@PhDThesis{EspinosaSarmiento:2022:MoGeIn,
author = "Espinosa Sarmiento, Karen Viviana",
title = "Modeling geomagnetically induced currents in brazilian power
networks using 3-D models to represent the subsurface electrical
conductivity structure",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2022",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2022-08-11",
keywords = "3-D resistivity model, geomagnetic storms, geoelectric field,
power transmission network, GIC modeling, modelo 3-D de
resistividade el{\'e}trica, tempestades geomagneticas, campos
geoel{\'e}tricos, redes de transmiss{\~a}o de energia, modelagem
de GIC.",
abstract = "Geomagnetically induced currents (GICs) result from the
interaction of the temporal variation of the geomagnetic field
with the deep electrical resistivity structure of the Earth. These
currents can pose hazards to grounded technological systems during
major disturbances of the geomagnetic field. A current methodology
for simulating GICs in electric power transmission lines during
geomagnetic storms was implemented in this thesis to assess
potential risks of these currents in Brazilian power networks. It
is based on the use of geomagnetic data measured at the surface,
3-D models of the electrical resistivity distribution inside the
Earth and knowledge of transmission line engineering parameters.
The precise resistances of the network components are unknown and
therefore assumptions were made to calculate the GIC fluxes from
the derived geoelectric field. This methodology was used to
simulate GICs during geomagnetic storms in simplified
representations of real power networks in the south-southeast and
north-northeast regions of Brazil, affected by the South Atlantic
Magnetic Anomaly and the Equatorial Electrojet, respectively. In
the south-southeast region, two intense geomagnetic storms in June
and December 2015 were chosen and geoelectric fields were
calculated by convolution of a 3-D resistivity model derived under
the Paran{\'a} basin with geomagnetic variations recorded by
magnetometers from the EMBRACE program. The largest GICs were
modeled in regions of high resistivity concentrated in an isolated
substation at the north end of the network and in a cluster of
substations in its central part where the E-W oriented
transmission lines coincide with the orientation of the estimated
geoelectric field. The maximum magnitude of the modeled GIC was
9.08 A during the main phase of the June storm, estimated at a
northern substation, while the lowest magnitudes were found over
prominent crustal anomalies along the Paran{\'a} basin axis and
bordering the continental margin. In the north-northeast region,
three storms recorded during the operation of a magnetometer array
in 1990-1991 were modeled using a 3-D resistivity model derived
under the Parna{\'{\i}}ba basin. The largest GICs were modeled
in substations of a central branch in the E-W direction of the
transmission network, located on more resistive blocks of the 3-D
model and parallel to the main direction of the estimated
geoelectric currents. The maximum magnitude of the modeled GIC at
these substations was 6.24 A at one of these central grid stations
during an intense storm in November 1990. These simulation results
will be used by the EMBRACE to identify optimal substations for
installing monitoring sensors measuring real GIC values for
validation efforts of the developed methodology. RESUMO: Correntes
induzidas geomagneticamente (GICs) resultam da
intera{\c{c}}{\~a}o da varia{\c{c}}{\~a}o temporal do campo
geomagn{\'e}tico com a estrutura de resistividade el{\'e}trica
profunda da Terra. Essas correntes podem representar perigos para
sistemas tecnol{\'o}gicos de grande porte aterrados durante
grandes dist{\'u}rbios do campo geomagn{\'e}tico. Uma
metodologia atual para simula{\c{c}}{\~a}o de GICs em linhas de
transmiss{\~a}o de energia el{\'e}trica durante tempestades
geomagn{\'e}ticas foi implementada nesta tese para avaliar os
riscos potenciais dessas correntes nas redes el{\'e}tricas
brasileiras. Baseia-se no uso de dados geomagn{\'e}ticos medidos
na superf{\'{\i}}cie, modelos 3-D da distribui{\c{c}}{\~a}o de
resistividade el{\'e}trica no interior da Terra e conhecimento de
par{\^a}metros de engenharia das linhas de transmiss{\~a}o.
Valores precisos das resist{\^e}ncias dos componentes da rede
n{\~a}o s{\~a}o conhecidos e, portanto, foram feitas
suposi{\c{c}}{\~o}es para calcular os fluxos GIC a partir do
campo geoel{\'e}trico obtido. Essa metodologia foi utilizada para
simular GICs durante tempestades geomagn{\'e}ticas em
representa{\c{c}}{\~o}es simplificadas de redes el{\'e}tricas
reais nas regi{\~o}es sul-sudeste e norte-nordeste do Brasil,
afetadas respectivamente pela Anomalia Magn{\'e}tica do
Atl{\^a}ntico Sul e pelo eletrojato equatorial. Na regi{\~a}o
sul-sudeste, foram escolhidas duas tempestades geomagn{\'e}ticas
intensas ocorridas em junho e dezembro de 2015 e os campos
geoel{\'e}tricos foram calculados por convolu{\c{c}}{\~a}o de
um modelo de resistividade 3-D derivado sob a bacia do Paran{\'a}
com varia{\c{c}}{\~o}es geomagn{\'e}ticas registradas por
magnet{\^o}metros do programa EMBRACE. As maiores GICs foram
modeladas em regi{\~o}es de alta resistividade concentradas em
uma subesta{\c{c}}{\~a}o isolada na extremidade norte da rede e
em um aglomerado de subesta{\c{c}}{\~o}es em sua parte central
onde as linhas de transmiss{\~a}o orientadas na
dire{\c{c}}{\~a}o E-W coincidem com a orienta{\c{c}}{\~a}o do
campo geoel{\'e}trico estimado. A magnitude m{\'a}xima da GIC
modelada foi de 9,08 A durante a fase principal da tempestade de
junho, estimada em uma subesta{\c{c}}{\~a}o da regi{\~a}o
norte, enquanto as magnitudes mais baixas foram encontradas sobre
anomalias crustais proeminentes ao longo do eixo central da bacia
do Paran{\'a} e margeando a margem continental. Na regi{\~a}o
norte-nordeste, tr{\^e}s tempestades registradas durante a
opera{\c{c}}{\~a}o de uma malha de magnet{\^o}metros em
1990-1991 foram modeladas usando um modelo de resistividade 3-D
derivado sob a bacia do Parna{\'{\i}}ba. As maiores GICs foram
modeladas em subesta{\c{c}}{\~o}es de um ramal central com
sentido E-W na rede de transmiss{\~a}o, localizado em blocos mais
resistivos do modelo 3-D e paralelo ao sentido principal das
correntes geoel{\'e}tricas estimadas. A magnitude m{\'a}xima da
GIC estimada nessas subesta{\c{c}}{\~o}es foi 6,24 A em uma
dessas esta{\c{c}}{\~o}es centrais da rede, durante uma intensa
tempestade em novembro de 1990. Esses resultados de
simula{\c{c}}{\~a}o ser{\~a}o usados pelo EMBRACE para
identificar as subesta{\c{c}}{\~o}es ideais para
instala{\c{c}}{\~a}o de sensores de monitoramento medindo
valores reais de GIC visando esfor{\c{c}}os de
valida{\c{c}}{\~a}o da metodologia desenvolvida.",
committee = "Wrasse, Cristiano Max (presidente) and Padilha, Antonio Lopes
(orientador) and Alves, L{\'{\i}}via Ribeiro (orientadora) and
Schultz, Adam (orientador) and Dutra, Severino Luiz Guimaraes and
Fontes, Sergio Luiz and Bologna, Mauricio de Souza",
englishtitle = "Modelagem de correntes geomagneticamente induzidas em redes de
transmiss{\~a}o de energia el{\'e}trica no Brasil usando modelos
3-D para representar a estrutura de condutividade el{\'e}trica em
subsuperf{\'{\i}}cie",
language = "en",
pages = "136",
ibi = "8JMKD3MGP3W34T/47JAE7S",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34T/47JAE7S",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "02 maio 2024"
}