التيار المستحث مغناطيسياً

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

التيارات المستحثة مغناطيسيًا ( GICs ) هي تيارات كهربائية تتولد على سطح الأرض نتيجة تغيرات سريعة في المجال المغناطيسي الأرضي ناجمة عن ظواهر الطقس الفضائي . يمكن أن تؤثر هذه التيارات على التشغيل الطبيعي لأنظمة الموصلات الكهربائية الطويلة ، مثل شبكات نقل الطاقة الكهربائية وخطوط الأنابيب المدفونة . تشمل الاضطرابات المغناطيسية الأرضية التي تحفز هذه التيارات العواصف المغناطيسية الأرضية والعواصف المغناطيسية الفرعية ، حيث تحدث أشد الاضطرابات عند خطوط العرض المغناطيسية الأرضية العالية .

خلفية

يتغير المجال المغناطيسي للأرض على مدى فترات زمنية واسعة. وتُعزى التغيرات طويلة الأمد، التي تحدث عادةً على مدى عقود إلى آلاف السنين، في الغالب إلى نشاط الدينامو في لب الأرض. كما تحدث تغيرات مغناطيسية أرضية على مدى ثوانٍ إلى سنوات، نتيجةً لعمليات ديناميكية في الغلاف الأيوني والغلاف المغناطيسي والغلاف الشمسي . وترتبط هذه التغيرات في نهاية المطاف بالتغيرات المصاحبة لدورة النشاط الشمسي (أو البقع الشمسية) ، وهي مظاهر للطقس الفضائي.

إن استجابة المجال المغناطيسي الأرضي للظروف الشمسية قد تكون مفيدة، على سبيل المثال، في دراسة بنية الأرض باستخدام علم المغناطيسية الأرضية ، ولكنها تشكل أيضاً خطراً. يتمثل هذا الخطر المغناطيسي الأرضي بشكل أساسي في تهديد التكنولوجيا الموجودة تحت الغلاف الجوي الواقي للأرض. [ 1 ]

مخاطر على البنية التحتية

المبدأ الأساسي لتوليد التيارات الأرضية المستحثة (GIC): تغيرات التيارات الأيونوسفيرية (I(t)) تولد مجالًا كهربائيًا (E(t)) يحرك هذه التيارات. كما تُعرض تسجيلات حقيقية لهذه التيارات من خط أنابيب الغاز الطبيعي الفنلندي.

يُحفّز مجال مغناطيسي خارجي متغير مع الزمن تيارات أرضية - وهي تيارات كهربائية في التربة الموصلة. تُنشئ هذه التيارات مجالًا مغناطيسيًا ثانويًا (داخليًا). ونتيجةً لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي ، يتولد مجال كهربائي على سطح الأرض مرتبط بتغيرات المجال المغناطيسي مع الزمن. يتسبب هذا المجال الكهربائي السطحي في تدفق تيارات كهربائية، تُعرف بالتيارات المُستحثة مغناطيسيًا، في أي بنية موصلة، مثل شبكة كهرباء أو خطوط أنابيب مؤرضة في الأرض. يعمل هذا المجال الكهربائي، الذي يُقاس بوحدة فولت/كم، كمصدر جهد عبر الشبكات.

من أمثلة الشبكات الموصلة: شبكات نقل الطاقة الكهربائية، وخطوط أنابيب النفط والغاز، وكابلات الاتصالات البحرية غير الليفية، وشبكات الهاتف والتلغراف غير الليفية، والسكك الحديدية. غالبًا ما يُوصف التيار المستحث أرضيًا (GIC) بأنه شبه تيار مستمر (DC)، على الرغم من أن تردد تغيره يخضع لتغير المجال الكهربائي مع الزمن. لكي يُشكل التيار المستحث أرضيًا خطرًا على التكنولوجيا، يجب أن يكون مقداره وتردد حدوثه كافيين لجعل المعدات عرضة للتلف الفوري أو التراكمي. يتحدد حجم التيار المستحث أرضيًا في أي شبكة بالخصائص الكهربائية وبنية الشبكة. تحدث أكبر تغيرات في تيار الغلاف المغناطيسي-الأيونوسفير، مما يؤدي إلى أكبر تغيرات في المجال المغناطيسي الخارجي، أثناء العواصف المغناطيسية الأرضية، وعندها يحدث أكبر تيار مستحث أرضيًا. تتراوح فترات التغير الملحوظة عادةً من ثوانٍ إلى ساعة تقريبًا، لذا تشمل عملية الحث الوشاح العلوي والغلاف الصخري . نظراً لأن أكبر تغيرات المجال المغناطيسي تُلاحظ عند خطوط العرض المغناطيسية العليا، فقد تم قياس التيارات المستحثة أرضياً (GIC) بانتظام في شبكات الطاقة وخطوط الأنابيب الكندية والفنلندية والإسكندنافية منذ سبعينيات القرن الماضي. وسُجلت قيم GIC تتراوح بين عشرات ومئات الأمبيرات . كما سُجلت هذه التيارات في خطوط العرض المتوسطة أثناء العواصف الشديدة. وقد يكون هناك خطر على المناطق ذات خطوط العرض المنخفضة، خاصةً أثناء العواصف المفاجئة، نظراً لارتفاع معدل تغير المجال المغناطيسي على الجانب النهاري من الأرض خلال فترة قصيرة.

لوحظت التيارات الأرضية المستحثة لأول مرة على شبكة التلغراف الكهربائي الناشئة في الفترة 1847-1848 خلال الدورة الشمسية التاسعة . [ 2 ] وقد زاد التغير التكنولوجي ونمو شبكات التوصيل من أهمية هذه التيارات في المجتمع الحديث. وتتشابه الاعتبارات التقنية للكابلات البحرية وشبكات الهاتف والتلغراف والسكك الحديدية. وقد سُجلت مشاكل أقل في المراجع العلمية المنشورة حول هذه الأنظمة نظرًا للجهود المبذولة لضمان مرونتها. [ 3 ]

في شبكات الطاقة

تتألف أنظمة نقل الطاقة الكهربائية الحديثة من محطات توليد متصلة بدوائر كهربائية تعمل بجهود نقل ثابتة يتم التحكم بها في المحطات الفرعية. وتعتمد جهود الشبكة المستخدمة بشكل كبير على طول المسار بين هذه المحطات الفرعية، وتتراوح جهود النظام عادةً بين 200 و700 كيلوفولت. وهناك اتجاه متزايد نحو استخدام جهود أعلى ومقاومات خطوط أقل لتقليل فاقد النقل على مسافات أطول فأطول. وتؤدي مقاومة الخطوط المنخفضة إلى تهيئة بيئة مواتية لتدفق التيار المستحث أرضيًا (GIC). تحتوي محولات الطاقة على دائرة مغناطيسية تتأثر بالتيار المستحث أرضيًا شبه المستمر: حيث يُزيح المجال الناتج عن التيار المستحث أرضيًا نقطة تشغيل الدائرة المغناطيسية، وقد يدخل المحول في حالة تشبع نصف دورة . وينتج عن ذلك توافقيات في شكل موجة التيار المتردد، وتسخين موضعي، ويؤدي إلى زيادة الطلب على القدرة التفاعلية ، وانخفاض كفاءة نقل الطاقة، واحتمالية تعطل إجراءات الحماية. ويتطلب موازنة الشبكة في مثل هذه الحالات سعة إضافية كبيرة من القدرة التفاعلية. [ 4 ] ويختلف مقدار التيار المستحث أرضيًا الذي يُسبب مشاكل كبيرة للمحولات باختلاف نوع المحول. تتمثل الممارسة الصناعية الحديثة في تحديد مستويات تحمل التيار المستحث بالغاز على المحولات الجديدة.

في 13 مارس/آذار 1989، تسببت عاصفة مغناطيسية أرضية شديدة في انهيار شبكة الكهرباء التابعة لشركة هيدرو-كيبيك في غضون ثوانٍ معدودة، نتيجةً لتعطل أجهزة الحماية الكهربائية في سلسلة متتابعة من الأحداث. [ 5 ] وانقطع التيار الكهربائي عن ستة ملايين شخص لمدة تسع ساعات، مما أدى إلى خسائر اقتصادية فادحة. ومنذ عام 1989، استثمرت شركات الكهرباء في أمريكا الشمالية والمملكة المتحدة وشمال أوروبا وغيرها في تقييم مخاطر العواصف المغناطيسية الأرضية وفي وضع استراتيجيات للتخفيف من آثارها.

يمكن الحد من مخاطر التيار الأرضي المستحث (GIC) إلى حد ما من خلال أنظمة حجب المكثفات، وتغييرات جداول الصيانة، وزيادة قدرة التوليد عند الطلب، وفي نهاية المطاف، تخفيف الأحمال. إلا أن هذه الخيارات مكلفة وغير عملية في بعض الأحيان. ويؤدي النمو المستمر لشبكات الطاقة ذات الجهد العالي إلى زيادة المخاطر، ويعود ذلك جزئيًا إلى زيادة الترابط عند الفولتيات العالية، والوصلات المتعلقة بنقل الطاقة إلى الشبكات في المنطقة الشفقية، وتشغيل الشبكات بكامل طاقتها تقريبًا مقارنةً بالماضي.

لفهم تدفق التيارات الأيونية المستحثة أرضيًا في شبكات الطاقة الكهربائية، وتقديم المشورة بشأن مخاطرها، من الضروري تحليل خصائص التيار شبه المستمر للشبكة. [ 6 ] ويجب أن يقترن هذا التحليل بنموذج جيوفيزيائي للأرض يوفر المجال الكهربائي السطحي المحرك، والذي يُحدد من خلال دمج حقول المصدر الأيونوسفيرية المتغيرة مع الزمن ونموذج موصلية الأرض. وقد أُجريت مثل هذه التحليلات في أمريكا الشمالية والمملكة المتحدة وشمال أوروبا. إن تعقيد شبكات الطاقة الكهربائية، وأنظمة التيار الأيونوسفيري المصدرية، وموصلية الأرض ثلاثية الأبعاد، تجعل التحليل الدقيق أمرًا صعبًا. [ 7 ] ومن خلال القدرة على تحليل العواصف الكبرى وعواقبها، يستطيع المحللون تكوين صورة عن نقاط الضعف في نظام النقل، وإجراء سيناريوهات افتراضية للأحداث.

يُسهم التنبؤ بالطقس الفضائي للعواصف المغناطيسية الأرضية الكبرى في إدارة الشبكة الكهربائية، مما يسمح بتطبيق استراتيجيات التخفيف. توفر الملاحظات الشمسية إنذارًا قبل يوم إلى ثلاثة أيام من انبعاث كتلة إكليلية (CME) باتجاه الأرض، وذلك تبعًا لسرعة الانبعاث. بعد ذلك، يُتيح رصد صدمة الرياح الشمسية التي تسبق الانبعاث، بواسطة مركبة فضائية عند نقطة لاغرانج L1 ، إنذارًا مؤكدًا قبل 20 إلى 60 دقيقة من حدوث عاصفة مغناطيسية أرضية (وذلك أيضًا تبعًا لسرعة الرياح الشمسية المحلية). يستغرق الأمر ما يقارب يومين إلى ثلاثة أيام بعد انطلاق الانبعاث الكتلي الإكليلي من الشمس حتى تصل العاصفة المغناطيسية الأرضية إلى الأرض وتؤثر على مجالها المغناطيسي. [ 8 ]

مخاطر التآكل الجيوفيزيائي في خطوط الأنابيب

رسم تخطيطي لنظام الحماية الكاثودية المستخدم لحماية خط الأنابيب من التآكل.

توجد شبكات أنابيب رئيسية في جميع خطوط العرض، والعديد منها يمتد على نطاق قاري. تُصنع هذه الشبكات من الفولاذ لنقل السوائل أو الغازات تحت ضغط عالٍ، وتُغطى بطبقات مقاومة للتآكل. قد يؤدي تلف طبقة الطلاء إلى تعريض الفولاذ للتربة أو الماء، مما قد يُسبب تآكلًا موضعيًا. في حال دفن خط الأنابيب، تُستخدم الحماية الكاثودية لتقليل التآكل عن طريق الحفاظ على الفولاذ عند جهد سالب بالنسبة للأرض. يُحدد جهد التشغيل بناءً على الخصائص الكهروكيميائية للتربة والأرض المحيطة بخط الأنابيب. يكمن خطر التآكل الناتج عن التيارات الجيومغناطيسية على خطوط الأنابيب في تسببه بتقلبات في جهد الأنبوب بالنسبة للتربة، مما يزيد من معدل التآكل أثناء العواصف الجيومغناطيسية الشديدة. [ 9 ] لا يُشكل خطر التآكل الناتج عن التيارات الجيومغناطيسية خطرًا لحدوث عطل كارثي، بل يُقلل من العمر الافتراضي لخط الأنابيب.

تُصمَّم شبكات خطوط الأنابيب بطريقة مشابهة لشبكات الطاقة، على سبيل المثال من خلال نماذج خطوط نقل المصادر الموزعة التي توفر جهد التلامس بين الأنبوب والتربة عند أي نقطة على طول الأنبوب [ 10 ] (بوتيلر، 1997). وتحتاج هذه النماذج إلى مراعاة التكوينات المعقدة لخطوط الأنابيب، بما في ذلك الانحناءات والفروع، بالإضافة إلى العوازل الكهربائية (أو الحواف) التي تعزل كهربائيًا الأجزاء المختلفة. ومن خلال معرفة تفصيلية باستجابة خط الأنابيب للتيارات الجيومغناطيسية المستحثة، يستطيع مهندسو خطوط الأنابيب فهم سلوك نظام الحماية الكاثودية حتى أثناء العواصف الجيومغناطيسية، عندما قد تتوقف عمليات مسح وصيانة خطوط الأنابيب.

انظر أيضاً

الحواشي والمراجع

  1. ↑ للاطلاع على المراجعات الأخيرة، انظر على سبيل المثال Lanzerotti, 2001; بيرجولا وآخرون، 2005
  2. ↑ رونالدز، ب. ف. (2016). السير فرانسيس رونالدز: أبو التلغراف الكهربائي . لندن: مطبعة إمبريال كوليدج . رقم ISBN 978-1-78326-917-4.
  3. ↑ التيارات المستحثة مغناطيسياً كتأثيرات أرضية للطقس الفضائي (أطروحة). doi : 10.1190/sbgf2009-024 .
  4. ↑ إيرينميز وآخرون، 2002
  5. ↑ بولدوك، 2002
  6. ^ ليهتينن وبيرجولا، 1985
  7. ↑ انظر Thomson et al.، 2005
  8. ↑ (NERC، 1990)
  9. ↑ غومو، ر. أ. (13 أغسطس 1999). "تأثيرات التآكل الناتج عن التيارات الجيوكيميائية على تآكل خطوط الأنابيب وأنظمة مكافحة التآكل" . مجلة الفيزياء الجوية والشمسية الأرضية . 64 (16): 1755-1764 . doi : 10.1016/S1364-6826(02)00125-6 .
  10. ^ بولكينن، أنتي؛ بيرجولا، ريستو؛ بوتيلر، ديفيد؛ فيليانين، آري؛ إيجوروف ، إيجور (ديسمبر 2001). "نمذجة تأثيرات الطقس الفضائي على خطوط الأنابيب" . مجلة الجيوفيزياء التطبيقية . 48 (4): 233– 256. بيب كود : 2001JAG ....48..233P . دوى : 10.1016/S0926-9851(01)00109-4 .

للمزيد من القراءة

  • بولدوك، ل.، ملاحظات ودراسات التيارات المستحثة بالجاذبية الأرضية في نظام الطاقة الهيدرو-كيبيك. مجلة الفيزياء الجوية والشمسية والأرضية، 64(16)، 1793-1802، 2002.
  • بوتيلر، د.هـ.، نظرية خط نقل المصدر الموزع لدراسات الحث الكهرومغناطيسي. في ملحق وقائع ندوة زيورخ الدولية الثانية عشرة والمعرض التقني حول التوافق الكهرومغناطيسي. الصفحات  401-408، 1997.
  • بوتيلر، دي إتش، بيرجولا، آر جيه، ونيفانلينا، إتش، تأثيرات الاضطرابات الجيومغناطيسية على الأنظمة الكهربائية على سطح الأرض. مجلة أبحاث الفضاء المتقدمة، 22(1)، ص 17-27، 1998.
  • إيرينميز، آي إيه، كابينمان، جي جي، وراداسكي، دبليو إيه، إدارة مخاطر التيار المستحث مغناطيسيًا على نظام نقل الطاقة الكهربائية لشركة الشبكة الوطنية. مجلة الفيزياء الجوية والشمسية والأرضية، 64(5-6)، 743-756، 2002.
  • لانزيروتي، إل جيه، تأثيرات الطقس الفضائي على التقنيات. في سونغ، بي، سينغر، إتش جيه، سيسكو، جي إل (محررون)، الطقس الفضائي. الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي، دراسة جيوفيزيائية، 125، ص  11-22، 2001.
  • Lehtinen, M., and R. Pirjola, Currents generated in earthed connector networks by geomagnetically-induced electric fields, Annales Geophysicae, 3, 4, 479–484, 1985.
  • بيرجولا، ريستو (ديسمبر 2002). "أساسيات تدفق التيارات المستحثة مغناطيسيًا أرضيًا في نظام طاقة، قابلة للتطبيق على تقدير مخاطر الطقس الفضائي وتصميم الحلول" . مجلة فيزياء الغلاف الجوي والشمس والأرض . 64 (18): 1967-1972 . Bibcode : 2002JASTP..64.1967P . doi : 10.1016/S1364-6826(02)00228-6 .
  • Pirjola, R., Kauristie, K., Lappalainen, H. and Viljanen, A. and Pulkkinen A., مخاطر الطقس الفضائي. AGU Space Weather, 3, S02A02, دوى : 10.1029/2004SW000112 , 2005.
  • Thomson, AWP, AJ McKay, E. Clarke, and SJ Reay, Surface electric fields and geomagically induced currents in the Scottish Power grid during the 30 October 2003 geomagntic storm, AGU Space Weather, 3, S11002, doi : 10.1029/2005SW000156 , 2005.
  • بولكينين، أ. الحث المغناطيسي الأرضي خلال ظروف الطقس الفضائي شديدة الاضطراب: دراسات حول تأثيرات الأرض، أطروحة دكتوراه، جامعة هلسنكي، 2003. (متوفرة على موقع eThesis) . مؤرشفة بتاريخ 27 مايو 2013 على موقع Wayback Machine .
  • برايس، العلاقات العامة (أكتوبر 2002). "تأثيرات التيار المستحث مغناطيسيًا على المحولات". معاملات IEEE في مجال توصيل الطاقة . 17 (4): 1002-1008 . رمز Bibcode : 2002ITPD...17.1002P . doi : 10.1109/TPWRD.2002.803710 . ISSN 0885-8977 . 

روابط متعلقة بشبكة الطاقة