GIC: um risco significativo para a rede elétrica

Jill Duplessis - Gerente de Marketing Técnico Global

A corrente induzida geomagneticamente (GIC) pode causar uma séria interrupção do funcionamento da rede de transmissão de energia de uma vasta área. E, se um evento de GIC danificar os principais componentes, como transformadores, o impacto pode perdurar meses ou até mesmo anos. Este artigo examina o que é a GIC e por que ela ocorre, antes de discutir os impactos que ela causa em termos gerais. Um artigo subsequente explorará ainda mais o impacto da GIC na rede elétrica, com referência principalmente à vulnerabilidade dos transformadores.

O fenômeno de GIC é bem documentado em fontes técnicas, mas não é necessariamente muito conhecido, nem bem compreendido fora dos círculos especializados. Por esta razão e para fornecer uma base sólida para o resto do material que será apresentado nestes artigos, vale a pena começar com um breve exame da GIC e suas causas.

A principal fonte de eventos de GIC é a atividade na superfície do sol, na forma de manchas solares e de clarões solares. Os clarões solares produzem rejeições de massa coronal, raios X e partículas carregadas que formam uma nuvem de plasma – uma rajada de vento solar – que pode alcançar a terra em apenas oito minutos. Dependendo da direção, o campo magnético produzido pelas correntes elétricas dentro da nuvem de plasma pode interagir com o campo magnético da terra, fazendo com que ela flutue, resultando em uma tempestade geomagnética.

A corrente induzida geomagneticamente (GIC) é produzida quando correntes de eletrojato aurorais que fluem em caminhos circulares ao redor dos polos geomagnéticos da terra em altitudes de cerca de 100 km ficam energizadas com a chegada de uma nuvem de plasma. Essa energização resulta em flutuações lentas e variáveis de tempo no campo magnético normalmente invariável da Terra.

De acordo com a lei de indução de Faraday essas flutuações de campo magnético induzem correntes na superfície da Terra que, por sua vez, originam diferenças potenciais – ESPs (potenciais de superfície terrestre) – entre pontos de aterramento. As distâncias pelas quais esses efeitos são sentidos podem ser bem grandes.

O campo então, se comporta essencialmente como uma fonte de tensão ideal entre as conexões remotas de aterramento neutro dos transformadores no sistema de energia a, fazendo com que uma GIC flua através desses transformadores, das linhas do sistema de energia conectadas e dos pontos de aterramento neutros.

A suscetibilidade de um sistema de energia a tempestades geomagnéticas – e, portanto, GIC – varia e depende de vários elementos que podem contribuir para isso. Isso inclui: 
 

• As características dos transformadores no sistema, pois estes servem como pontos de entrada e saída para a GIC. Os fatores relevantes são:
• Construção do aterramento do transformador: Transformadores em sistemas de transmissão de extra-alta tensão (EAT) são particularmente vulneráveis, pois esses sistemas são muito solidamente aterrados, criando um caminho preferencial de baixa resistência para a GIC. Além disso, transformadores de EAT geralmente não possuem um design trifásico com núcleo de três pernas.
• Construção do núcleo do transformador. O design do núcleo determina a relutância magnética do caminho do fluxo CC, que influencia a magnitude da mudança do fluxo CC que ocorrerá no núcleo. Os transformadores trifásicos com um núcleo de três pernas são os menos vulneráveis à GIC, pois no circuito magnético entre o núcleo e o tanque eles apresentam uma relutância significativamente maior para CC — cerca de uma ordem de grandeza superior — em comparação aos transformadores com outros tipos de núcleo. A maioria dos problemas relacionados à GIC está associada a unidades monofásicas com núcleo do tipo core ou shell, a projetos trifásicos do tipo shell e a projetos trifásicos com núcleo de cinco pernas.
• Configuração do enrolamento do transformador: Qualquer transformador com conexão em estrela aterrada é suscetível a uma corrente quase CC fluindo por seus enrolamentos. Um autotransformador, onde os enrolamentos de alta e baixa tensão são parcialmente compartilhados, permite que a GIC passe pelas linhas de alta tensão enquanto um transformador delta-estrela não permite. (Veja a Figura 1).

• Condutividade do solo: Os sistemas de energia em áreas com baixa condutividade do solo (ver Figura 2) são mais vulneráveis aos efeitos da atividade geomagnética, pois qualquer distúrbio geomagnético gerará um gradiente maior no potencial de superfície terrestre induzido no solo. Além disso, a alta resistência do solo favorece o fluxo de corrente por caminhos alternativos, como as linhas de transmissão de energia.
• A localização geográfica do sistema de energia. Quanto mais próximo o sistema de energia estiver dos polos magnéticos da terra, mais próxima será a corrente do eletrojato auroral e, consequentemente, maior será o efeito. Observe, no entanto, que os polos magnéticos da Terra não coincidem exatamente com seus polos geográficos. Isso significa que, nos EUA, por exemplo, as localizações geográficas de média latitude na Costa Leste são mais vulneráveis do que as localizações equivalentes na Costa Oeste, pois as da Costa Leste estão mais próximas do polo magnético. 

• A direção das linhas do sistema de energia: O gradiente do potencial da superfície da terra é geralmente embora não invariavelmente, maior na direção Leste-Oeste do que na direção Norte-Sul.
• O comprimento das linhas do sistema de energia: Quanto mais longa a transmissão, maior a vulnerabilidade. Isso foi demonstrado de forma convincente em março de 1989, quando os sistemas de energia operados pela Hydro-Québec no Canadá foram devastados por um evento de GIC – o sistema Hydro-Québec possui geradores que estão a 1.000 km das principais áreas de demanda povoadas. 
• A intensidade da tempestade geomagnética: quanto mais forte a tempestade, maior a intensidade das correntes do eletrojato auroral e mais próximas elas tendem a ficar do equador. Os impactos da GIC nos transformadores e sistemas de energia é bem compreendido em termos gerais. No entanto, como tantas variáveis influenciam a vulnerabilidade, é quase impossível prever em termos quantitativos, os impactos de um evento de GIC em um determinado sistema de energia. Na verdade, a maioria das tentativas de quantificação até agora foram apenas baseadas em relatos.

O próximo artigo desta série examinará em mais detalhes os efeitos de primeira ordem da GIC em transformadores e os efeitos de segunda ordem no sistema de energia. Ele também abordará como os transformadores e os relés de proteção atuais provavelmente serão afetados pela GIC, trazendo uma breve revisão das regulamentações introduzidas pelo Comitê federal de regulamentação de energia (FERC, Federal Energy Regulatory Committee) e pelo Comitê nacional de confiabilidade energética (NERC, National Energy Reliability Committee) dos EUA em resposta às ameaças representadas pelas GICs.