1989年魁北克停电-电网地磁风暴漏洞

魁北克大停电1989年——电网对地磁暴的脆弱性

1989年的魁北克大停电，还会再次发生吗？甚至更糟？是的，肯定会，而且最终必将如此。

我们最关键的基础设施——电力电网

电力电网，其基础设施显然是我们社会最重要的资产之一。
它让我们依赖数字技术和准时制配送系统。
我们已经离不开可靠的电力供应来驱动生活的几乎各个方面。

电力电网是我们最关键的基础设施之一，几乎支撑着一切。
正因为如此，电网的可靠性已成为维持我们大多数人生命的必需。

北美电力电网系统

北美电力电网系统拥有超过20万公里的高压输电线路、数千座发电厂和数百万个数字控制器。
其复杂性如下：

超过1800个实体拥有和运营着北美系统的部分，这些实体规模大小不一，从拥有超过20000名员工的大型投资者所有的公用事业公司，到仅有10人的小型合作社都有。
由于涉及的数量众多，在整个系统中采用了许多不同的方法、配置和设计，这在考虑脆弱性和假设问题的解决方案时增加了复杂性。

地磁威胁

地磁扰动，即太阳天气对地球的影响，对电力部门是一种威胁。
系统基础设施上的地磁感应电流可能导致关键输电线路广泛跳闸，并对大型变压器造成不可逆转的物理损坏。
1989年导致魁北克水电系统停电的事件无疑证明了地磁脆弱性及其潜在后果。

某些系统组件（例如特高压变压器）的大规模物理损坏，可能导致长时间停电，因为这些组件的采购周期从数月到数年不等。
许多这样的组件是在海外制造的，北美在这方面几乎没有剩余的制造能力。

地磁暴——日冕物质抛射（CME）

强烈的太阳活动，如大型太阳耀斑和相关的日冕物质抛射，当这些活动朝向地球时会产生扰动。
日冕物质抛射的太阳风等离子体可以与地球的磁层连接，从而导致地球磁场配置迅速变化，形成地磁暴。

地磁暴会在广阔的地理区域产生地磁场的脉冲式扰动，进而使全球复杂的电力电网系统和其他高压电力系统中感应出电流（称为地磁感应电流或GIC）。

已经进行了多项调查（电磁脉冲委员会、根据行政命令13407下的联邦紧急事务管理局、联邦能源管理委员会、能源部、国土安全部和国防部），这些调查检查了严重地磁暴事件和电磁脉冲威胁对美国电力电网的潜在影响。
结果表明，严重的地磁暴有可能导致北美电网大面积长时间停电。

1989年3月13 - 14日魁北克大停电

北美最著名的是1989年3月13 - 14日的地磁暴，它导致了1989年的魁北克大停电。
这场风暴在1989年3月13日凌晨导致魁北克水电系统崩溃。
从上午2:44（美国东部标准时间）开始，魁北克电网的运行正常。
当时，沿着美加边境地球的地磁场突然出现一个大脉冲，这引发了一系列电力系统扰动事件，仅92秒后就导致魁北克互联电网崩溃。

导致这一事件的地磁暴被认为是1989年3月10日和12日发生的两次日冕物质抛射（CME）的结果。
几天前的3月6日，还发生了一次非常大的X15级太阳耀斑。
几天后，3月13日01:27（世界时），一场严重的地磁暴袭击地球。
这场风暴以极地极其强烈的极光开始，极光向南甚至远至得克萨斯州和佛罗里达州都能看到！

美国电网也受到影响

魁北克大停电绝不是局部事件。
一些美国的电力公用事业公司也有自己的惊险问题要处理。
魁北克电网瘫痪时，纽约电力公司瞬间损失了150兆瓦电力；几乎同一时间，新英格兰电力联营体损失了1410兆瓦电力。
新英格兰96家电力公用事业公司的服务中断，同时其他电力储备上线。
幸运的是，当时美国刚好有备用电能……但也仅仅是勉强够用。
从美国东海岸到西海岸，在3月13日风暴开始后的几分钟内，超过200个电网问题爆发，幸运的是没有一个导致停电。

我从一位当地目击者那里在网上看到这样的描述：

1989年3月13日晚上，我和女友及其父母在他们家的后院，我抬头望着天空。
天空几乎像着了火一样，红色和粉色的等离子体像布幔一样从头顶正上方呈圆形向外流出，蓝色和白色的条纹像氙气闪光灯一样偶尔在天空中闪烁。
我们甚至能听到周围有嘶嘶作响、噼啪作响的声音。
我们四个人站在那里，对我们有幸目睹的北极光感到敬畏。

哇，他们居然能听到嘶嘶声和噼啪声！

1989年魁北克大停电技术细节

风暴引起的大地电流在拉格兰德网络上产生了相当强度的谐波电压和电流。
735千伏网络上的电压不对称达到了15%。
不到一分钟，线路上的七个拉格兰德网络静止无功补偿器一个接一个地跳闸……随着最后一个静止无功补偿器的失去，拉格兰德网络的电压急剧下降（0.2标幺值），以至于通往蒙特利尔的五条线路因失步（虚拟故障）而跳闸，整个网络断开。
9450兆瓦发电量的损失导致负荷中心变电站的频率急剧下降。
自动低频减载控制正常工作，但它们不是为从相当于大约一半系统负荷的发电损失中恢复而设计的。
其余电网在25秒内逐块崩溃。

1989年魁北克大停电——图像展示了四分钟内地面地磁增强情况

使用传统的美国国家海洋和大气管理局（NOAA）地磁暴指数，1989年3月的这场风暴被列为有记录以来（自1932年开始排名）第三大地磁暴。

特高压（EHV）变压器/输电线路

过去50年里，北美的电力需求急剧增长。
因此，为了支持这些能源需求，特高压（EHV）变压器基础设施也得到了发展。

地磁暴—— 高压输电网呈现出复杂的网络拓扑结构，通过多个接地点几乎像天线一样与地磁场扰动产生的地电场耦合。

美国拥有80000公里的特高压（EHV）输电线路，构成了骨干输电网，这使得国家能够进行长距离电力运输。
EHV变压器是输电网上的关键设备，90%的用电量在某个时刻都会经过高压变压器。
如果这些变压器失败，特别是大量失败的话，那将是个很大的问题。
EHV变压器体积巨大，重达数百吨，因此运输极为困难，在某些情况下必须使用特殊的铁路车厢（而且这种车厢数量有限）。
美国安装的许多EHV变压器即将达到或超过其设计寿命（大约30 - 40年），这增加了它们故障的脆弱性。

EHV变压器/输电线路——对严重地磁暴很脆弱

技术方面：高压网络的运行电压水平从20世纪50年代100 - 200千伏的设计阈值提高到如今网络的345 - 765千伏特高压水平。
结果是，随着电压等级的变化，电阻比显著不同，765千伏线路的电阻大约比115千伏线路低10倍。
一般来说，电压等级越高，单位距离（每公里欧姆数）的电阻抗越低，这将在相同的地磁扰动环境下，在765千伏元件中产生大约10倍更大的地磁感应电流。

变压器的设计也进一步加剧了电网高压部分GIC电流的影响。
虽然在这些大型高压变压器中比例更大的GIC电流流动，但EHV变压器饱和时的GIC电流水平与低电压变压器相同。
当GIC使变压器的磁芯饱和并使磁通溢出正常磁芯钢磁路时，变压器会因杂散磁通产生过度的内部发热。

有详细记录的案例表明，这种发热故障导致这些变压器中的大电流铜绕组和引线熔化和烧穿。
图像：1989年风暴导致新泽西州价值1000万美元的变压器损坏。

这些变压器通常无法在现场修复，因此，如果以这种方式损坏，可能需要用新单元替换。
令人担忧的是，这些单元在世界市场上的制造交货时间为12 - 24个月或更长时间。

没有电现代文明将崩溃

没有电的话，当今现代文明中的大部分人将在一个月内，最多两个月内死亡。
这将是一场难以想象的恐怖。

可以阅读《一秒之后》这本书来做个现实检验……

（本文部分信息来源于北美电力可靠性公司和美国能源部2009年题为《北美大型电力系统高风险、低频率事件风险》的工作坊报告）

引用：https://modernsurvivalblog.com/emp/geomagnetic-storm-power-system-transformer-emp-threat/
原文: https://s4.tttl.online/blog/1736071978/