Механизмы воздействия квазипостоянных геоиндуцированных токов на электрические сети


МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ КВАЗИПОСТОЯННЫХ ГЕОИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ


Монография

















Инфра-Инженерия Москва - Вологда

2018

УДК 621.314.2
ББК 31.261.8
  В 22



ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп. 1ч.2 ст. 1

Авторы:
В. В. Вахнина, А. А. Кувшинов, В. А. Шаповалов, В. Н. Кузнецов
В. Д. Селемир, В. И. Карелин, В. В. Горохов




В 22 Механизмы воздействия квазипостоянных геоиндуцированных токов на электрические сети: монография / В. В. Вахнина, А. А. Кувшинов, В. А. Шаповалов, В. Н. Кузнецов, В. Д. Селемир, В. И. Карелин, В. В. Горохов. - М.: Инфра-Инженерия, 2018. - 256 с.

ISBN 978-5-9729-0250-7



      Рассмотрено влияние геомагнитных возмущений на работу электрических сетей и их элементов. Дан анализ источников возникновения и особенностей распространения квазипостоянных геоиндуцированных токов, всесторонне исследовано их воздействие на силовые трансформаторы. Произведено компьютерное моделирование одностороннего насыщения силовых трансформаторов. Предложена геоэлектрическая гипотеза возникновения и развития аварии на Саяно-Шушенской ГЭС.
      Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся эксплуатацией и проектированием электрических станций, подстанций и сетей, а также аспирантов и магистрантов электроэнергетических и электротехнических специальностей.















          © Вахнина В. В., Кувшинов А. А., Шаповалов В. А., Кузнецов В. Н., Селемир В. Д., Карелин В. И., Горохов В. В., авторы, 2018 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2018


ISBN 978-5-9729-0250-7

СОДЕРЖАНИЕ


Введение ....................................................... 6

ГЛАВА 1. Источники квазипостоянных геоиндуцированных токов......11
1.1. Магнитосферно-ионосферныеисточники .......................11
    1.1.1. Геомагнитные бури...................................11
    1.1.2. Ядерныевзрывы.......................................13
1.2. Литосферные источники.....................................19
1.3. Атмосферные источники.....................................23

ГЛАВА 2. Распространение геоиндуцированных токов в сложной системообразующей электрической сети ................31
2.1. Основные приближения аналитического исследования геоиндуцированных токов........................................31
2.2. Пространственная модель электрической сети................33
2.3. Геоиндуцированные токи в электрической сети радиальной конфигурации ..................................................34
2.4. Геоиндуцированные токи в электрической сети магистральной конфигурации ..................................................39
2.5. Геоиндуцированные токи в электрической сети кольцевой конфигурации ..................................................47
2.6. Критерии уязвимости электрической сети к геомагнитным возмущениям ...................................................50

ГЛАВА 3. Компьютерное моделирование одностороннего насыщения силовых трансформаторов .......................................59
3.1. Основные конструктивные схемы магнитных систем силовых трансформаторов................................................59
3.2. Краткая характеристика программы расчета магнитных полей .62
3.3. Моделирование магнитного поля силовых трансформаторов при одностороннем насыщении ...................................65
3.4. Математическая модель силового трансформатора с учетом насыщения магнитной системы...........................76
3.5. Моделирование однополярных токов намагничивания...........82

ГЛАВА 4. Механизм воздействия геоиндуцированных токов на силовые трансформаторы .....................................87
4.1. Анализ характеристики намагничивания электротехнической стали с учетом области технического насыщения........................87
4.2. Потокосцепление обмоток высокого напряжения силового трансформатора при геомагнитных возмущениях....................90
4.3. Особенности воздействия геоиндуцированных токов на силовые трансформаторы со стержневой конструкцией магнитной системы ...93


3

4.4. Особенности воздействия геоиндуцированных токов
    на силовые трансформаторы с бронестержневой конструкцией магнитной системы...........................................95
4.5. Кусочно-линейная аппроксимация характеристики
    намагничивания силового трансформатора при воздействии геоиндуцированных токов.....................98
4.6. Мгновенные значения тока намагничивания при одностороннем насыщении силового трансформатора............101
4.7. Гармонический состав токанамагничивания при одностороннем насыщении силового трансформатора............103
4.8. Составляющие мощности намагничивания при одностороннем насыщении силового трансформатора............108
4.9. Влияние геоиндуцированных токов на индуктивное сопротивление ветви намагничивания силового трансформатора.........................113

ГЛАВА 5. Тепловые процессы в силовых трансформаторах при воздействии геоиндуцированных токов .......................117
5.1. Моделирование тепловых процессов в баке трансформатора ...117
5.2. Моделирование тепловых процессов в обмотках трансформатора.137
5.3. Допустимая перегрузочная способность силовых трансформаторов................................................148

ГЛАВА 6. Модуляция режимных параметров межсистемной электропередачи геоиндуцированными токами .....................153
6.1. Схема замещения межсистемной электропередачи с учетом математической модели геоиндуцированных токов ........153
6.2. Модуляция параметров ветви намагничивания силового трансформатора напериоде сетевого напряжения..................................158
6.3. Модуляция параметров ветви намагничивания силового трансформатора
    на периоде геомагнитных возмущений ........................160
6.4. Влияние геомагнитных возмущений на величину взаимного и собственных сопротивлений межсистемной электропередачи ......163
6.5. Особенности режимов передачи активной и реактивной мощности в условиях геомагнитных возмущений ............................171
6.6. Модуляция напряжений в начале и в конце межсистемной линии электропередачи................................................179
6.7. Параметрическая модуляция пропускной способности межсистемной электропередачи под воздействием геомагнитных возмущений ......186

ГЛАВА 7. Геоэлектрическая гипотеза возникновения и развития аварии на Саяно-Шушенской ГЭС.......................192
7.1. Аварии на высоконапорных ГЭС в сейсмоактивных районах.....192
7.2. Сейсмическая активность в районе Саяно-Шушенской ГЭС в день аварии .................................................193


4

7.3. Анализ результатов регистрации аномальных особенностей в работе гидроагрегатов ......................................195
7.4. Моделирование воздействия геоэлектрического источника на функционирование Саяно-Шушенской ГЭС ......................198
7.5. Особенности функционирования синхронного генератора с учетом высших гармоник тока.................................215
7.6. Оценкадополнительных моментов синхронного генератора при воздействии геоиндуцированных токов.......................222
7.7. Вероятный сценарий развития аварии на Саяно-Шушенской ГЭС.237

Заключение....................................................243

Литература....................................................247


5

ВВЕДЕНИЕ


    Проектирование и эксплуатация электроэнергетического оборудования, электрических сетей высокого напряжения осуществляется с учетом климатических факторов внешней среды, под которыми понимаются температура, влажность и давление воздуха (высота над уровнем моря), дождь, ветер, пыль, соляной туман, иней, содержание в воздухе коррозионно-активных агентов, смены температур, солнечное излучение и др.
    В соответствии с ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 16350-70 поверхность земного шара разделена на ряд макроклиматических районов, различных с точки зрения воздействия климатических факторов на технические изделия. В частности, различают макроклиматические районы с умеренным климатом (климатическое исполнение изделий категории У), с умеренным и холодным климатом (климатическое исполнение изделий категории УХЛ), с влажным тропическим климатом (климатическое исполнение изделий категории ТВ), с сухим тропическим климатом (климатическое исполнение изделий категории ТС). Для электрических сетей высокого напряжения дополнительно осуществляется районирование климатических условий территории нашей страны по скоростному напору ветра, толщине гололедных образований, грозовой активности, интенсивности пляски проводов.
    С развитием и усложнением топологии электрических сетей в связи с увеличением количества электростанций и трансформаторных подстанций, протяженности воздушных линий (ВЛ) электропередачи, расширением географической зоны размещения электроэнергетических объектов возрастает влияние еще одного фактора внешней среды, а именно космической погоды, одним из проявлений которой являются геомагнитная активность.
    Геомагнитная активность характеризует степень возмущенности геомагнитного поля за определенный промежуток времени при взаимодействии солнечного ветра (потока плазмы, испускаемого Солнцем) с магнитосферой Земли. В качестве количественной меры такого взаимодействия используют индексы геомагнитной активности, которые характеризуют интенсивность геомагнитной возмущенности на локальной территории, на всей Земле, от конкретных источников, например, авроральныхэлектроджетов [36].
    Для оценки возможного воздействия геомагнитных возмущений на технические системы наиболее часто используют планетарный индекс Кр, который характеризует возмущенность геомагнитного поля в трехчасовом интервале и выражается в баллах от 0 до 9. Вербально состояние геомагнитного поля в зависимости от значения индекса Кр характеризуется как спокойное (Кр < 2), слабовозмущенное (Кр = 2;3), возмущенное (Кр = 4), магнитная буря (Кр =5; 6), сильная магнитная буря (Кр > 7) [116].
    Впервые нарушение работы электрической сети при магнитной буре зафиксировано 24марта 1940 года. Тогда на нескольких подстанциях северо-востока США вышли из строя силовые трансформаторы и было частично прекращено электроснабжение в нескольких штатах. С тех пор подобные аварии

6

периодически происходят в странах с развитыми электросетями. Так последствиями магнитной бури 13-14 марта 1989года были: отключение пяти ВЛ энергосистемы Гидро-Квебек (Канада) общей мощностью 9 ГВт; выход из строя генератора и отключение трансформаторов на атомной электростанции Салем Юнит и повреждение 2 трансформаторов мощностью по 240 МВт (США); отключение ВЛ 400 кВ/400 МВт (Швеция).
    Большой экономический ущерб инициировал за рубежом работы по изучению влияния геомагнитных возмущений на функционирование электрических сетей. В частности, в США национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) в 2009 г. принята классификация параметров космической погоды и возможных воздействий на технические системы [77, 116], в том числе на электрическую сеть. В таблице В.1 представлены критерии возмущенности геомагнитного поля (Кр -индекс и среднее количество геомагнитных возмущений в течение 11-летнего цикла солнечной активности) и возможные инициируемые в электрической сети эффекты по классификации «NOAA Space Weather».

Таблица В.1
Возможные эффекты в электрической сети при геомагнитных возмущениях

Индекс  Количество   Возможное воздействие на электрическую 
  Кр   геомагнитных                   сеть                  
        возмущений                                          
9           4       Возможны разрушения электрической сети  
                    и повреждения трансформаторов           
                    Возможны проблемы со стабильностью      
8          100      напряжения, частичные разрушения        
                    электрической сети и отключение защитных
                    систем                                  
                    Необходима коррекция напряжения, ложные 
7          200      срабатывания релейной защиты, высокий   
                    «газ в масле» силовых трансформаторов   
6          600      Воздействие на высокоширотные сети      
5          1700     Слабые флуктуации в электрические сети  

    Как видно, геомагнитные возмущения в зависимости от интенсивности способны оказать существенное влияние на режимы работы электрической сети, вплоть до развития системных аварий и повреждения силовых трансформаторов. Это объясняется тем, что геомагнитные возмущения генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли (теллурические токи), а на поверхности квазипостоянные электрические потенциалы, обычно несколько вольт на километр [95, 107]. Между точками заземления нейтралей обмоток высокого напряжения (ВН) силовых трансформаторов возникает разность потенциалов, которая вызывает в фазных проводах ВЛ с низким омическим сопротивлением протекание квазипостоянных геоиндуцированных токов (ГИТ).

7

    Мониторинг ГИТ осуществляется в электрических сетях многих стран, в частности, в США, Канаде и Финляндии на протяжении более 20 лет. Частота ГИТ обычно находится в пределах (0,001 -ь0,1) Гц [68, 121], т. е. во много раз меньше номинальной частоты (50 или 60 Гц) напряжения электрической сети, а наблюдаемые значения ГИТ в нейтралях силовых трансформаторов в годы со средней геомагнитной активностью достигают 100А и более, а в годы с высокой геомагнитной активностью могут превышать 200 А [94, 102, 111]. В последнее время предпринимаются попытки регистрации ГИТ и в электрических сетях нашей страны [68, 69].
    Величина ГИТ может оказаться вполне соизмеримой с рабочими токами обмоток ВН и достаточной для одностороннего насыщения магнитной системы силовых трансформаторов. Результатом становится протекание практически однополярного тока намагничивания и эмиссия в примыкающую электрическую сеть гармонических составляющих тока намагничивания как нечетных (3, 5,7,9 и т. д.), так и четных (2, 4,6,8 и т. д.) порядков [20, 69]. Следует добавить, что 2-я и 4-я гармоники вполне соизмеримы с основной гармоникой тока намагничивания [24, 128]. Многократно возрастает амплитуда и основной гармоники тока намагничивания. Это одинаково опасно как для силовых трансформаторов, поскольку возникает дополнительный нагрев обмоток, изоляции, масла, так и для режима электрической сети, поскольку увеличивается потребление реактивной мощности [120].
    Многие системные аварии в электрических сетях различных стран спровоцированы именно дефицитом реактивной мощности и последующим прогрессирующим снижением напряжения по всей электрической сети. В частности, одной из причин возникновения системной аварии после отключения подстанции «Чагино» в мае 2005 года указан недостаток реактивной мощности, приведший к снижению напряжения в южной части Московской электрической сети [45]. Следует добавить, что за последние время из баланса электрических сетей России выведены компенсирующие устройства с суммарной установленной мощностью свыше 50 Гвар [54].
    Территория России находится в средних и высоких широтах и подвержена воздействию внезапных изменений космической погоды. Парковый ресурс действующего электрооборудования в российской энергетике выработан примерно на 80%, оборудование электрических станций и линий электропередач изношено примерно на 50%, что приводит к росту аварийности даже без учета фактора космической погоды [3, 71]. В сложившихся условиях опасность могут представлять не только интенсивные ГИТ, способные непосредственно повредить силовые трансформаторы, но и менее интенсивные ГИТ, достаточные для создания дефицита реактивной мощности, способного спровоцировать развитие системной аварии или крупного технологического нарушения в электрической сети с отключением большого объема потребителей.
    Поэтому необходимы адекватная оценка причин возникновения, закономерностей распространения, степени влияния интенсивности ГИТ на возможность и глубину одностороннего насыщения магнитной системы, тепловой режим

8

и допустимую загрузку силовых трансформаторов, параметры режима функционирования электрической сети, возможность инициирования аварийных процессов. Систематизированному освещению перечисленных вопросов и объяснению ряда эффектов, указанных в таблице В.1, которые практически отсутствуют в отечественной литературе, отвечает структура построения данной монографии.
    В первой главе рассмотрены наиболее мощные техногенные и природные источники квазипостоянных токов в электрических сетях — геомагнитные бури, ядерные взрывы, грозовая активность и литосферные источники. Впервые показано, что возникающие в преддверии землетрясений литосферные источники способны возбуждать протекание в фазных проводах ВЛ значительных квазипостоянных токов. Дело в том, что геоэлектрические поля, возбуждаемые литосферными источниками, также лежат в низкочастотной области и имеют амплитуды, сравнимые с регистрируемыми при геомагнитных бурях. Возникновение геоэлектрических источников связано с преобразованием энергии механических деформаций земной коры в энергию электростатического поля в зонах геологических разломов и сдвигов. Геоэлектрические процессы сопровождаются комплексом природных явлений, например, сейсмической активностью, при которых происходит генерация низкочастотных электрических полей.
     Во второй главе исследованы закономерности распределения квазипостоянных ГИТ между нейтралями отдельных силовых трансформаторов в электрических сетях типовых топологий. Предложены пространственная модель, позволяющая учесть географическое расположение силовых трансформаторов при расчете ГИТ, и количественные критерии уязвимости электрических сетей к воздействию геомагнитных возмущений в зависимости от доминирующей ориентации ВЛ относительно направления геоэлектрического поля на поверхности земли. Приведены численные примеры распределения ГИТ в электрических сетях радиальной, магистральной и кольцевой топологий для различных вариантов пространственного расположения силовых трансформаторов, характеризуемых различной величиной относительной электрической длины сети.
    В третьей главе представлены результаты компьютерного моделирования с использованием программного продукта FEMM 4.2 магнитного поля силовых трансформаторов с различным исполнением магнитной системы. Визуализированы картины магнитного поля в стержнях и ярмах магнитной системы. Представлены зависимости средних значений магнитной индукции постоянного магнитного поля в поперечном сечении стержня от ГИТ для силового трансформатора ТРДН-63000/110 со стержневым магнитопроводом, силового трансформатора ТДЦ-400000/220 с бронестержневым магнитопроводом и силового однофазного автотрансформатора А0ДЦТН-267000/500/220 с броневым магнитопроводом. Разработана математическая модель трехфазного силового трансформатора, позволяющая моделировать несимметричные токи намагничивания с учетом одностороннего насыщения магнитной системы под воздействием ГИТ.
    В четвертой главе исследовано влияние ГИТ силовые трансформаторы со стержневой и бронестержневой конструкцией магнитной системы и обмотками

9

высокого напряжения с заземленной нейтралью. Обоснована допустимость кусочно-линейной аппроксимации с одной точкой излома характеристики намагничивания силового трансформатора при анализе одностороннего насыщения магнитной системы под воздействием ГИТ, вытекающая из ярко выраженного «вентильного» характера основной кривой намагничивания холоднокатаной электротехнической стали в диапазоне значений (0^3 000) А/м напряженности магнитного поля. Показано, что силовые трансформаторы с бронестержневой конструкцией магнитной системы во много раз восприимчивее к воздействию геомагнитной активности, чем силовые трансформаторы со стержневой конструкцией магнитной системы. Полная мощность намагничивания силового трансформатора с бронестержневой конструкцией магнитной системы в условиях геомагнитной активности многократно возрастает и образуется из двух составляющих, одна из которых — реактивная мощность намагничивания — обусловлена основной гармоникой тока намагничивания, а другая — мощность искажения — высшими гармониками тока намагничивания.
    В пятой главе рассмотрено влияние ГИТ на тепловой режим работы силового трансформатора. Получены зависимости превышения температуры наиболее нагретой точки силового трансформатора от величины ГИТ при различных значениях коэффициента загрузки. Установлены предельные значения ГИТ, при которых эксплуатация силовых трансформаторов в нагрузочном режиме становится невозможной.
    В шестой главе исследован механизм влияния геомагнитных возмущений на пропускную способность межсистемной электропередачи, в основе которого лежит модуляция индуктивных сопротивлений намагничивания силовых трансформаторов ГИТ. Определен предел передаваемой мощности межсистемной электропередачи с учетом индуктивностей намагничивания силовых трансформаторов, который изменяется в сторону уменьшения по мере усиления геомагнитной активности.
    Исследованы механизмы влияния интенсивности ГИТ на вариации напряжений в узлах электрической сети. Показано, что поток реактивной мощности в приемную систему при увеличении ГИТ уменьшается вплоть до полного прекращения и последующей инверсии направления передачи, что служит причиной вариаций напряжений в начале и конце межсистемной электропередачи.
    В седьмой главе приведены результаты анализа и моделирования аварии, происшедшей 17 августа 2009года на Саяно-Шушенской ГЭС. Авария может быть объяснена без привлечения предположений о технической неисправности силового и измерительного оборудования, систем автоматики или неверных действиях персонала. Показано, что наиболее вероятная причина аварии — воздействие ГИТ, возбуждаемого природным геоэлектрическим литосферным источником, на главные трансформаторы Саяно-Шушенской ГЭС.
    Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся эксплуатацией и проектированием электрических станций, подстанций и сетей, а также аспирантов и магистрантов электроэнергетических и электротехнических специальностей вузов.

10

ГЛАВА 1.
Источники квазипостоянных геоиндуцированных токов

    1.1. Магнитосферно-ионосферные источники

    Наиболее значительные квазипостоянные геоиндуцированные токи генерируются вариациями геомагнитного поля, возникающими в результате перераспределения токов в магнитосфере и ее внутренней области — ионосфере. Магнитосферное поле Земли сформировано внутриземными токами и токовыми контурами, существующими в околоземном пространстве — магнитосферными токовыми системами. Геометрия контуров, их положение в околоземном пространстве и величины токов, определяются солнечным ветром и межпланетным магнитным полем [53, 56].
    Токи в контурах поддерживаются потоком энергии солнечного ветра, проникающим в магнитосферу. Когда темп поступления энергии в магнитосферу возрастает, интенсивности токов в магнитосферных токовых контурах увеличиваются, меняется их геометрия и положение в пространстве. Это ведет к появлению возмущений (вариаций) геомагнитного поля. Земля — электропроводящий объект, поэтому при вариациях геомагнитного поля в литосфере индуцируются квазипостоянные геоиндуцированные токи и часть энергии из магнитосферы передается в литосферу.
    Интенсивные вариации геомагнитного поля могут возбуждаться также и при значительных выделениях энергии в магнитосфере от техногенных источников — ядерных взрывов [38, 81, 99].
    При сильных вариациях геомагнитного поля в литосфере возбуждаются значительные квазипостоянные геоиндуцированные токи, втекание которых в протяженные электропроводящие коммуникации может оказывать негативное воздействие на работу электрических сетей, трубопроводов, кабельных линий связи [88].

1.1.1. Геомагнитные бури
    Наиболее известным и изученным источником возбуждения квазипостоянных геоиндуцированных токов являются геомагнитные бури, инициируемые солнечным ветром. Солнечный ветер — это поток плазмы, истекающий из солнечной короны в межпланетное пространство и состоящий, в основном, из электронов, протонов и ядер гелия. Магнитное поле Земли постоянно взаимодействуют с ним.
    По оценкам, мощность потока энергии солнечного ветра, налетающего на поперечное сечение магнитосферы, составляет ~ 2-10¹³ Вт, а средняя мощность, проникающая в магнитосферу, ~ 3-10¹¹ Вт [82].
    В первом приближении геомагнитное поле представляет собой поле магнитного диполя. При взаимодействии потока плазмы с магнитным полем Земли, меняются скорость и направление потока, меняется и конфигурация поля. Поле деформируется и принимает характерную форму: на дневной стороне

11

поле сжато, а на ночной формируется длинный магнитный шлейф (хвост) длиной несколько миллионов километров. В результате образуется заполненная плазмой кометообразная магнитная полость — магнитосфера. Эта конфигурация поддерживается магнитосферными электрическими токами.
    В магнитосфере выделяют несколько областей с различными физическими характеристиками: ионосферу, плазмосферу, радиационные пояса, полярные каспы, плазменный слой и другие. Внешней границей магнитосферы является магнитопауза — область, где давление солнечного ветра уравнивается давлением магнитного поля Земли. Геомагнитное поле определяет движение потоков плазмы и структуру плазменных образований.
    Влияние геомагнитного поля на движение плазмы зависит от разреженности воздуха и становится заметным на высотах 100-150 км, а на высотах 400 км и более это влияние является определяющим. На дневной стороне магнитосферы, в магнитопаузе, расположенной на расстоянии от Земли 60-120 тысяч километров, происходит торможение, сжатие, нагрев плазмы солнечного ветра и изменение направления ее распространения.
    Основной поток солнечного ветра обтекает Землю. Однако, часть плазмы за счет столкновительных процессов дрейфует поперек геомагнитного поля и проникает во внутреннюю область магнитосферы — ионосферу, область, расположенную на высоте 50-300 км [53]. Поток солнечной плазмы растекается к полярным каспам (областям вблизи геомагнитных полюсов, простирающимся вплоть до магнитопаузы) и по силовым линиям проникает в нижнюю область ионосферы. Здесь за счет высокой частоты столкновений обеспечивается эффективный переток плазмы в ночную сторону ионосферы. В ионосфере плазма, наряду с нейтральными частицами, содержит значительное количество электронов и ионов, что обеспечивает ее электропроводность. Из ночной стороны ионосферы плазма диффундирует в магнитосферный хвост. Основная часть потока вытекает в направлении от солнца вблизи плоскости магнитного экватора, где напряженность геомагнитного поля минимальна.
    Движение плазменных потоков поддерживает в магнитосфере самосогласованную крупномасштабную систему трехмерных токовых контуров. Это токовые контура хвоста магнитосферы, кольцевой ток, продольные токи и др.
    Флуктуации мощности солнечного ветра вызывают перестройку структуры магнитосферы и, как следствие, изменения в контурах магнитосферных токов. На поверхности Земли эти изменения проявляются как геомагнитные возмущения. Принято определять вариации как разность между наблюдаемым значением вектора напряженности геомагнитного поля и значением, усредненным за некоторый достаточно большой промежуток времени.
    Наиболее интенсивные возмущения геомагнитного поля наблюдаются при магнитных бурях и связаны с перестройкой токовой системы магнитосферы под действием внешних факторов, связанных, прежде всего, с изменением активности Солнца. Вариации геомагнитного поля во время магнитных бурь регистрируются по всему земному шару. Главное проявление бури — глобальное понижение геомагнитного поля, измеряемого на поверхности Земли [53, 56].

12

В средних и низких широтах поле понижается на величину порядка 100 нТл в течение нескольких часов, а восстанавливается в течение нескольких суток. В полярных широтах в это время наблюдаются быстро нарастающие, порядка нескольких минут, интенсивные (100-1000 нТл) возмущения длительностью 1-3 часа, так называемые магнитосферные суббури. Один из основных признаков магнитосферной суббури — полярное сияние.
    Число геомагнитных бурь зависит от активности Солнца и меняется в пределах 2-45 в год. По некоторым оценкам, при интенсивной геомагнитной буре в ионосферу может поступить энергия величиной до 10¹⁸ Дж за время, равное примерно 10⁴ с [85].
    Считается, что в основе механизма геомагнитных бурь лежит перестройка планетарного кольцевого тока при возрастании потока плазмы в ионосферу во время повышенной солнечной активности [56]. Этот ток локализован вблизи плоскости геомагнитного экватора на расстояниях 15 000-40 000 км от Земли и направлен на запад. Он образован ионами, движущимися в приэкваториальной области вокруг Земли на расстояниях 15 000-40 000 км. Различают спокойный кольцевой ток и ток, развивающийся во время магнитной бури. Сила тока в контуре кольцевого тока при спокойном Солнце оценивается в ~1 МА, при магнитной буре ток в контуре достигает ~10 МА [53].
    При перестройке часть кольцевого тока перетекает в контур, формируемый вдоль силовых линий геомагнитного поля. Этот конур замыкается токовым слоем на границе ионосферы с атмосферой. Формирование и движение токового слоя сопровождается геомагнитными возмущениями на поверхности Земли. Характерные частоты возмущений 0,1-10⁻⁴ Гц, амплитуды — до нескольких сотен нТл. Вариации геомагнитного поля индуцируют на поверхности Земли гео-электрическое поле.
    Горизонтальная компонента геоэлектрического поля характеризуется напряженностью величиной порядка 1 В/км с временем изменения от 10 с до одного часа. При этом в грунте возбуждаются квазипостоянные геоиндуциро-ванные токи. Эти токи втекают во все проводящие заземленные в двух и более точках коммуникации (линии электропередач, продуктопроводы, линии связи ит. д.) [109]. При сильных геомагнитных бурях в протяженных линиях электропередач зарегистрированы квазипостоянные ГИТ амплитудой, превышающей 100А[111].

1.1.2. Ядерные взрывы
    Ядерный взрыв является мощным источником ионизирующих излучений. Совокупность этих излучений принято делить на следующие компоненты: мгновенные нейтроны и гамма-кванты; нейтроны и гамма-кванты, образующиеся при распаде осколков деления (радионуклидов); гамма-кванты, рождаемые при неупругом рассеянии нейтронов на ядрах атомов среды распространения; гамма-кванты, рождаемые при захвате нейтронов ядрами атомов среды распространения.

13