection method of station grounding and resistance När det gäller orienteringen av transmissionsledningarna så gäller i allmänhet att det geoelektriska fältet är större i öst västlig riktning än i nord sydlig riktning, dvs. att GICnivåerna i allmänhet blir högre för transmissionsledningar i öst västlig riktning än för ledningar i nord sydlig riktning. Sid.10 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Transformatorskador Halvcykelmättningen leder till en likströmskomponent i transformatorn som i sin tur ger upphov till läckfält utanför transformatorkärnan. Detta träffar andra delar av transformatorn, såsom väggar och strukturdelar, varvid virvelströmmar bildas som kan leda till kraftig upphettning. De hotspots som på så sätt genereras kan ge upphov till allvarliga skador på lindningsisolation, förångning av transformatorolja mm. Det har hävdats att denna typ av komplexa effekter orsakade av halvcykelmättning i allmänhet inte beaktas i konstruktionen av en transformator. Graden av upphettning vid en GIC beror sannolikt både på nivån och också på varaktigheten hos den GIC som exciterar transformatorn samt också på rådande tidskonstanter för bortledning av värme. Man har diskuterat möjligheten att kumulativa skadeeffekter på lindningsisolation kan uppstå, dvs. en successiv uppbyggnad av en skada orsakad av flera på varandra efterföljande geomagnetiska stormar. Sid.11 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Olika typer av transformatorer uppvisar olika känslighet för GIC. Följande gradering gällande påverkan har gjorts, med den typ av transformator som påverkas minst överst och därefter med ökande känslighet: three phase core form three leg core three phase core form five leg core three phase shell form conventional core three phase shell form seven leg core single phase shell or core form Sid.12 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Transformatorskada orsakad av geomagnetiskt inducerade strömmar (GIC) A GSU (generation step up) transformer at a nuclear plant in New Jersey in which a 1,200 MVA, 500kV bank was damaged beyond repair. Quebec 1989. From http://www.lund.irf.se/gic/gichome/gic_intro.html Sid.13 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Rapporter om permanenta skador på krafttransformatorer är dock sällsynta. Utöver de publicerade beskrivningarna av skadorna på de s.k. Salem 1 transformatorerna i New Jersey, som erhöll omfattande och permanenta skador i samband med spänningskollapsen i Quebec 1989, har det rapporterats att 2 transformatorer slogs ut i Storbritannien under stormen 1989, och att 15 transformatorer i Sydafrika skadades i samband med den geomagnetiska stormen i oktober 2003. Ytterligare information om detta senare fall har dock inte gått att få. Det har uppgetts att ungefär 10 transformatorer har skadats ( failed violently ) sett över hela världen. Vidare uppges att livstiden har visat sig vara kortare för transformatorer i GIC känsliga områden. Sid.14 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Skyddsåtgärder Blockering av GIC. Genom användning av seriekapacitanser som appliceras i transformatorers nollpunkter eller i transmissionsledningar (Kanada). För komplett skydd med denna metod behövs fullständig applicering eftersom GIC annars bara styrs om från en del av elsystemet till en annan. Operatörsföreskrifter. Bygger på att man har ett tillförlitligt system för prognos av GIC. Här nämns exempelvis att minska belastningen på, eller koppla bort viktiga transformatorer och olika sätt att öka tillgången på reaktiv effekt. Beredskap och ökad robusthet mot GIC. Här nämns systemstudier för att fastlägga systemets sårbarhet map. GIC, grundläggande konstruktionsaspekter och val av tåliga komponenter såsom lämpliga typer av transformatorer. Övervakning., t.ex. mätning av störningar i det jordmagnetiska fältet, mätning av GIC i transmissionsledningar och transformatorers nollpunkter och mätning av övertoner och flöde av reaktiv effekt. Användning av tåligare typer av transformatorer (Finland, Storbritannien) Resistans i nollpunkten (finns till exempel i Sverige) Sid.15 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Prognostisering. Idealet vore att med minst en timmes förvarning få information om när stormen börjar och slutar, relevanta parametrar som beskriver dess styrka, vilka regioner som kommer att drabbas och osäkerheten i prognosen. NASA uppger att man nu har ett experimentellt system för prognos av GIC, Solar Shield. Detta baserar sig både på registrering av koronamassutkastning från solen, vilket ger en indikation om att geomagnetiska stormar kan komma att inträffa om 2 4 dagar, och på data om solvinden från ACE satelliten. Ett treårigt EU program med samma syfte, EURISGIC, har nyligen startats. Sid.16 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
GIC. Aktörer i Sverige Forskning inom rymdväder bedrivs vid Institutet för Rymdfysik, IRF (Lund/Uppsala/Kiruna), vid KTH och vid Luleå Tekniska Universitet. Utveckling av numeriska metoder för beräkningar av GIC på kraftledningar bedrivs vid IRF och företaget NeuroSpace i Lund. Åtskilligt arbete har gjort i samarbete med Finnish Meteorological Institute i Finland, som har bedrivit framstående verksamhet inom såväl rymdväder som GIC sedan 1980 talet. Analyser av verkan av GIC på elkraftsystemet och dess komponenter, utformning av skydd mm. har genomförts av Svenska Kraftnät, Elforsk, E.ON, Lund Tekniska Högskola, Gothia Power AB m.fl. FoU avseende verkan på och skydd av transformatorer bedrivs, eller har bedrivits, vid ABB, KTH och LTH. Sid.17 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Tidigare svenska studier om påverkan på elkraftnätet (urval) Swahn H. och Kielén B., Final Report Evaluation of the Vulnerability of the Swedish Transmission Network to the Effects of Geomagnetic Storms, Svenska Kraftnät Rapport, Subject 116743, 2001 04 11. Solstormar. Transienta geomagnetiska störningar, Elforsk rapport 03:33, januari 2004. www.elforsk.se. Skarp S., Cost benefit analysis of measures against power grid disturbances caused by solar storms, Elforsk rapport 03:36, juni 2004. www.elforsk.se. Kielén B, Geomagnetiskt inducerade strömmar, GIC. Mvar behov och resurser, Elforsk rapport 03:37, januari 2004. www.elforsk.se. Sid.18 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Final Report Evaluation of the Vulnerability of the Swedish Transmission Network to the Effects of Geomagnetic Storms Analyserna utfördes för tre standardiserade nivåer på det geoelektriska fältet, geomagnetisk storm vid låg nivå =1 V/km ( low level ), måttlig geomagnetisk storm = 10 V/km ( moderately intense storm ) och svår geomagnetisk storm = 20 V/km ( severely intense storm ). Det anges i rapporten att en måttlig geomagnetisk storm förväntas inträffa 1 2 gånger under en tioårsperiod. Dock anges i [16], som är en sammanfattning av Metatech av de analyser som utfördes i studien att en svår storm (20 V/km) typiskt förekommer 1 2 gånger per årtionde och att en måttlig storm förekommer ungefär en gång per år. Sid.19 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Final Report Evaluation of the Vulnerability of the Swedish Transmission Network to the Effects of Geomagnetic Storms, forts. I sammanfattningen av rapporten anges att de mest betydande riskerna i samband med en GIC är: Spänningskollaps Transformatorskada Felfunktion hos strömtransformatorer Felfunktion hos skyddsreläer Man pekar vidare på att riskerna i samband med en GIC är större än vad man tidigare förväntat sig. Man pekar på att den typ av transformatorer, 3 phase, 5 legged, core type, som utgör 53% av 400 kv transformatorerna tillhör en av de typer som är mest känslig för GIC. Sid.20 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Solstormar. Transienta geomagnetiska störningar I denna rapport, författad av en brett sammansatt arbetsgrupp, redovisas resultatet av en omfattande studie vars mål var att ta fram möjliga och ekonomiskt försvarbara åtgärder för att förhindra störningar pga. geomagnetiska stormar. Bakgrunden uppges vara att tidigare arbete visat på relativt stora risker för störning. I simuleringarna har den geoelektriska fältstyrkan har satts till 10 V/km. I rapporten presenteras en kostnads och nyttoanalys utifrån 4 händelser (grundfall): Spänningskollaps i hela Sverige Spänningskollaps i region av Sverige Allvarlig skada på systemtransformator Allvarlig skada på aggregattransformator Sid.21 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Slutsatsen är att det finns en stor potential till samhällsekonomisk förbättring genom att vidta åtgärder för att minska risken för GIC störningar. Man betonar att nyttan är analyserad utifrån ett samhällsekonomiskt perspektiv och att man inte närmare studerat resultatet för anläggningsägarens verksamhet. Kostnaderna för de åtgärder som föreslås, som minskar utgifterna för en GICstörning med cirka 80%, anges till: 2 MSEK + 0,5 MSEK/år för vart av de två första fallen ovan (att man förhindrar spänningskollaps genom att investera i ett förvarningssystem). 350 ksek + 10 ksek per år för vart av de två senare fallen (att man förhindrar allvarlig skada på transformator genom att installera mät och övervakningssystem). I fallet spänningskollaps i hela Sverige beräknas kostnaderna vid en GICstörning pga. införda åtgärder minska från cirka 8 miljarder kronor till 1,6 miljarder kronor. Sid.22 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Geomagnetiskt inducerade strömmar, GIC. Mvar-behov och resurser I denna rapport från 2004 redovisas resultatet av en inventering av befintliga reaktiva resurser för det svenska elnätet. Utgångspunkten är återigen en måttlig geomagnetisk storm (10 V/km). Man har antagit en driftsituation med hög förbrukning. Den bedömning som ges är att det svenska systemet normalt har resurser att klara en måttlig geomagnetisk storm utan speciella åtgärder. Detta under förutsättning att nätet för övrigt är intakt före och under störningen. De situationer som innebär en stor risk för störning är: Mycket hög förbrukning Hög överföring med en eller flera generatorer, ledningar, transformatorer eller kondensatorbatterier ur drift Mycket svåra geomagnetiska störningar (20 V/km). Sid.23 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN USA. Lagstiftning för att skydda kraftnäten Geomagnetiska stormar, HEMP och koordinerade IEMI attacker (och f.ö. också koordinerade IT attacker) räknas till en klass av risker som i USA benämns High Impact, Low Frequency (HILF) events. Ett lagförslag att skydda elförsörjningen, Shield Act, som förväntas bli behandlat under senhösten 2011 innefattar krav på skydd mot: Strömmar på kraftnäten orsakade av solstormar, s.k. GIC. Höghöjds EMP Intentional EMI Sid.24 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Lagförslaget delvis initierat i ljuset av kommande smarta elnät, smart grids Smart Grid (ABB * ): Centralized and distributed power generation (renewable) Multidirectional power flow Operation based on real time data. * http://www02.abb.com/global/twabb/twabb01 1.nsf/0/93a4e9bd5e187a0cc12575b8002802b 2/$file/5_SG_DMS+Taiwan.pdf Sid.25 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Förstudierapporten. GIC. Förslag på verksamheter. Det första förslaget innebär att man genomför (ett urval av) de rekommendationer som tidigare inhemska studier resulterat i: Rekommendationer från SvK rapporten Final report.. och de två Elforskrapporterna Solstormar.., och Cost benefit.., exempel: Prognostisering (+ operatörsföreskrifter). Påverkan av GIC på skyddsreläer och strömtransformatorer bör undersökas Krafttransformatorer: analys av tålighet för olika konstruktioner, modellering av mättningspåverkan, utveckling av reläskydd, övervakning, resistans i nollpunkt mm. Sid.26 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Förslagen 2 och 3 innebär att man gör en uppdatering av den studie över sårbarhet och skyddsåtgärder som rapporterades 2000 ( Final report.. m.fl.). I denna studie skall de nya 400 kv ledningsdragningar som nu är beslutade tas med och förslagsvis även de som planeras. I förslag 2 utförs analyserna med hjälp av det amerikanska simuleringsverktyg som använts i den tidigare studien medan förslag 3 istället bygger på att en vidareutveckling av en liknande svensk beräkningskod utförs, varefter denna används för att genomföra analyserna. En aspekt som bör övervägas när det gäller förslagen 2 och 3 är om särskild vikt ska läggas på att bedöma om en extrem storm ( hundraårsstormen ) kan leda till mycket långvariga stillestånd beroende på att ett stort antal krafttransformatorer kan komma att skadas, jfr den diskussion som förs i USA och aktiviteter i Storbritannien. Ett val mellan förslagen 2 och 3 bör göras av en referensgrupp bestående av både teknisk/vetenskaplig expertis från GIC områdets olika discipliner och av personer ansvariga för samhällets säkerhet. Sid.27 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN Eftersom ett val mellan de förslag 2 och förslag 3 inte enbart, och kanske inte ens i huvudsak, kan göras utifrån tekniska utgångspunkter utan snarare från politiska sådana, har ingen prioritering gjorts mellan dessa förslag. Förslag nr. 3 avser alltså att utföra samma slags analyser som förslag nr. 2, men med hjälp av en beräkningskod som utvecklas/utvecklats av IRF m.fl. Denna kod innefattar i nuläget inte det svensk norska kraftnätet varför förslag 3 bedöms bli avsevärt dyrare att genomföra än förslag 2. Mervärdet i att välja förslag 3 är att man, förutom resultatet av analysen av kraftnätets sårbarhet, får ett nationellt analysverktyg för framtida verksamheter. Det kan noteras att utvecklingen av en nationell beräkningskod, dvs. förslag 3, är snarlikt det som föreslås i förslag 4. Om man vill ha en snabb analys av kraftnätets sårbarhet skulle man alltså kunna välja förslag 2 och därefter, då EU projektet är avslutat i mars 2014, utföra en uppbyggnad av en nationell kod i form av förslag 4. Sid.28 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN
Förslag 4 avser finansiering av en fortsättning på det EU projekt avseende prognostisering av GIC som Sverige medverkar i och som avslutas 2014. Förslaget går ut på att man tar steget från prototyp till ett färdigt analysverktyg för det svenska kraftnätet. Förslag 5 innebär att man utvecklar ett analysverktyg liknande de som används och föreslås i förslagen 2, 3 och 4 ovan, men i detta fall för järnvägen. Sid.29 MSB, Stockholm, 2/12-2011. M Bäckström, Combitech AB, Linköping. Informationsklass: INTERN