GIC: Un importante fattore di rischio per la rete elettrica

Jill Duplessis - Global technical marketing manager

La corrente indotta geomagneticamente (GIC, Geomagnetically Induced Current) può interrompere seriamente il funzionamento della rete di trasmissione dell'alimentazione su un'area ampia. Inoltre, se un evento GIC danneggia componenti chiave come i trasformatori di potenza, gli effetti potrebbero continuare a essere avvertiti per mesi o addirittura anni. Questo articolo esamina che cos'è la GIC e perché si verifica, prima di discuterne gli effetti in termini generali. Un articolo successivo esaminerà ulteriormente l'impatto della GIC sulla rete elettrica, con particolare riferimento alla vulnerabilità dei trasformatori.

Il fenomeno della GIC è ben documentato nelle fonti tecniche, ma non è necessariamente ben noto o ben compreso al di fuori dei circoli specialistici. Per questo motivo, e per fornire una solida base per il resto del materiale che verrà presentato in questi articoli, è opportuno iniziare con una breve analisi della GIC e delle sue cause.

La principale fonte di eventi GIC è l'attività sulla superficie del sole, sotto forma di attività solari e brillamenti solari. I brillamenti solari producono eiezioni di massa coronale, raggi X e particelle cariche che formano una nuvola di plasma, una raffica di vento solare, in grado di raggiungere la terra in appena otto minuti. A seconda del suo orientamento, il campo magnetico prodotto dalle correnti elettriche all'interno della nuvola di plasma può interagire con il campo magnetico terrestre, provocando fluttuazioni, con conseguente tempesta geomagnetica.

La corrente indotta geomagneticamente (GIC) viene prodotta quando gli elettrogetti aurorali che scorrono lungo percorsi circolari intorno ai poli geomagnetici della terra ad altitudini di circa 100 km vengono alimentate dall'arrivo di una nuvola di plasma. Questa eccitazione comporta fluttuazioni lente e variabili nel campo magnetico normalmente non variabile della terra.

In conformità alla legge di Faraday sull'induzione, queste fluttuazioni del campo magnetico inducono correnti sulla superficie terrestre che, a loro volta, danno luogo a differenze di potenziale, ESP (potenziali di superficie di terra), tra i punti di messa a terra. Le distanze su cui si percepiscono questi effetti possono essere piuttosto ampie.

Il campo, quindi, si comporta essenzialmente come una fonte di tensione ideale tra i collegamenti di massa neutri remoti dei trasformatori in un sistema di alimentazione, facendo scorrere una GIC attraverso questi trasformatori, le linee del sistema di alimentazione collegate e i punti di massa neutri.
 

La suscettibilità di un sistema di alimentazione alle tempeste geomagnetiche, e quindi alla GIC, varia e dipende da una serie di elementi. Sono inclusi: 

• Le caratteristiche dei trasformatori sul sistema, in quanto fungono da punti di ingresso e di uscita per le GIC. I fattori rilevanti sono:
• Struttura della messa a terra del trasformatore: I trasformatori sui sistemi di trasmissione ad altissima tensione (EHV) sono particolarmente vulnerabili in quanto in questi sistemi il punto neutro è messo a terra, creando un percorso preferenziale a bassa resistenza per la GIC. Inoltre, i trasformatori EHV non sono generalmente progettati con nucleo trifase a tre gambe.
• Struttura del nucleo del trasformatore. Il design del nucleo determina la riluttanza magnetica del percorso del flusso CC, che influenza l'entità dello spostamento del flusso CC che si verifica nel nucleo. I trasformatori trifase con nucleo a tre gambe sono i meno vulnerabili alla GIC, perché hanno un ordine di grandezza della riluttanza CC superiore nel circuito magnetico del nucleo dei trasformatori toroidali rispetto ai trasformatori con altri tipi di nucleo. La maggior parte dei problemi GIC è associata a unità monofase a colonna o a mantello, trifase a mantello e trifase a cinque colonne.
• Configurazione dell'avvolgimento del trasformatore: Qualsiasi trasformatore con collegamento a stella con messa a terra è soggetto a una corrente quasi-CC che scorre attraverso gli avvolgimenti; un autotrasformatore, in cui gli avvolgimenti ad alta e bassa tensione sono parzialmente condivisi, consente alla GIC di passare attraverso le linee di alimentazione ad alta tensione, ma non un trasformatore a stella-delta. (Vedere la Figura 1.)

• Conducibilità del terreno: I sistemi di alimentazione nelle aree in cui la conducibilità del terreno è scarsa (vedere la Figura 2) sono più vulnerabili agli effetti dell'attività geomagnetica poiché qualsiasi disturbo geomagnetico produce un gradiente maggiore nel potenziale della superficie terrestre che induce nella terra e, inoltre, poiché l'elevata resistenza di terra incoraggia una corrente maggiore a scorrere attraverso percorsi alternativi come le linee di trasmissione di alimentazione.
• La posizione geografica del sistema di alimentazione. Quanto più vicino è il sistema di alimentazione ai poli magnetici della terra, tanto più è probabile che sia vicino agli elettrogetti aurorali e, di conseguenza, siano maggiori gli effetti. Si noti, tuttavia, che i poli magnetici della terra non coincidono esattamente con i poli geografici. Ciò significa che negli Stati Uniti, ad esempio, le posizioni geograficamente a media latitudine della costa orientale sono più vulnerabili rispetto alle posizioni geografiche equivalenti della costa occidentale, in quanto le prime sono più vicine al polo magnetico. 
   

• Orientamento delle linee del sistema di alimentazione: Il gradiente del potenziale della superficie terrestre solitamente è, sebbene non inevitabilmente, maggiore nella direzione est-ovest rispetto alla direzione nord-sud.
• La lunghezza delle linee del sistema di alimentazione: Maggiore è la lunghezza delle linee di trasmissione, maggiore è la loro vulnerabilità. Questo è stato ampiamente dimostrato nel marzo 1989, quando i sistemi di alimentazione azionati da Hydro Quebec in Canada sono stati distrutti da un evento GIC. Il sistema Hydro Quebec include generatori a 1.000 km dai principali centri di carico popolati. 
• La forza della tempesta geomagnetica: maggiore è la potenza della tempesta, maggiore sarà l'intensità degli elettrogetti aurorali e più probabilmente saranno vicini all'equatore. L'impatto della GIC sui trasformatori e sui sistemi di alimentazione è ben compreso in termini generali. Tuttavia, poiché così tante variabili influenzano la vulnerabilità, è quasi impossibile prevedere in termini quantitativi l'impatto di un evento GIC su un particolare sistema di alimentazione. In effetti, la maggior parte dei tentativi di quantificazione fino ad oggi sono stati essenzialmente aneddotici.

Il prossimo articolo di questa serie esaminerà in dettaglio gli effetti di primo ordine della GIC sui trasformatori e gli effetti di secondo ordine sul sistema di alimentazione. Inoltre, tratterà di come i trasformatori di corrente e i relè di protezione possano essere influenzati dalla GIC, e includerà una breve revisione delle normative introdotte dal Federal Energy Regulatory Committee (FERC) e dal National Energy Reliability Committee (NERC) negli Stati Uniti in risposta alle minacce poste dalla GIC.