地磁気誘導電流

地磁気誘導電流( GIC ) は、宇宙天気現象によって引き起こされる地磁気の急激な変化によって地球の表面に誘導される電流です。GIC は、送電網や埋設パイプラインなどの長い電気導体システムの正常な動作に影響を及ぼす可能性があります。GIC を引き起こす地磁気擾乱には、地磁気嵐や磁気嵐があり、最も深刻な擾乱は高地磁気緯度で発生します。

地球の磁場は、幅広い時間スケールで変化します。数十年から数千年にわたって発生する長期的な変動は、主に地球の中心核におけるダイナモ作用の結果です。数秒から数年の時間スケールでの地磁気の変動も、電離層、磁気圏、太陽圏の動的プロセスによって発生します。これらの変化は、最終的には太陽活動（または黒点）サイクルに関連する変動に結びついており、宇宙天気の現れです。

地磁気が太陽の状態に反応するという事実は、例えばマグネトテルリック法を用いて地球の構造を調査する際には有用であるが、同時に危険も生み出す。この地磁気の危険は、主に地球の保護大気の下にある技術に対するリスクである。^[1]

地球外部の時間変化する磁場は、地電流（導電性の地面の電流）を誘導します。これらの電流は、二次（内部）磁場を生成します。ファラデーの電磁誘導の法則の結果として、磁場の時間変化に関連して、地球の表面に電界が誘導されます。表面電界は、地磁気誘導電流（GIC）と呼ばれる電流を、地球に接地された電力網やパイプライン網などのあらゆる導電性構造物に流します。この電界は、V/km 単位で測定され、ネットワーク全体の電圧源として機能します。

導電性ネットワークの例としては、電力送電網、石油・ガスパイプライン、光ファイバー以外の海底通信ケーブル、光ファイバー以外の電話・電信ネットワーク、鉄道などがあります。GIC は準直流(DC) であると説明されることが多いですが、GIC の変動周波数は電界の時間変動によって決まります。GIC が技術に対する危険となるには、電流の大きさと発生周波数が、機器が即時または累積的な損傷を受けやすくなる程度である必要があります。どのネットワークでも、GIC のサイズはネットワークの電気的特性とトポロジーによって決まります。磁気圏 - 電離圏電流の最大の変動は、外部磁場の最大の変動をもたらし、地磁気嵐の際に発生し、GIC も最大になります。顕著な変動周期は通常、数秒から約 1 時間であるため、誘導プロセスには上部マントルとリソスフェアが関与します。最も大きな磁場変動は高磁気緯度で観測されるため、1970 年代以降、カナダ、フィンランド、スカンジナビアの電力網やパイプラインでは GIC が定期的に測定されています。数十から数百アンペアのGIC が記録されています。また、大規模な嵐の際には中緯度でも GIC が記録されています。地球の昼側で発生する磁場の短期的な変化率が高いため、嵐が突然始まる際には特に低緯度地域に危険が及ぶ可能性があります。

GICは、1847年から1848年の太陽活動周期9の間に、新興の電信ネットワークで初めて観測されました。^[2]技術の変化と伝導ネットワークの成長により、現代社会ではGICの重要性が高まっています。海底ケーブル、電話・電信ネットワーク、鉄道の技術的考慮事項も同様です。これらのシステムについては、回復力を確保するための努力が払われてきたため、公開文献で報告されている問題は少なくなっています。^[3]

現代の電力送電システムは、変電所で制御される固定送電電圧で動作する電気回路で相互接続された発電所で構成されています。使用されるグリッド電圧は、これらの変電所間の経路長に大きく依存し、200〜700 kVのシステム電圧が一般的です。経路長が長くなるにつれて送電損失を減らすために、より高い電圧とより低い線路抵抗を使用する傾向があります。線路抵抗が低いと、GICの流れに有利な状況が生まれます。電力変圧器には、準DC GICによって妨害される磁気回路があります。GICによって生成された磁場が磁気回路の動作点をオフセットし、変圧器が半サイクル飽和状態になる可能性があります。これにより、 AC波形に高調波や局所的な加熱が発生し、無効電力需要の増加、非効率的な電力伝送、および保護手段の誤動作が発生する可能性があります。このような状況でネットワークのバランスをとるには、大幅な追加の無効電力容量が必要です。^[4] 変圧器に重大な問題を引き起こすGICの大きさは、変圧器の種類によって異なります。現代の業界の慣例では、新しい変圧器に GIC 許容レベルを指定します。

1989年3月13日、激しい磁気嵐により、機器の保護リレーが連鎖的に作動し、ハイドロ・ケベック電力網が数秒のうちに崩壊した。 ^[5] 600万人が9時間にわたって電力を利用できず、大きな経済的損失を被った。1989年以来、北米、英国、北欧などの電力会社は、磁気嵐リスクの評価と緩和戦略の開発に投資してきた。

GIC リスクは、コンデンサ ブロッキング システム、保守スケジュールの変更、オンデマンド発電容量の追加、そして最終的には負荷制限によって、ある程度軽減できます。これらのオプションは高価で、非現実的な場合もあります。高電圧電力ネットワークの継続的な成長は、リスクの増大につながります。これは、高電圧での相互接続性、オーロラ ゾーンのグリッドへの送電に関する接続、および以前よりも容量に近いグリッドの運用の増加によるものです。

電力網におけるGICの流れを理解し、GICのリスクについて助言するには、電力網の準DC特性の分析が必要です。^[6] これは、時間とともに変化する電離層ソースフィールドと地球の導電率モデルを組み合わせて決定される駆動表面電場を提供する地球の地球物理モデルと組み合わせる必要があります。このような分析は、北米、英国、北ヨーロッパで実行されています。電力網、ソース電離層電流システム、および3D地面導電率の複雑さにより、正確な分析は困難です。^[7] 大規模な嵐とその結果の分析が可能になることで、送電システムの弱点の図を作成し、仮想的なイベントシナリオを実行できます。

グリッド管理は、大規模な磁気嵐の宇宙天気予報によっても支援されます。これにより、緩和戦略を実施することができます。太陽観測は、コロナ質量放出(CME) の速度に応じて、地球に向かう CME の 1 ～ 3 日前の警告を提供します。これに続いて、L ₁ラグランジュ点の宇宙船が太陽風内で CME に先立つ太陽風衝撃を検出し、20 ～ 60 分前に磁気嵐の明確な警告を発します (これも、局所的な太陽風速度によって異なります)。太陽から CME が発射されてから、磁気嵐が地球に到達して地球の地磁気に影響を及ぼすまでには、約 2 ～ 3 日かかります。^[8]

主要なパイプライン網はあらゆる緯度に存在し、その多くは大陸規模である。パイプライン網は高圧の液体またはガスを収容するために鋼鉄で構築され、耐腐食コーティングが施されている。パイプラインのコーティングが損傷すると、鋼鉄が土壌または水にさらされ、局所的な腐食を引き起こす可能性がある。パイプラインが埋設されている場合は、鋼鉄を地面に対して負の電位に保つことで腐食を最小限に抑えるために陰極防食が使用される。動作電位は、パイプライン付近の土壌と地球の電気化学的特性から決定される。パイプラインに対するGICの危険性は、GICがパイプと土壌の電位の変動を引き起こし、大規模な磁気嵐の際に腐食速度を増大させることである。^[9] GICリスクは壊滅的な故障のリスクではなく、パイプラインの耐用年数の短縮である。

パイプラインネットワークは、例えば、パイプに沿った任意の地点でのパイプと土壌間の電位を提供する分散型送電線モデルなど、電力網と同様の方法でモデル化されます^[10] (Boteler、1997)。これらのモデルでは、曲がりや分岐、および異なるセクションを電気的に絶縁する電気絶縁体 (またはフランジ) を含む複雑なパイプライントポロジを考慮する必要があります。パイプラインの GIC に対する応答に関する詳細な知識により、パイプライン技術者は、パイプラインの調査とメンテナンスが中断される可能性のある磁気嵐の間であっても、カソード保護システムの挙動を理解することができます。

• 太陽嵐のリスト
  • 1859年の太陽嵐
• オーロラ（天文学）

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• ソーラーシールド — 実験的な GIC 予測システム 2009-07-16 にWayback Machineでアーカイブ
• 太陽地上通信 — GIC 警報配信センター
• フィンランド気象研究所によるGICnow!サービス
• ESA 宇宙天気ワーキングチームの地上効果トピックグループ 2007-02-06 にWayback Machineでアーカイブ
• GIC測定
• メタテック株式会社のGICサイト
• 宇宙天気カナダ

電力網関連リンク

• 磁気嵐による HVAC 変圧器の故障は回避可能 2013-05-17 にWayback Machineでアーカイブ
• NOAA 経済 - 地磁気嵐データセットと経済研究
• 地磁気嵐が電力網を脅かす GIC: 技術依存社会の悩みの種 著者: Delores J. Knipp ( AGU )