Les grandes éruptions solaires et leurs éjections de masse coronale (CME) associées sont des activités solaires intenses qui, dans certaines circonstances, peuvent provoquer des perturbations dans l'environnement spatial proche de la Terre [1]. Les CME contiennent jusqu'à 10 milliards de tonnes de plasma dont le temps de déplacement du soleil à la Terre est d'environ deux jours (mais avec des temps de transit très variables) [2]. Le plasma du vent solaire des CME peut interagir avec la magnétosphère, provoquant des changements rapides dans la distribution du champ magnétique terrestre, une forme de météorologie spatiale appelée tempête géomagnétique (GMS) (voir la figure 1). Ces phénomènes peuvent se produire à n'importe quelle saison et sont quelque peu indépendants du cycle habituel des taches solaires de 11 ou 12 ans [3].
Figure 1: Effet du vent solaire sur le champ magnétique terrestre
Le CME est régulièrement observé par l'observatoire solaire et héliosphérique (SOHO), un vaisseau spatial lancé en 1995 et situé en orbite entre la Terre et le soleil. La figure 2 montre le nombre d'événements CME enregistrés par SOHO sur une période de plusieurs années (certaines données pour la fin 1998 et le début 1999 manquent).
Figure 2: CME enregistrés par l'instrument LASCO sur le vaisseau spatial SOHO, de 1996 à 2010, adapté de [3]
Les GMS sont aléatoires en termes de gravité et de moment. Richard Carrington, un astronome anglais, a observé et enregistré l'événement qui s'est produit en 1859 dès son apparition à la surface du soleil. Cette tempête, connue sous le nom d'événement de Carrington, est généralement reconnue comme étant la plus importante de l'histoire enregistrée jusqu'à présent [4]. Les observations spatiales des événements célestes ont été effectuées pendant une période où les systèmes de transmission et de distribution d'électricité n'existaient pas, ce qui rend impossible les comparaisons directes avec les systèmes modernes. L'événement de Carrington a toutefois perturbé le système télégraphique et provoqué des incendies dans certains bureaux de télégraphie. La GMS produit une perturbation impulsive du champ géomagnétique sur de vastes régions géographiques qui, à son tour, induit des courants (appelés courants induits géomagnétiquement ou GIC) sur les longues lignes de transmission [5], [2]. En raison de la taille de la surface transversale de la boucle à un seul tour représentée par la ligne de transmission électrique et du chemin de retour au sol, le GIC peut être assez important (de l'ordre de 100 ampères ou même plus).
Une évaluation appropriée du GIC et de son effet sur les systèmes électriques nécessite la modélisation d'un système à grande échelle intégrant de longues lignes de transmission de l'ordre de centaines de kilomètres où une structure 3D réaliste du terrain de propagation doit être prise en compte.
Tempêtes géomagnétiques et leurs effets négatifs
Les champs électromagnétiques de la GMS (GS-EMF) sont caractérisés par un contenu en fréquence ultra-basse (de 0,0001 Hz à 1 Hz) et peuvent interagir avec les systèmes électriques, entraînant des GIC basse fréquence importants sur les longues lignes de transmission, voir la figure 3. Les effets négatifs des GIC sur le fonctionnement des systèmes électriques en vrac sont, mais sans s'y limiter : la saturation à mi-cycle dans les transformateurs de puissance, les harmoniques et l'augmentation de la demande de puissance réactive et la chaleur localisée du transformateur [6]. Ces effets peuvent finalement entraîner des dommages au transformateur, des baisses de tension, un mauvais fonctionnement des relais et une instabilité du système [7–9]. Les effets des CME sur les systèmes électriques sont détectés tous les quelques années. Ces effets ont été observés en 1979, 1982, 1986, 1989, 1992, 1994, 1998, 2000, 2001, 2003 et 2005.
Les pannes de courant à grande échelle se produisent moins fréquemment, mais constituent un risque définitif. De graves événements CME se sont produits en 1859 (perturbant le système télégraphique), 1921 et 1989, lorsque les services publics américains et canadiens ont perdu leurs capacités de transmission d'électricité sur de vastes zones. Des études récentes révèlent que les GMD ne se produisent pas seulement aux hautes latitudes. En fait, les problèmes causés par les GIC ont également été signalés aux latitudes moyennes et basses [10], [11], comme en Afrique du Sud, au Brésil et en Chine.
Figure 3: Tempête géomagnétique modélisée par un électrojet et son GIC associé sur les lignes de transmission aériennes.
Trois événements GMD majeurs sont présentés dans le tableau 1. La panne de courant d'Hydro-Québec en 1989, qui est attribuée à une GMS, a affecté les systèmes électriques canadiens et américains, provoquant une panne de courant majeure due au déclenchement en cascade des relais de protection. Des millions de personnes pendant plusieurs heures n'ont pas eu accès à l'électricité [12]. En 2003, le réseau électrique du sud de la Suède a été touché par une forte GMS qui a entraîné un GIC d'environ 330 ampères. À la suite du flux de ce GIC, une ligne de transmission de 130 kV a été mise hors service. La panne de courant qui a suivi a duré une heure et a laissé environ 50 000 clients sans électricité [13]. La GMS de 2015 était la plus importante depuis plus de 15 ans et est populairement connue sous le nom de tempête de la Saint-Patrick. Pendant la période intense de la tempête, les récepteurs du système de positionnement global (GPS) ont été affectés. Ces événements ont déclenché des recherches approfondies sur les effets des GMD sur les systèmes électriques.
Tableau 1: Principales GMS et leurs effets négatifs
| Événement passé | Année | Effet |
|---|---|---|
| GMS de mars 1989 | 1989 | Déclenchement en cascade des relais de protection d'Hydro-Québec qui a entraîné une panne de courant qui a affecté des millions de consommateurs. |
| La tempête solaire d'Halloween | 2003 | Le GIC avec une magnitude de 330 A a entraîné une panne de courant à grande échelle en déconnectant une ligne de transmission de 130 kV. |
| Tempête de la Saint-Patrick | 2015 | La plus grande tempête depuis plus de 15 ans. L'indice planétaire (Kp) a atteint 8 sur 9. Les signaux des récepteurs GPS ont été altérés. |
Mesure et surveillance des GIC
Pour mesurer le GIC dans un système électrique donné, des capteurs à effet Hall, comme le montre la figure 4, sont généralement installés sur le conducteur neutre du transformateur sélectionné où, avec un filtrage et un conditionnement appropriés, les courants quasi-CC qui circulent à travers l'enroulement du transformateur jusqu'au sol sont surveillés [24].
Figure 4: Capteur à effet Hall installé sur le point neutre d'un transformateur pour mesurer le GIC
La surveillance des GIC peut être effectuée alternativement en mesurant le courant neutre de la batterie de condensateurs et du réacteur shunt [25]. Le système Sunburst, qui utilise cette technique, a été mis au point par l'Energy Policy Research Institute (EPRI) et est utilisé aux États-Unis depuis 2004 (principalement dans le nord-est), au Manitoba (sur un chargeur alimentant le Minnesota) [26], et en Angleterre et au Pays de Galles [27]. Le système électrique du Minnesota utilise également une mesure de courant continu direct montée sur un conducteur de phase d'une ligne de transmission de 500 kV [25].
Le principal inconvénient de cette technique de surveillance en temps réel est l'incapacité à fournir l'avertissement nécessaire pour prendre des mesures correctives afin de protéger le système électrique contre les GIC [26]. Presque toutes les techniques de surveillance en temps réel souffrent de cet inconvénient. La surveillance du courant neutre du transformateur peut être effectuée pratiquement pour quelques neutres sélectionnés. Par conséquent, pour déterminer le GIC sur toutes les lignes de transmission, des hypothèses doivent être faites concernant le champ géoélectrique [28]. Les champs géoélectriques générés par les champs électromagnétiques des perturbations géomagnétiques font référence aux champs électriques qui sont générés à la suite de fluctuations du champ magnétique terrestre. Ces fluctuations peuvent être causées par des tempêtes géomagnétiques, qui sont des perturbations du champ magnétique terrestre causées par des particules chargées provenant du soleil. Ces particules chargées peuvent interagir avec le champ magnétique terrestre, le faisant fluctuer 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 de la Terre et la structure souterraine. 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 la tempête géomagnétique. Comprendre cette relation est important pour une variété d'applications, y compris la prédiction des effets de la météo 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 neutres des transformateurs sont également utilisés pour déclencher des événements tels que des alarmes d'expédition et des enregistreurs de défauts afin de faciliter la gestion et l'analyse des incidents de GIC [28]. La quantification de l'effet GIC est effectuée en surveillant les données et les paramètres du système, notamment les tensions du système et la consommation de puissance réactive, ainsi que la température du réservoir du transformateur, le dégagement de gaz de l'huile du transformateur et le bruit et les vibrations du transformateur [28].
Les chercheurs et les entreprises de services publics s'intéressent à mieux comprendre les GS-EMF à la surface du sol afin de mieux comprendre le 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), est utilisé pour mesurer et enregistrer les données du champ magnétique initiées à partir des 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 tiennent un registre des GIC qui circulent dans le système. Cela est utile pour comprendre l'état du système et pour les analyses post-événement, bien que cela offre une garantie limitée aux opérateurs du système que le système survivra à un événement de GIC [28, 29]. Si des prédictions de GIC raisonnablement précises ne peuvent pas être faites, la seule option est de réagir à chaque GIC qui pourrait potentiellement se produire. Malgré une approche conservatrice, en adoptant cette approche, les propriétaires de réseaux de services publics et de transmission peuvent subir des coûts inutiles en raison d'une réduction et d'une redistribution inutiles de la production [30].
Une approche simple consiste à effectuer des prévisions de GIC en fonction d'une équation empirique qui relie la dérivée temporelle observée (mesurée) du champ magnétique dB , à un site donné toutes les trois heures (indice ap) et les GIC qui peuvent circuler dans le réseau électrique par le biais de points de mise à la terre dans les postes [31]. De même, la mesure quotidienne de la dérivée temporelle dB est représentée dans l'indice Ap qui peut également être utilisé pour la prédiction des GIC [44]. De nombreuses organisations utilisent cette méthode pour planifier les activités qui dépendent de l'état du champ magnétique terrestre. En termes de précision, ces prévisions ne sont pas très précises, ne tenant compte que de 29 % de la variance d'Ap. Pour surmonter ce problème, les prévisionnistes utilisent les propriétés d'Ap et les événements du soleil (c.-à-d. les éruptions solaires, les éjections de masse coronale et les trous coronaux) pour prédire Ap pour le lendemain. Les plus importants sont la persistance, la récurrence de 27 jours, la variation semestrielle, ainsi que la modulation du cycle solaire [32].
La principale lacune des méthodes de prédiction susmentionnées est qu'à la suite de changements de topologie du système électrique, un nouvel ensemble de données empiriques doit être collecté, ce qui rend ces méthodes inflexibles. Une technique de modélisation plus sophistiquée repose sur la prédiction du soi-disant électrojet auroral (courant ionosphérique) à partir duquel les variations du champ magnétique dB/dt sont obtenues. Par conséquent, en utilisant la loi de Faraday, le potentiel électrique de surface V se lit comme suit :
Le champ géoélectrique peut ensuite être calculé à partir du potentiel électrique de surface. Par la suite, différentes approches telles que l'approche de circuit [33] peuvent être adoptées pour obtenir le GIC à partir du champ géoélectrique associé. Ce calcul, malgré sa simplicité, repose sur la disponibilité du modèle de conductivité terrestre [34–36] qui n'est pas facile à obtenir.
Une méthode plus efficace sur le plan informatique pour prédire le GIC est basée sur l'impédance de surface terrestre Z mesurée ou calculée (représentant la réponse de la Terre). Dans cette méthode, le champ géoélectrique (Ey) est obtenu à partir du champ magnétique horizontal (Bx) [35, 36] comme suit :
avec µ0 étant la perméabilité magnétique du vide. Cette approche, cependant, ne tient pas compte de l'impact des réseaux conducteurs en raison de leur plus grande résistance de mise à la terre par rapport à l'impédance de surface terrestre.
Modélisation des perturbations géomagnétiques
Pour calculer le GIC pour un système électrique donné, les GS-EMF à la surface du sol doivent d'abord être calculés. La majorité des études précédentes ont utilisé un électrojet auroral comme source de GS-EMF [37–41]. Ce choix est raisonnable car, aux hautes latitudes, où les effets géomagnétiques les plus importants sont observés, les perturbations géomagnétiques sont principalement dues à un système de courant d'électrojet auroral, qui contient 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 GS-EMF. Dans [51], la méthode d'image complexe (CIM) [37] a été utilisée pour calculer les GS-EMF en considérant à la fois des sols multicouches monocouches et stratifiés horizontalement. Le CIM a démontré une excellente précision pour 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, pour des cas particuliers (longues TL), la structure 3D réaliste du terrain de propagation doit être prise en compte, 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 (EMF) générés par un électrojet ont été évalués par une méthode des éléments finis (FEM) en 2D [41]. Cependant, cette méthode devient coûteuse en calcul pour une modélisation 3D précise des terrains de propagation à grande échelle.