2024年10月10–11日地磁暴期间空间天气对加拿大阿尔伯塔省电力网络及采矿作业的影响

《Frontiers in Physics》：Effects of space weather on the electric power network and mining operations in Alberta, Canada during the October 10–11, 2024 geomagnetic storm

　　

由空间天气引发的地磁感应电流（GICs）可通过变压器饱和、无功功率消耗增加以及总谐波失真（THD）升高影响电力网络。在最严重情况下，这些效应可能导致大面积停电和变压器损坏。调查大型地磁暴事件有助于电力行业更好地理解并缓解相关风险。本研究聚焦于2024年10月10日至12日地磁暴对加拿大阿尔伯塔省的影响，通过建模阿尔伯塔省≥240 kV电力网络中的GICs，并利用变压器中性点接地（TNG）的GIC实测数据进行验证。尽管根据全球地磁暴扰动指数，2024年10月的磁暴规模小于2024年5月的磁暴，但测量到的GIC在阿尔伯塔省中部三个变压器处超过25 A/相，建模结果表明阿尔伯塔省东北部部分变压器的TNG GIC超过30 A/相，其量级与2024年5月磁暴期间观测到的GIC相似。对于2024年10月事件，导致最大地电场和最大GIC的原因在空间和时间上存在差异。阿尔伯塔省东北部的强事件与磁暴突然开始（SSC）有关，而阿尔伯塔省南部一些较强的昏侧事件则与低纬度亚暴相关。空间分布最广的地电场大事件与一个发展至阿尔伯塔省上空的大规模夜侧亚暴有关。除了在高电压等级流动的GIC，2024年10月磁暴还在阿尔伯塔省东北部的低电压等级导致了不利的技术影响。这些影响包括工业采矿作业中的34.5 kV电容器组和大型13.8 kV矿用铲斗（mine shovels）跳闸离线。电容器组跳闸很可能是由于高电压等级GIC导致的变压器饱和引起总谐波失真增加所致，而矿用铲斗跳闸则可能是由于一个与长约10 km的30 V直流低电流接地检测回路（ground check circuit）上感应电流相关的独特故障模式所致。据研究人员所知，这是文献中首次报道空间天气对采矿作业的直接影响。

本研究利用2024年10月10–11日地磁暴事件作为案例，结合加拿大阿尔伯塔省高压电力网络模型，评估了与此类大型磁暴相关的地磁感应电流（GIC）影响。研究背景源于太阳-地球耦合引发的空间天气可导致地球地磁场的大幅扰动。由此产生的地磁暴在地面感生出地电场，该电场可在大型人工基础设施（如电力传输网络、长距离管道和海底电缆）的接地端之间产生电位差。在电力传输网络中，传输线路上地电场的电动势会产生低频（<1 Hz）的地磁感应电流（GIC），这些电流通过变压器的中性点接地（TNG）连接在线路和变压器绕组中流动。由于GIC的时间变化远低于50–60 Hz的交流电力系统载波频率，它们表现为准直流电流，可使变压器偏磁饱和，导致无功消耗增加、谐波产生、发热等问题。如果GIC幅值大且持续，可能导致网络过载，引发电压不稳定、变压器损坏和/或停电。
2024年10月10–12日发生了一次大型地磁暴，Dst指数为?335 nT，是当前太阳周期中继2024年5月磁暴后的第二大磁暴。尽管此次磁暴在Dst指数上小于2024年5月的事件，因此受到的关注较少，但它仍产生了一些显著的全球效应，包括强烈的电离层扰动、低纬度红光极光，并可能导致一颗卫星过早再入大气层。此次磁暴还具有易于引发大地磁场扰动和大地电场（GEFs）的特性。阿尔伯塔省位于靠近极光卵的高磁纬度地区，拥有丰富的数据集可用于表征地面地磁扰动（通过CARISMA磁力仪阵列）以及广泛的大地电磁（MT）测量数据来表征地下电导率，这两者都影响着最终的地电场行为，从而影响GIC风险。通过持续的行业与学术合作，研究人员开发了一个准确的阿尔伯塔省≥240 kV传输网络的直流等效模型。该模型基于Cordell等人报道的早期工作，整合了变压器级细节，并根据阿尔伯塔省电力系统运营商（AESO）及输电设施所有者（AltaLink Management Ltd. and ATCO Electric Ltd.）提供的信息扩展了网络电阻数据。与早期模型一样，更新后的模型可用于计算整个阿尔伯塔省高压（≥240 kV）电力网络中数据驱动的GIC。行业在全省六个变压器中性点进行的持续TNG GIC测量，为评估模型性能和数据验证提供了条件。
目前存在的问题是，即使地磁暴在全球指数上并非极端，甚至其GIC远低于通常用于评估变压器风险的75 A/相基准值，空间天气仍可对电力网络产生影响，包括元件跳闸和其他网络异常。此外，以往的GIC研究通常报告的GIC值低于10 A/相，且现有模型在某些情况下会低估GIC幅值。因此，开展这项研究旨在通过改进的数据驱动建模方法，更准确地评估GIC影响，并首次揭示空间天气对采矿作业的直接影响，从而提升对相关风险的认识和缓解能力。论文发表于《Frontiers in Physics》。
研究人员采用了数据驱动的GIC建模工作流程，主要分为两个步骤。首先，利用来自CARISMA磁力仪阵列（11个站点）、加拿大自然资源部（NRCan）磁力台（4个）和美国地质调查局（USGS）磁力台（3个）的1 Hz水平地磁场数据，结合基于大地电磁（MT）阻抗张量反演的三维地下电导率模型（Wang and Unsworth, 2012），通过空间插值和频率域计算，估算地电场。其次，将估算的地电场输入到包含161个变电站、305台变压器和281条输电线路的阿尔伯塔省≥240 kV电力网络直流等效模型中。该模型利用基尔霍夫电路定律（KCL）和节点导纳矩阵（NAM）方法计算网络中的GIC分布。模型参数（如线路和变压器绕组电阻、变压器类型）由AESO及AltaLink、ATCO Electric等公司提供，部分缺失的接地电阻取已知值的中位数（0.13 Ω）。建模过程考虑了磁暴期间计划停运的线路和变压器。此外，研究还利用了阿尔伯塔大学地球物理观测站（AUGSO）的连续地电场测量数据以及六个变电站的变压器中性点接地（TNG）GIC霍尔效应探头测量数据进行验证。样本队列来自加拿大阿尔伯塔省。
研究结果部分首先介绍了空间天气影响（3.1节）。在磁暴期间，阿尔伯塔省东北部的一个变电站内的34.5 kV电容器组和工业采矿作业中的大型13.8 kV矿用铲斗发生了多次跳闸。电容器组跳闸时间与地磁活动尖峰和大地电场快速增强时段精确吻合，例如在10月10日15:15 UT、17:00 UT、23:00 UT以及10月11日05:00 UT和08:00 UT左右。这些跳闸很可能源于变压器饱和引起的总谐波失真（THD）增加（风暴期间超过40%），因为准直流GIC无法直接流至低电压等级，但高电压等级的谐波失真可跨越电压等级传递。矿用铲斗的直流接地检测回路在整个风暴期间多次跳闸，每次跳闸都导致铲斗离线直至复位。几乎所有铲斗跳闸都与地磁活动增强和/或大地电场尖峰时段紧密对应，包括与电容器组跳闸同时发生的时段（如10月11日04:30-06:00 UT期间），也包括一些地磁活动相对较弱（相关地电场<2 V/km）的时段。研究人员注意到，计算的地电场值在空间上存在显著变化，这主要归因于该区域前寒武纪加拿大地盾的地质非均质性，表明可能需要更密集的MT站点覆盖来更准确地捕捉关键区域的地电场行为。
其次介绍了GIC测量与建模结果（3.2节）。变压器中性点接地（TNG）GIC测量显示，阿尔伯塔省中部的两个变电站GIC显著：包含两台500/240 kV自耦变压器的1号变电站，总入地GIC超过150 A（假设各相准直流电流相等，则每相约25 A）；包含一台500/240 kV自耦变压器的2号变电站，总入地GIC超过75 A（约25 A/相）。模型结果表明，阿尔伯塔省东北部某些变压器的TNG GIC可能超过30 A/相。这些GIC值虽小于2024年5月磁暴观测值，但显著高于其他司法管辖区在大型磁暴中常报道的<10 A/相的数值。模型还揭示了GIC活动在时空上呈集群分布：第一个峰值在10月10日约15:15 UT，主要影响高纬度变电站，GIC >30 A/相；第二个峰值在10月11日约02:00 UT，主要影响低纬度变电站，但GIC幅值<10 A/相；第三个峰值在10月11日约08:00 UT，影响遍及全省，部分变电站GIC >40 A/相。这些时间集群也与观测到的GIC峰值和电容器组跳闸时间对应。
接着介绍了模型性能（3.3节）。与Cordell等人报道的早期模型相比，当前模型在GIC建模方面有所改进。早期模型在2023年4月23–24日磁暴期间，在某些变电站低估GIC约两倍。新模型在阿尔伯塔城（Edmonton）1号变电站仍然倾向于低估GIC峰值，线性回归系数为0.68。但在2号变电站（包含一台带TNG霍尔传感器的500/240 kV自耦变压器），模型峰值与观测峰值（78 A）匹配良好（±1 A），皮尔逊相关系数R=0.73。模型性能也受TNG GIC传感器不一致采样率的影响。此外，阿尔伯塔大学地球物理观测站（AUGSO）的连续地电场测量（峰值不超过1 V/km）与最近的MT站点模型计算的地电场（相关系数>0.80，线性回归系数在1.0±0.2范围内）吻合良好，这表明GIC模型的偏差可能主要源于未建模的低电压等级网络或电力线段地电场的局部空间变化。
最后分析了空间天气驱动因素（3.4节）。研究指出，不同的空间天气驱动因素可在单次地磁暴中引发多个显著的GIC增强时段，且这些驱动因素具有复杂的时空模式。具体事件包括：10月10日15:15 UT的磁暴突然开始（SSC），它在阿尔伯塔省东北部（高电阻前寒武纪地盾区）感生出超过16 V/km的大地电场，但影响范围相对局部，主要导致该区域变电站GIC >10 A/相；10月11日01:50 UT的低纬度亚暴事件，其影响主要限于阿尔伯塔省南部（因磁层顶向日侧压缩及行星际磁场Bz波动驱动），GIC <10 A/相；10月11日08:00 UT的区域规模亚暴事件，这是更典型的夜侧亚暴，导致全省范围内GIC增强（四个变电站>30 A/相），并伴有东北部电容器组和矿用铲斗跳闸，其地电场以南北向为主且较为持久，与阿尔伯塔省最长输电线路的走向耦合良好。这些分析强调了简化假设的GIC风险评估可能无法充分捕捉相关危险的完整复杂性。
论文的结论部分总结指出：本研究利用2024年10月10–11日地磁暴实例，评估了阿尔伯塔省高压网络的GIC影响，并首次报道了空间天气对矿用铲斗直流接地检测回路的影响，这为其他地区工业设备操作者提供了相关性认识。电容器组和矿用铲斗跳闸均发生在低于40 kV的电压等级，凸显了高压/特高压GIC建模与低压配电及终端用户集成的需求。高压网络中GIC的响应表明，阿尔伯塔省中部变压器GIC >25 A/相，东北部模型GIC >30 A/相。模型与测量数据的一致性增强了对模型结果的信心。地电场模型与AUGSO测量数据的优异一致性，表明模型误差主要源于未建模的低电压等级网络元件。最后，研究通过分析GIC的时空变异性，揭示了真实地磁暴的复杂性：强SSC事件集中在东北部；低纬度亚暴仅影响南部；而最大的亚暴事件虽未产生最大的局部地电场，但引发了全省范围内最持久的大地电场，导致多个变电站在短时间内出现高GIC。这些结果表明，实际地磁暴的驱动因素具有高度的时空变异性，因此风险评估需充分考虑这种复杂性。