[論文レビュー] Global transformer overheating from geomagnetic storms

M. L. Rivers, Lukasz G. Gajewski+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2024

Magnetic Properties and ApplicationsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、地磁気嵐によるトランスフォーマー過熱リスクを、地球電気場、グローバルな電導率モデル、および高圧トランスフォーマーの熱シミュレーションを用いて、グローバルスケールのフレームワークを開発した。極端な10,000年に1度の嵐が、ヨーロッパの0.99％（740万人以上）および北アメリカの0.86％（410万人以上）の人口に長期停電を引き起こすと推定された。

ABSTRACT

Geomagnetic storms occurring due to sustained, high-speed solar winds are known to induce currents in power distribution networks. These geomagnetically induced currents (GICs) can cause high voltage transformers (HVT) to overheat, thus resulting in a catastrophic electricity loss event (CELE). Since significant portions of infrastructures around the world rely heavily on access to electric power, it is essential to estimate the risks associated with GICs on a global scale. We assemble multiple methodologies across various scientific disciplines to develop a framework assessing the probability of a severe geomagnetic storm causing a long-term, widespread power outage. Our model incorporates thermal models of HVT tie bar hot spots, historical geoelectric field estimates, and a global conductivity model to estimate the risk of long-term power outage for regions between -70 degrees and 80 degrees geomagnetic latitude due to transformer overheating failure. Assuming a uniform 33% HVT spare capacity, our analysis indicates that a 1 in 10,000 year storm would result in approximately 1% of the population in Europe and North America experiencing a long-term (months to years) electricity loss.

研究の動機と目的

• 電力網におけるgeomagnetically induced currents (GIC) のグローバルスケールのリスクアセスメントが不足しているという問題に対処すること。
• 深刻な地磁気嵐によるトランスフォーマー過熱に起因する、大規模な電力喪失（CEL）の発生確率と人口への影響を定量化すること。
• 十分なグリッドおよび地球物理学的データが得られる地域に対して、オープンソースでスケーラブルなモデリングフレームワークを構築すること。
• 政策立案者およびインfra構築計画者に、宇宙天気によるグローバルな大規模リスクについての知見を提供すること。

提案手法

• 地上局の歴史的地磁気場データと磁気電気的（MT）伝達関数を統合し、地球電気場を推定する。
• グローバル電導率モデルを適用して、データが限られた地域への地球電気場推定値の外挿を実施する。
• 高圧トランスフォーマー（HVT）のタービンバー熱スポットの熱モデルを用い、GIC露出下での過熱故障を予測する。
• OpenStreetMapおよびNERC/EPRIデータからのグリッドトポロジーと、トランスフォーマー故障確率を統合し、地域別電力喪失を推定する。
• 調整済みの地球電気場レベルにログ正規分布フィットを適用し、基準地点における嵐の再発頻度と強度を推定する。
• 標準的なハードウェアで動作するオープンソースのPythonコードでモデルを実行し、スーパーコンピュータリソースを必要としない。

Figure 2: Peak $60$ -second geoelectric field magnitude for a $1$ -in- $100$ year storm in Europe (top) and North America (bottom). The colour indicates the field level [V/km].

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地磁気嵐によるトランスフォーマー過熱のグローバルリスクは何か、特に極端な出来事においては？
• RQ2 10,000年に1度の嵐において、ヨーロッパおよび北アメリカの人口は、長期停電確率とどのように関係するか？
• RQ3 限られた磁気電気的データを用いて、地球電気場推定値をグローバルスケールに外挿できる範囲はどの程度か？
• RQ4 トランスフォーマーの予備容量およびグリッドトポロジーの変動が、広範な停電の発生確率に与える影響は？
• RQ5 GIC誘発トランスフォーマー故障をスケールで評価できる統合的でオープンソースのモデリングフレームワークを構築できるか？

主な発見

• 10,000年に1度の地磁気嵐では、ヨーロッパの約0.99％（740万人以上）の人口が長期的な電力喪失を被ると推定された。
• 北アメリカでは、同じ嵐が0.86％の人口（410万人以上）に長期停電を引き起こすと推定された。
• 極端な出来事において、ヨーロッパでの総予想電力喪失は49.71 GW、北アメリカでは56.12 GWと推定された。
• このフレームワークはオープンソースであり、標準的な個人用コンピュータでも実行可能で、広範な利用可能性と地域への適応性を実現している。
• 本研究では、グリッドおよび磁気電気的データの不足が主な制約要因であることが判明したが、モデル構造そのものではない。
• 本モデルは、GIC誘発トランスフォーマー故障のグローバルリスクアセスメントの基盤となり、将来のGDPや産業影響指標への拡張が可能である。

Figure 3: European substations at risk of electricity loss after a $1$ -in- $10000$ year storm. Colour indicates the fraction of HVTs we expect to fail within a given Voronoi tile.