В понедельник, 28 апреля, в Испании и Португалии на много часов вырубился свет. Как говорят в новостях, причины не известны, есть только догадки, начиная от хакерской атаки, заканчивая резким изменением погоды. Большинство, конечно, с бОльшим удовольствием поверит в то, что за отключениями стоят кремлёвские диверсанты, но на самом деле куда более вероятна версия с резким изменением погоды, из-за которого произошли «аномальные колебания».
Хотя некоторые сомневаются в этой формулировке, физические законы подтверждают: подобный сценарий возможен. Разберемся, как колебания проводов могли парализовать энергосистему целых стран.
Провода линий электропередач (ЛЭП) — это не просто статичные металлические нити или троса. Они представляют собой упругие системы, которые при определенных условиях начинают колебаться, как гитарные струны, когда их поддевают пальцем. Электрические высоковольтные провода, естественно, пальцем никто не поддевает, но есть другие внешние силы.
Под действием ветра, особенно порывистого, провода могут войти в режим автоколебаний — периодических движений, которые поддерживаются нерегулярной внешней силой. Это похоже на то, как смычок заставляет скрипичную струну вибрировать, даже если движение руки не строго ритмично.
Ещё у каждого провода, как у струны, есть собственная частота колебаний, зависящая от его массы, длины и натяжения. Если частота ветровых порывов совпадает с этой частотой, возникает резонанс — амплитуда колебаний резко возрастает. В качестве примера можно вспомнить разрушение Такомского моста в США в 1940 году, где ветер вызвал резонанс, превративший конструкцию в «прыгающую» ленту.
Чтобы такого не происходило, на провода устанавливают специальные демпферы, которые гасят такие колебания. Их видно на фотографии ниже — это такие маленькие гирьки на проводах.
Почему же они не помогли? Говорят, что в день аварии резкий перепад температуры, из-за которого, вероятно, изменились физические параметры проводов.
Например, при нагреве алюминиевые жилы проводов удлиняются (коэффициент расширения алюминия — ~23×10⁻⁶ на °C). Это снижает их натяжение и смещает собственную частоту. А при охлаждении всё наоборот. Говорят, что в тот день перепад температуры был до 20 градусов. При этом усугубить ситуацию могло то, что участки проводов на солнце и в тени расширяются по-разному, создавая механические напряжения.
Но вернёмся к демпферам. Они настраиваются на определенный диапазон собственных частот провода. И по всей видимости этого диапазона не хватило при резком изменении погоды. Демпферы не успели адаптироваться к резким изменениям температуры и ветра. Плюс к этому, скорее всего, добавилось то, что многие демпферы проектировались для климатических условий прошлого, а не для современных экстремальных перепадов последних десятилетий.
В Канаде в 1998 году обледеневшие провода под действием ветра вошли в резонанс, что привело к обрушению вышек. После этого демпферы стали делать более адаптивными, но не везде.
И тут у кого-то может возникнуть вопрос: ну и что? Ничего не обрушилось же? Ну, повибрировали провода, а электричества-то почему вырубило?
Дело в том, что вибрации проводов — это не только механическая проблема. Они запускают каскад электромагнитных процессов. Колебания проводов меняют их геометрию, что влияет на ёмкость (расстояние между проводами) и индуктивность (форма магнитного поля). Это приводит к скачкам реактивного сопротивления, что нарушает баланс тока и напряжения.
Тут бы, конечно, хорошо углубиться в физику и записать несколько формул, но я постараюсь сдержаться и объяснить всё простыми словами, но школьную физику вспомнить всё равно придётся.
Движущиеся в магнитном поле провода генерируют паразитные токи (закон Фарадея). Это вызывает рассинхронизацию фаз: в одной части сети ток опережает напряжение, в другой — отстает. Причём это может происходить даже на одном участке в разных проводах. Эти аномалии (скачки тока, рассинхрон) регистрирует релейная защита и отключает линии, чтобы предотвратить повреждение трансформаторов и генераторов.
В принципе, ситуация штатная, система просто перераспределяет электричество на другие линии. Но почему тогда Испания и Португалия остались без света?
Вероятно потому, что обе страны — часть общеевропейской энергосистемы (ENTSO-E). Когда несколько ключевых линий вышли из строя, электроэнергия перенаправилась по другим магистралям, но произошла перегрузка.
Аналогия: Представьте, что все водители на трассе одновременно резко тормозят из-за одной аварии. Возникает пробка, хотя сама авария была локальной.
Например, линия на 400 кВ может передавать до 2000 МВт. Если нагрузка превышает этот предел, провод нагревается и провисает, усиливая вибрации. А каждое следующее отключение увеличивает нагрузку на соседние линии. В итоге вырубается всё, наступает блэкаут.
В 2003 году подобный сценарий уже оставил без света 55 млн человек в США и Канаде.
И тут возникает другой вопрос: могли ли власти предотвратить аварию? Технически — да, но это требовало масштабных инвестиций и прогнозирования. Например, можно было использовать умные демпферы, как в Японии, с датчиками температуры и вибрации, которые подстраиваются под изменения в реальном времени. Можно было использовать провода из композитных материалов (например, алюминий с углеволокном), которые меньше расширяются при нагреве. А можно было грамотно анализировать данные с дронов и датчиков, как делают в Калифорнии, прогнозируя нагрузку и перераспределяя энергию.
Какой вывод из всей этой ситуации? А такой, что, если перепад температуры в 10-20 градусов способен обесточить страны, значит, инфраструктура не готова к климатическим реалиям. Решение — не только новые технологии, но и пересчет старых норм. Например, в Канаде после 1998 года провода стали проектировать с запасом прочности на 50% выше. Пока такие меры не станут глобальными, «аномальные вибрации» будут угрожать всем.
Напоминаю, что это лишь одна из версий, а моей целью было показать, что версия весьма реалистичная. Если было интересно, не забывайте ставить лайк и подписывайтесь на мой Телеграм...
______________________________
Свежие комментарии