Les tempêtes géomagnétiques et leurs effets néfastes

Les éruptions solaires de grande ampleur et les éjections de masse coronale (EMC) qui leur sont associées constituent une activité solaire intense qui, dans certaines circonstances, peut perturber l'environnement spatial proche de la Terre [1]. Les EMC contiennent jusqu'à 10 milliards de tonnes de plasma dont le temps de trajet entre le Soleil et la Terre est d'environ deux jours (avec des durées de transit très variables) [2]. Le plasma du vent solaire des EMC peut interagir avec la magnétosphère, provoquant des changements rapides dans la distribution du champ magnétique terrestre : un phénomène de météorologie spatiale appelé orage géomagnétique (OGM) (voir figure 1). Ces phénomènes peuvent se produire en toute saison et sont relativement indépendants du cycle solaire habituel de 11 ou 12 ans [3].

L'éjection de masse coronale (CME) est régulièrement observée par l'Observatoire solaire et héliosphérique (SOHO), un satellite lancé en 1995 et placé en orbite entre la Terre et le Soleil. La figure 2 illustre le nombre d'événements CME enregistrés par SOHO sur plusieurs années (certaines données pour la fin de 1998 et le début de 1999 sont manquantes).

Les turbulences géomagnétiques (GMS) sont aléatoires en termes d'intensité et de chronologie. Richard Carrington, astronome anglais, a observé et enregistré l'événement survenu en 1859 dès son apparition à la surface du Soleil. Cette tempête, connue sous le nom d'événement de Carrington, est généralement reconnue comme la plus importante jamais enregistrée [4]. Les observations spatiales d'événements célestes ont été réalisées à une époque où les systèmes de transport et de distribution d'électricité n'existaient pas, ce qui rend impossible toute comparaison directe avec les systèmes modernes. L'événement de Carrington a néanmoins perturbé le réseau télégraphique et provoqué des incendies dans certains bureaux de télégraphe. Les GMS génèrent des perturbations impulsionnelles du champ géomagnétique sur de vastes régions géographiques, induisant ainsi des courants (appelés courants géomagnétiques induits ou CGI) sur les longues lignes de transport d'électricité [5], [2]. En raison de la taille de la section transversale de la boucle à un seul tour que représentent la ligne de transport d'électricité et le chemin de retour par la terre, l'intensité des CGI peut être très élevée (de l'ordre de 100 ampères, voire plus).

Les tempêtes géomagnétiques et leurs effets néfastes

Les champs électromagnétiques géomagnétiques (CEM-G) sont caractérisés par une composante ultra-basse (de 0.0001 Hz à 1 Hz) et peuvent interagir avec les réseaux électriques, induisant d'importants courants induits géomagnétiques (CIG) basse fréquence sur les longues lignes de transport (voir figure 3). Les effets néfastes des CIG sur le fonctionnement des grands réseaux électriques comprennent, entre autres : la saturation en demi-cycle des transformateurs de puissance, la génération d'harmoniques, l'augmentation de la demande de puissance réactive et l'échauffement ponctuel des transformateurs [6]. Ces phénomènes peuvent à terme entraîner des dommages aux transformateurs, des creux de tension, des dysfonctionnements des relais et une instabilité du réseau [7–9]. Les effets des échos électromagnétiques circulaires (EEC) sur les réseaux électriques sont détectés régulièrement. Ils ont été observés en 1979, 1982, 1986, 1989, 1992, 1994, 1998, 2000, 2001, 2003 et 2005.

Les pannes de courant généralisées sont moins fréquentes, mais constituent un risque réel. De graves éjections de masse coronale (EMC) se sont produites en 1859 (perturbant le réseau télégraphique), 1921 et 1989, lorsque les compagnies d'électricité américaines et canadiennes ont perdu leur capacité de transport d'électricité sur de vastes zones. Des études récentes révèlent que les perturbations géomagnétiques (PGM) ne se produisent pas uniquement aux hautes latitudes. En effet, les problèmes causés par les courants induits géomagnétiques (CIG) ont également été signalés aux latitudes moyennes et basses [10], [11], notamment en Afrique du Sud, au Brésil et en Chine.

Trois événements majeurs de mousson géomagnétique sont présentés dans le tableau 1. La panne d'Hydro-Québec en 1989, attribuée à une mousson géomagnétique, a affecté les réseaux électriques canadiens et américains, provoquant une importante coupure de courant due au déclenchement en cascade des relais de protection. Des millions de personnes ont été privées d'électricité pendant plusieurs heures [12]. En 2003, le réseau électrique du sud de la Suède a été touché par une importante mousson géomagnétique, générant un courant induit géomagnétique (CIG) d'environ 330 ampères. Suite à la circulation de ce CIG, une ligne de transport de 130 kV a été endommagée. La panne de courant qui en a résulté a duré une heure et a privé d'électricité environ 50 000 clients [13]. La mousson géomagnétique de 2015, la plus importante depuis plus de 15 ans, est communément appelée la tempête de la Saint-Patrick. Durant la période intense de cette tempête, les récepteurs GPS ont été affectés. Ces événements ont initié des recherches approfondies sur les effets des moussons géomagnétiques sur les réseaux électriques.

Mesure et surveillance du GIC

Pour mesurer le GIC dans un système électrique donné, des capteurs à effet Hall, comme illustré sur la figure 4, sont généralement installés sur le conducteur neutre du transformateur sélectionné où, avec un filtrage et un conditionnement appropriés, les courants quasi-DC circulant à travers l'enroulement du transformateur vers la terre sont surveillés [24].

La surveillance des courants induits géomagnétiques (GIC) peut également être réalisée en mesurant le courant neutre de la batterie de condensateurs et du réacteur shunt [25]. Le système Sunburst, qui utilise cette technique, a été développé par l'Energy Policy Research Institute (EPRI) et est utilisé aux États-Unis depuis 2004 (principalement dans le nord-est), au Manitoba (sur une ligne alimentant le Minnesota) [26], ainsi qu'en Angleterre et au Pays de Galles [27]. Le réseau électrique du Minnesota utilise également un capteur de courant continu monté sur un conducteur de phase d'une ligne de transport de 500 kV [25].

La surveillance du courant de neutre des transformateurs peut être effectuée en pratique pour quelques neutres sélectionnés. Par conséquent, pour déterminer le courant induit géomagnétiquement (CIG) sur toutes les lignes de transport, des hypothèses doivent être formulées concernant le champ géoélectrique [28]. Les champs géoélectriques générés par les perturbations géomagnétiques désignent les champs électriques induits par les fluctuations du champ magnétique terrestre. Ces fluctuations peuvent être provoquées par des orages géomagnétiques, c'est-à-dire des perturbations du champ magnétique terrestre causées par des particules chargées provenant du Soleil. Ces particules chargées peuvent interagir avec le champ magnétique terrestre, provoquant des fluctuations et induisant des courants électriques dans la couche conductrice de la Terre. Ces courants électriques induits peuvent générer des champs géoélectriques à la surface de la Terre, qui peuvent être mesurés et utilisés pour étudier la conductivité électrique et la structure du sous-sol terrestre. La relation entre les perturbations géomagnétiques et les champs géoélectriques est complexe et dépend de divers facteurs, notamment la conductivité du sous-sol terrestre et l'intensité de l'orage géomagnétique. Comprendre cette relation est important pour diverses applications, notamment pour prédire les effets de la météorologie spatiale sur les systèmes technologiques, tels que les satellites et les réseaux électriques, ainsi que pour améliorer notre compréhension de l'intérieur de la Terre.

Les courants de neutre des transformateurs servent également à déclencher des événements tels que des alarmes de répartition et des enregistreurs de défauts afin de faciliter la gestion et l'analyse des incidents liés aux courants induits géomagnétiques (CIG) [28]. La quantification de l'effet des CIG est réalisée en surveillant les données et les paramètres du système, notamment les tensions et la consommation de puissance réactive, ainsi que la température de la cuve du transformateur, le dégagement gazeux de l'huile et le bruit et les vibrations du transformateur [28].

Les chercheurs et les entreprises de services publics s'intéressent à une meilleure compréhension des champs électromagnétiques induits par le sol (GS-EMF) à la surface du sol afin de mieux appréhender les courants induits géomagnétiques (GIC). Plusieurs méthodologies et technologies ont été développées à cet égard [29]. Le capteur magnétique, également appelé magnétomètre, mesure l'induction magnétique (intensité du champ magnétique) et est utilisé pour mesurer et enregistrer les données de champ magnétique générées par les GS-EMF [28, 29]. En alternative à la mesure du champ magnétique, certains ont utilisé des dipôles mis à la terre ou isolés pour mesurer les champs électriques [29].

Prédiction du GIC

Les mesures en temps réel enregistrent les courants induits géomagnétiques (CIG) circulant dans le système. Ces mesures sont utiles pour comprendre l'état du système et pour les analyses post-incident, bien qu'elles n'offrent qu'une assurance limitée aux gestionnaires de réseau quant à la capacité du système à résister à un événement de CIG [28, 29]. Si des prévisions de CIG suffisamment précises ne peuvent être établies, la seule option consiste à réagir à chaque CIG susceptible de se produire. Malgré son caractère prudent, cette approche peut engendrer des coûts pour les gestionnaires de réseaux de distribution et de transport en raison de réductions et de redistributions de production inutiles [30].

Une approche simple consiste à réaliser des prévisions de courants induits géomagnétiques (CIG) à partir d'une équation empirique reliant la dérivée temporelle (mesurée) du champ magnétique en dB, en un site donné toutes les trois heures (indice Ap), aux CIG susceptibles d'être injectés dans le réseau électrique via les points de mise à la terre des sous-stations [31]. De même, la mesure quotidienne de la dérivée temporelle en dB est représentée par l'indice Ap, qui peut également servir à la prévision des CIG [44]. De nombreuses organisations utilisent cette méthode pour planifier des activités dépendantes de l'état du champ magnétique terrestre. En termes de précision, ces prévisions sont peu fiables, n'expliquant que 29 % de la variance de l'indice Ap. Pour pallier ce problème, les prévisionnistes exploitent les propriétés de l'indice Ap et les événements solaires (éruptions solaires, éjections de masse coronale et trous coronaux) afin de prédire l'indice Ap du lendemain. Parmi les plus importants figurent la persistance, la récurrence de 27 jours, la variation semi-annuelle et la modulation du cycle solaire [32].

Le principal inconvénient des méthodes de prédiction susmentionnées réside dans le fait qu'après toute modification de la topologie du réseau électrique, il est nécessaire de collecter de nouvelles données empiriques, ce qui les rend peu flexibles. Une technique de modélisation plus sophistiquée repose sur la prédiction de l'électrojet auroral (courant ionosphérique), à ​​partir duquel on obtient les variations du champ magnétique en dB.

Par conséquent, en utilisant la loi de Faraday, le potentiel électrique V à la surface du sol s'écrit :

Le champ géoélectrique peut alors être calculé à partir du potentiel électrique de surface du sol. Différentes approches, telles que l'approche par circuit [33], peuvent ensuite être utilisées pour obtenir les courants induits géomagnétiquement (CIG) à partir du champ géoélectrique associé. Ce calcul, malgré sa simplicité, repose sur la disponibilité d'un modèle de conductivité du sol [34–36], qui n'est pas facile à obtenir.

Une méthode plus efficace en termes de calcul pour prédire les courants induits géomagnétiques (GIC) est basée sur l'impédance de surface terrestre Z (représentant la réponse de la Terre), mesurée ou calculée. Dans cette méthode, le champ géoélectrique (Ey) est obtenu à partir du champ magnétique horizontal (Bx) [35, 36] comme suit ;

Cette approche néglige cependant l'impact des réseaux conducteurs en raison de leur résistance de mise à la terre plus importante par rapport à l'impédance de la surface terrestre.

Modélisation des perturbations géomagnétiques

Pour calculer le courant induit géomagnétique (CIG) d'un système électrique donné, il convient de calculer au préalable les champs électromagnétiques géomagnétiques (CEM-G) à la surface du sol. La plupart des études antérieures ont utilisé un électrojet auroral comme source de CEM-G [37–41]. Ce choix est justifié car, aux hautes latitudes, où les effets géomagnétiques les plus importants sont observés, les perturbations géomagnétiques sont principalement dues à un système de courants d'électrojet auroral, qui comprend un courant intense est-ouest (l'électrojet) dans l'ionosphère [40]. À ce jour, différentes méthodes analytiques [38] et numériques [41] ont été adoptées pour le calcul des CEM-G. Dans [51], la méthode des images complexes (MIC) [37] a été utilisée pour calculer les CEM-G en considérant des sols monocouches et multicouches stratifiés horizontalement. La MIC a démontré une excellente précision dans le cas d'un sol multicouche stratifié horizontalement [38]. Cependant, cette méthode n'est pas applicable aux structures de sol complexes, telles que les sols stratifiés verticalement ou horizontalement-verticalement. De plus, dans certains cas particuliers (longues lignes de transmission), il est nécessaire de prendre en compte la structure 3D réelle du terrain de propagation, ce qui dépasse les capacités des approches 1D classiques [38]. Il convient également de noter que la méthode 1D classique calcule le champ électromagnétique en l'absence de système de ligne de transmission, ce qui réduit sa précision. Plus récemment, les effets d'un sol multicouche mixte sur les champs électromagnétiques (CEM) générés par un électrojet ont été évalués par une méthode des éléments finis (MEF) 2D [41]. Toutefois, cette méthode devient très gourmande en ressources de calcul pour la modélisation 3D précise de terrains de propagation à grande échelle.

Références