Adam Klimpel, Krzysztof Lipko,     PSEOperator S.A.

OCHRONA   INFRASTRUKTUR   KRYTYCZNYCH

Jednym z obowiązków ciążących na państwie jest zapewnienie ciągłości pracy najważniejszych systemów: dostarczających energię, finansowych, komunikacyjnych itp. Państwo musi nadzorować ich sprawność oraz ustalać stopień ich zabezpieczenia przed różnymi niekorzystnymi zdarzeniami. We współczesnym świecie społeczeństwa nie są w stanie funkcjonować bez osiągnięć techniki zastosowanych do budowy całych systemów i ich codziennej obsługi. Awarie towarzyszą funkcjonowaniu rozległych systemów infrastrukturalnych i nie sposób je zupełnie wyeliminować. Należy jednak czynić wszystko, aby zmniejszyć częstość ich występowania, rozległość i skutki. Takie zadanie ma ochrona infrastruktur krytycznych.

W analizach dotyczących infrastruktur krytycznych podkreślana jest współzależność między poszczególnymi typami infrastruktur – uszkodzenie jednej z infrastruktur może lawinowo rozszerzyć się na inne. W ostatnich latach w USA i w Europie Zachodniej podjęto prace mające na celu dokonanie analizy zależności między infrastrukturami krytycznymi (w literaturze rozróżnia się cztery kategorie współzależności: fizyczną, cyberelektroniczną, geograficzną i logiczną). System elektroenergetyczny jest uznawany za infrastrukturę najbardziej krytyczną, ponieważ wszystkie pozostałe są w pełni od niej zależne. Jednocześnie systemy elektroenergetyczne i infrastrukturę telekomunikacyjną uważa się za infrastruktury najbardziej podatne na sabotaż, ataki na drodze elektronicznej, na zjawiska atmosferyczne, w tym pogodę kosmiczną. Międzynarodowe gremia techniczne elektroenergetyki od lat były informowane o wpływie burz słonecznych (zwanych też burzami magnetycznymi) na funkcjonowanie systemów elektroenergetycznych. Informacje o pierwszych rozległych awariach systemowych, spowodowanych tymi zjawiskami, nadeszły z Kanady w 1989 r. Początkowo naukowcy twierdzili, że incydenty mogą się zdarzać jedynie w nocy, w szczycie aktywności cyklu słonecznego i że mogą mieć duże znaczenie tylko na obszarach o wysokiej szerokości geograficznej. Z biegiem lat doświadczenia wskazują, że ryzyko wpływu burz geomagnetycznych na system elektromagnetyczny (SEE) występuje na obu półkulach, w wielu krajach, również o umiarkowanej szerokości geograficznej. Związane z nimi uszkodzenia urządzeń elektroenergetycznych zanotowano ostatnio w Stanach Zjednoczonych, RPA i w Europie (w Szwecji, Anglii, Finlandii).

Pogoda kosmiczna

Ziemia leży wewnątrz rozciągłej atmosfery słonecznej. Atmosferę tę stanowi emitowany nieustannie przez Słońce w przestrzeń planetarną tzw. wiatr słoneczny złożony z cząstek energetycznych i pola magnetycznego. Przed jego zgubnym wpływem Ziemia jest chroniona przez ziemskie pole magnetyczne zwane magnetosferą. Czasami zjawiska eksplozji na Słońcu są tak gwałtowne, że magnetyczna tarcza ochronna Ziemi nie wystarcza. Wówczas odczuwane są negatywne skutki słonecznej aktywności.

Istnieją dwa typy eksplozji na Słońcu. Są to: rozbłyski chromosferyczne oraz koronalne wyrzuty materii (KWM – z ang.; Coronal Mass Ejection – CME). Podczas rozbłysku fragment atmosfery słonecznej jest rozgrzewany do temperatur porównywalnych z panującymi w jądrze słonecznym (10 milionów K). Temu zjawisku towarzyszy silna emisja promieniowania elektromagnetycznego w całym zakresie widma. Rozbłyski te wpływają na ziemską atmosferę powodując jej dodatkową jonizację. Z kolei podczas KWM ogromne fragmenty słonecznej korony są wyrzucane w przestrzeń międzyplanetarną. Energia kinetyczna takiego wyrzutu osiąga czasami wartość 1026 J. Obłoki wyrzuconej materii często pędzą z prędkościami około 1000 km/s, a ich masa przewyższa 1016 g. Najszybsze dotychczas zarejestrowane wyrzuty miały prędkości sięgające 3000 km/s. Wielkoskalowe ruchy materii o takiej energii nierzadko generują fale uderzeniowe, które dodatkowo efektywnie przyspieszają naładowane cząstki. Jeżeli taki wyrzut skierowany jest w stronę Ziemi, może na niej generować silne burze geomagnetyczne, których najbardziej znanym obserwowalnym przejawem są zorze polarne.

Korona słoneczna (najwyższa warstwa atmosfery słonecznej) jest bardzo rzadka, a jej jasność w świetle widzialnym jest dużo mniejsza od jasności fotosfery (widoczna część atmosfery słonecznej). Koronę słoneczną można zatem obserwować jedynie podczas całkowitych zaćmień Słońca lub za pomocą specjalnych teleskopów (koronografów) z przysłonami (dyskami okultacyjnymi) zasłaniającymi jasną tarczę słoneczną. Wyrzuty koronalne są trudne do obserwacji, dlatego mogą być obserwowane tylko przez teleskopy umieszczone powyżej ziemskiej atmosfery. W porównaniu z rozbłyskami chromosferycznymi, KWM są zjawiskiem poznanym niedawno: po raz pierwszy zostały zaobserwo­wane w 1971 roku. Obserwacji dokonano przy użyciu pierwszego koronografu umieszczonego na orbicie okołoziemskiej (OSO-7).

Pogoda kosmiczna to ogół warunków panujących w najbliższym otoczeniu Ziemi, które mogą zakłócać prawidłowe działanie satelitów, urządzeń technicznych umieszczonych na powierzchni naszej planety lub zagrażać życiu i zdrowiu astronautów w kosmosie. Za pogodę kosmiczną odpowiedzialne są dyskretne struktury na Słońcu, w których zachodzą procesy magazynowania i transformacji energii, prowadzące do silnego wzrostu promieniowania na krańcach widma. Czasami równocześnie dochodzi do zwiększonej emisji cząsteczek i gwałtownych podmuchów wiatru słonecznego. Zwiększona emisja energii zachodzi w zróżnicowanych przedziałach czasowych, począwszy od sekund, a w skrajnych przypadkach do tygodni. Zjawiska te nakładają się na siebie dając kumulacje energii.

Badania nad pogodą kosmiczną zaczęły się szybko rozwijać w ostatnich latach, gdy nastąpił gwałtowny rozwój urządzeń stosowanych w sondach kosmicznych. Warto wspomnieć, że w 1972 r. między lotami Apollo 16 i 17 doszło do eksplozji na Słońcu: będące jej efektem promieniowanie jonizujące spowodowałoby w ciągu 10 godzin śmierć astronautów, gdyby znajdowali się wówczas w przestrzeni międzyplanetarnej. KWM mogą wpływać na pogodę kosmiczną w dwojaki sposób: szybkie KWM generują fale uderzeniowe, dzięki którym następuje akceleracja naładowanych cząstek (elektrony, protony, cząstki alfa, jądra helu) aż do prędkości relatywistycznych. Te cząstki, lecąc z prędkościami bliskimi światłu, docierają do Ziemi w 15 minut po rozpoczęciu erupcji na Słońcu. Satelity badawcze rejestrują wówczas gwałtowny wzrost strumienia cząstek. Strumień protonów o energiach rzędu MeV osiąga często wartość 10 tysięcy cząstek na sekundę na steradian. Strumień ten utrzymuje się na tak wysokim poziomie nawet przez kilka dni, gdyż fala uderzeniowa, przenosząc się przez ośrodek międzyplanetarny, nieprzerwanie produkuje cząstki energetyczne.

Fala uderzeniowa może dotrzeć nawet do Ziemi, wówczas możemy obserwować dodatkowy wzrost strumienia cząstek energetycznych, które są uwięzione w okolicach fali uderzeniowej i podróżują wraz z nią. Cząstki energetyczne mają zgubny wpływ na satelity. Powodują elektryczne ładowania ich powierzchni, co prowadzi w efekcie do wyładowań niszczących strukturę statków. Zniszczeniu ulegają panele słoneczne zasilające satelity w energię, ponadto są zakłócane systemy elektroniczne znajdujące się na statkach (wyrzuty powodują jonizację krzemu w układach elektronicznych, co prowadzi do zakłócenia działania systemów sterujących czy też komputerów). Cząstki te powodują dodatkową jonizację górnych warstw atmosfery, zakłócając łączność radiową. Pole magnetyczne Ziemi chroni przed bezpośrednim działaniem tych cząstek na powierzchnię planety. Jedynie cząstki o energii przewyższającej 1 GeV mogą docierać do powierzchni Ziemi. Takie zdarzenia są jednak bardzo rzadkie. Szkodliwa działalność cząstek energetycznych jest zatem ograniczona do górnych warstw atmosfery. Niestety, cząstki energetyczne docierają bardzo szybko w okolice Ziemi, a ich pojawienie się jest trudne do przewidzenia.

Drugim czynnikiem wpływającym na pogodę kosmiczną są fale uderzeniowe, bezpośrednio uderzające w magnetosferę ziemską, oraz generujące je KWM. Docierają one w okolice Ziemi później – w zależności od początkowej prędkości potrzebują na to od 1 do 4 dni. Choć docierają z opóźnieniem i ich przybycie można dość dokładnie przewidzieć, to ich oddziaływanie na Ziemię jest silniejsze. Struktura KWM jest zdominowana przez silnie skręcone pole magnetyczne. Jeżeli pole magnetyczne unoszone przez KWM ma kierunek przeciwny do ziemskiego pola magnetycznego, to wówczas silnie oddziałuje ono z ziemską magnetosferą. Ziemskie pole magnetyczne znosi się z polem unoszonym przez KWM. Magnetosfera traci działanie ochronne, „otwiera się” i energetyczne cząstki mogą swobodnie wnikać do magnetosfery ziemskiej. Strumienie cząstek generują prądy elektryczne, które produkują pole magnetyczne zakłócające ziemskie pole magnetyczne. Magnetometry umieszczone na powierzchni Ziemi rejestrują wówczas spadek poziomej składowej pola magnetycznego. Tego rodzaju globalne zakłócenia ziemskiego pola magnetycznego zwane są burzami magnetycznymi. Zjawiska takie są szczególnie silne na wysokich i średnich szerokościach geograficznych.

Burze słoneczne

Prawdziwy przełom w badaniu KWM dokonał się po wysłaniu przez NASA misji SOHO (Solar and Heliospheric Observatory). Ten satelita obserwuje Słońce od grudnia 1995 r. Na jego pokładzie pracują obecnie dwa koronografy pozwalające obserwować koronę słoneczną w odległości od 1,5 do 30 promieni słonecznych od centrum Słońca. W tym czasie koronografy zarejestrowały ponad 11 tysięcy wyrzutów. Wszystkie zostały zbadane, scharakteryzowane i umieszczone w katalogu SOHO/LASCO w Internecie (http://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list). Katalog ten jest na bieżąco uzupełniany. W okresie maksimum aktywności słonecznej obserwuje się nawet dziesięć silnych wyrzutów w ciągu dnia. Przy minimum aktywności słonecznej obserwuje się kilka silnych wyrzutów na tydzień. Również brukselski oddział regionalny International Space Environment Service (ISES), ESA Noordwijk oraz CNES-CLS[http://www.cnes.fr/web/CNES-en/5249-cls-20-years-working-for-science-and-the-environ-ment.php] udostępniają informacje dotyczące aktywności Słońca operatorom potencjalnie zagrożonych infrastruktur.

Spadek pola magnetycznego podczas najintensywniejszych burz może osiągnąć wartość 400 nT. Jedynym przyjemnym przejawem burz magnetycznych są piękne kolorowe zorze pojawiające się szczególnie w okolicach ziemskich biegunów magnetycznych. W okolicach biegunów linie magnetyczne w najmniejszym stopniu blokują dostęp energetycznych cząstek do powierzchni Ziemi. Szybkie cząstki, przenikając do atmosfery ziemskiej, wzbudzają do świecenia głównie atomy tlenu i azotu.

Warunki geomagnetyczne mogą się zmieniać lokalnie i zależą od szeregu czynników, jak: szerokość geograficzna, kąt zawarty między kierunkiem wiatru słonecznego a osią pola geomagnetycznego, warunki geologiczne, czy pozycja zorzy. Intensywność pola magnetycznego (wyrażaną w nT) mierzą magnetometry rozmieszczone w licznych obserwatoriach. O poziomie burzy magnetycznej informuje indeks K, który pokazuje lokalne zakłócenie pola magnetycznego Ziemi. Wartości indeksów uzyskane z 13 obserwatoriów rozmieszczonych w różnych miejscach na Ziemi służą do określenia indeksu aktywności kosmicznej Kp (Kp – indeks planetarny).

Wpływ  burz  słonecznych  na  elektroenergetykę

Najbardziej jaskrawym przykładem oddziaływania pogody kosmicznej jest wpływ działalności Słońca na satelity, promy kosmiczne i samoloty latające na dużych wysokościach. W dużej mierze pozbawione są ochrony ziemskiej magnetosfery, co naraża je na poważne uszkodzenia, głównie z powodu uderzających wysokoenergetycznych cząstek, powstających w czasie rozbłysków. Straty wywołane przez pogodę kosmiczną oszacowano w 2009 r. na 4 miliardy dolarów. Z tych powodów w okresach burz słonecznych są czasami zmieniane trasy wysoko latających samolotów. Innym przykładem jest radiokomunikacja, czyli między innymi telefony komórkowe. Podczas silnych burz radiowych, które powodują zmiany gęstości jonosfery, komunikacja radiowa może być utrudniona, a czasem nawet niemożliwa.

Kolejnym ważnym elementem jest nawigacja. Dla ludzi przejawia się to w drobnych niedokładnościach w systemie GPS(Global Positioning System), zaś dla zwierząt, jak pingwiny, które orientują się w terenie na podstawie pola magnetycznego Ziemi, może to oznaczać zagubienie się w wędrówce. Nie bez znaczenia jest wpływ aktywności słonecznej na klimat. Wzrost roślin jest uzależniony od cyklu słonecznego, zaś większe spadki aktywności powodują ochłodzenie się klimatu, co już miało miejsce w przeszłości. W XVII wieku z powodu 65-letniego obniżenia aktywności Słońca nastąpiło globalne obniżenie temperatury, które powodowało regularne zamarzanie Morza Bałtyckiego.

Najpoważniejszy wpływ pogody kosmicznej na ludzką działalność polega na zakłóceniach na ogromną skalę w przesyle energii elektrycznej. Za najgorszą w skutkach uznaje się awarię elektroenergetyczną w Quebec w Kanadzie w dniu 13 marca 1989 roku, kiedy sześć milionów ludzi zostało pozbawionych prądu. Burze słoneczne spowodowały wówczas przepływ indukowanego prądu w transformatorach, co doprowadziło do ich rozgrzania nawet do tysięcy stopni i spalenia części elementów (już uszkodzonych w wyniku gromadzenia się efektów pogody kosmicznej). To wydarzenie spowodowało też większy nacisk na prognozowanie pogody kosmicznej. W normalnych warunkach nie istnieje możliwość wskazania przyczyn wzmożonej aktywności Słońca, ale można obserwować występowanie samego zjawiska. Ponadto, wyniki powinny pokazać wpływ jego 11-letniego cyklu aktywności.

Inne poważne zakłócenia w pracy systemów elektroenergetycznych spowodowane burzami magnetycznymi miały miejsce w latach: 1957, 1958, 1968, 1970, 1972, 1974, 1979, 1982, 1983, 2000, 2003 i 2006.

Zjawisko powstawania prądów indukowanych geomagnetycznie (GIC)

Cząstki słoneczne przybywające na Ziemię powodują nagłe zmiany jej pola magnetycznego (pole geomagnetyczne). Te nieustalone zmiany pola geomagnetycznego wytwarzają wyindukowany potencjał powierzchni Ziemi (Earth surface potential – ESP). Indukowany potencjał ESP może osiągać poziom rzędu trzech do ośmiu V/km i z kolei powodować przepływ prądów indukowanych geomagnetycznie (geomagneticaly induced currents – GIC). Przepływy prądów GIC powodują nietypowe zakłócenia w funkcjonowaniu łączności, rurociągów, sygnalizacji kolejowej i w systemie elektroenergetycznym, którego uziemione punkty są od siebie oddalone. Uzwojenia pierwotne dwóch transformatorów połączonych w gwiazdę z uziemionym punktem zerowym łączy zastępcza linia przesyłowa. Prąd GIC w przewodach zerowych transformatorów jest trzykrotnie większy od prądu GIC płynącego przewodami przez uzwojenia fazowe. W efekcie występowania zmiennego pola elektrycznego, różne obszary znajdą się pod różnym potencjałem elektrycznym. Jeśli dwie części systemu przesyłowego są uziemione w dwu różnych stacjach elektroenergetycznych, to przez linie łączące te stacje popłynie prąd od stacji o wyższym potencjale do stacji o potencjale niższym.

Okresowość prądów GIC zmienia się w znacznym zakresie, lecz zwykle jest to rząd kilku minut. Na te przebiegi nakładają się mikropulsacje o różnej częstotliwości. Podstawowy przebieg prądu GIC, indukowanego we wspomnianych układach infrastrukturalnych, zwykle ma częstotliwość mniejszą od 0,1 Hz. W odniesieniu do częstotliwości przemysłowej 50 Hz jest to traktowane podobnie jak występowanie składowej stałej w prądzie przepływającym przez dany element. Zatem w sieci ze skutecznie uziemionym punktem zerowym, w przewodach zerowych (np. uziemienia punktu gwiazdowego transformatora) następuje sumowanie się prądów GIC indukowanych w poszczególnych fazach. Wartość skuteczna indukowanego prądu GIC zależy od szeregu czynników, z których najistotniejszymi są:

- wartość indeksu K,•

- struktura geologiczna Ziemi; przykładowo, przy tych samych fluktuacjach pola geomagnetycznego większy potencjał ESP będzie indukowany w terenie skalistym o dużej rezystywności niż w terenie bagiennym o niskiej rezystywności,

- długość i parametry linii łączącej transformatory,

- parametry zastępcze transformatora.•

Obserwatoria magnetyczne mierzą składowe południkowe i równoleżnikowe indukcji poziomej i wyznaczają powierzchniowe pole elektryczne.

Wpływ GIC na transformatory

Podstawowym problemem, stwarzanym przez GIC, jest ich wpływ na transformatory elektroenergetyczne dużej mocy. W normalnych warunkach transformatory stanowią efektywne urządzenia umożliwiające transformację napięcia z danego poziomu na inne poziomy. Wieloletnie doświadczenia w konstrukcji urządzeń doprowadziły do tak efektywnych rozwiązań, że wystarczy zaledwie kilka amperów prądu wzbudzenia AC, aby wzbudzić strumień zapewniający transformację napięć.

Prąd GIC płynący przez transformator ma charakter składowej stałej. W przewodzie zerowym transformatora prądy te sumują się, dając wartość trzykrotnie większą od fazowej. Składowa pochodząca od GIC podpolaryzowuje prąd magnetyzujący i, jeśli w danym półokresie składowa zmienna ma ten sam kierunek, to suma prądów powoduje nasycenie się rdzenia.

W sytuacji występowania GIC, zachodzą trzy główne zagrożenia dla samego transformatora:

1. zwiększony pobór mocy biernej,

2. zwiększony poziom harmonicznych parzystych i nieparzystych generowanych w półokresowym nasyceniu,

3.prawdopodobieństwo przegrzania transformatora powodowane głównie występowaniem strumienia rozproszenia.

Strumień magnetyczny rozproszony zamyka się przez olej, powietrze, kadź transformatora. Transformator na skutek prądów wirowych ulega przegrzaniu i jeśli nie zostanie w porę wyłączony może ulec uszkodzeniu. Następuje wzrost poboru mocy biernej przez transformator. Harmoniczne generowane przez transformator przepływają liniami przesyłowymi i mogą wywołać błędne działanie zabezpieczeń.

Zbędne działania zabezpieczeń powodują wyłączenie elementów sieciowych, co z kolei zmniejsza moc zwarcia w danym węźle. Przy równoczesnym wzroście poboru mocy biernej w węzłach może się to przyczynić do utraty stabilności napięciowej i w konsekwencji do rozleglej awarii systemowej. Właśnie taki przebieg miała awaria w Kanadzie w 1989 r.

Zmianom wartości GIC towarzyszą proporcjonalne zmiany temperatury transformatora opóźnione o bezwładność cieplną kadzi. Podczas występowania silnych burz słonecznych zostały odnotowane następujące problemy:

- niezwykły hałas i przegrzewanie się transformatorów,

- kołysania mocy w systemie elektroenergetycznym, zarówno czynnej, jak i biernej,

- wzrost wartości prądów w przewodach zerowych transformatorów,

- zmiany częstotliwości sieci,

- wyłączanie się baterii kondensatorów związane z pojawieniem się dużych prądów doziemnych,

- wzrost poziomu harmonicznych w prądach,

- wahliwość regulatorów zaczepów transformatorów,

- wahania napięć,

- problemy z poprawną pracą systemów łączności,

- działanie rejestratorów zakłóceń,

- zarówno zbędne, jak i brakujące działania zabezpieczeń,

- pobudzenie/działanie zabezpieczeń reagujących na składowe przeciwne.

W wielu ośrodkach są prowadzone analizy wpływu różnych parametrów na działanie urządzeń elektroenergetycznych w warunkach wystąpienia prądów GIC. Jednymi z ciekawszych wyników są analizy wpływu prądu obciążenia na strumień rozproszenia, które prowadzą do wniosku, że rozkład strumienia rozproszenia transformatora przy występowaniu GIC jest bezpośrednio związany z amplitudą prądu obciążenia oraz współczynnikiem mocy tgφ tego obciążenia. Współczynnik mocy obciążenia transformatora ma duży wpływ na strumień rozproszenia, przenikający przez kadź i bocznik magnetyczny. Przy występowaniu GIC zachodzi zależność, że im większy jest współczynnik mocy, tym większa jest szczytowa wartość strumienia rozproszenia przenikająca kadź i bocznik magnetyczny transformatora itd.

Na podstawie: N. Strachan „Electricity and conflict”, „Cogeneration and On-site Power Production” przygotował Piotr Olszowiec