Jeomanyetik olarak indüklenen akım - Geomagnetically induced current

Uzun elektrik iletken sistemlerinin normal çalışmasını etkileyen jeomanyetik olarak indüklenen akımlar ( GIC ), uzay havasının zemin seviyesinde bir tezahürüdür . Uzay havası olayları sırasında, manyetosferdeki ve iyonosferdeki elektrik akımları , Dünya'nın manyetik alanında da tezahür eden büyük değişimler yaşar . Bu varyasyonlar , Dünya yüzeyinde çalışan iletkenlerde akımlara (GIC) neden olur . Elektrik iletim ızgaraları ve gömülü boru hatları , bu tür iletken sistemlerin yaygın örnekleridir. GIC, boru hattı çeliğinin artan korozyonu ve hasarlı yüksek voltajlı güç transformatörleri gibi sorunlara neden olabilir . GIC, jeofizik keşif araştırmalarını ve petrol ve gaz sondaj işlemlerini de etkileyebilecek jeomanyetik fırtınaların olası bir sonucudur .

Arka fon

Dünyanın manyetik alanı çok çeşitli zaman aralıklarında değişiklik gösterir. Tipik olarak onlarca yıldan bin yıla kadar meydana gelen uzun vadeli varyasyonlar, ağırlıklı olarak Dünya'nın çekirdeğindeki dinamo hareketinin sonucudur. İyonosfer , manyetosfer ve heliosferdeki dinamik süreçler nedeniyle, saniyeden yıllara kadar zaman ölçeklerinde jeomanyetik değişimler de meydana gelir . Bu değişiklikler nihayetinde güneş aktivitesi (veya güneş lekesi) döngüsüyle ilişkili varyasyonlara bağlıdır ve uzay havasının tezahürleridir.

Jeomanyetik alanın güneş koşullarına tepki vermesi gerçeği, örneğin manyetotellürik kullanarak Dünya yapısını araştırırken faydalı olabilir , ancak aynı zamanda bir tehlike de yaratır. Bu jeomanyetik tehlike, öncelikle Dünya'nın koruyucu atmosferik örtüsü altındaki teknoloji için bir risktir.

Altyapı riski

GIC üretimi için temel ilke: iyonosferik akımların (I (t)) varyasyonları, GIC'yi çalıştıran bir elektrik alanı (E (t)) oluşturur. Finlandiya doğal gaz boru hattından alınan gerçek GIC kayıtları da gösterilmiştir.

Dünya dışındaki zamanla değişen bir manyetik alan , iletken toprakta tellürik akımları, yani elektrik akımlarını indükler . Bu akımlar ikincil (dahili) bir manyetik alan oluşturur. Faraday'ın indüksiyon yasasının bir sonucu olarak , Dünya yüzeyindeki bir elektrik alanı, manyetik alanın zaman değişimleriyle ilişkili olarak indüklenir. Yüzey elektrik alanı, jeomanyetik olarak indüklenen akımlar (GIC) olarak bilinen elektrik akımlarının herhangi bir iletken yapıda, örneğin Dünya'da topraklanmış bir güç veya boru hattı ızgarasında akmasına neden olur. V / km cinsinden ölçülen bu elektrik alanı, ağlar arasında bir voltaj kaynağı görevi görür.

İletken ağlara örnek olarak elektrik enerjisi iletim ızgaraları, petrol ve gaz boru hatları, fiber olmayan optik deniz altı iletişim kabloları, fiber olmayan optik telefon ve telgraf ağları ve demiryolları verilebilir. GIC, genellikle doğru akım (DC) olarak tanımlanır, ancak GIC'nin değişim frekansı elektrik alanın zaman değişimiyle yönetilir. GIC'nin teknoloji için bir tehlike oluşturması için akımın, ekipmanı ani veya kümülatif hasara duyarlı hale getirecek büyüklükte ve oluşum sıklığında olması gerekir. Herhangi bir ağdaki GIC'nin boyutu, ağın elektriksel özelliklerine ve topolojisine bağlıdır. En büyük harici manyetik alan varyasyonlarına neden olan en büyük manyetosferik-iyonosferik akım değişimleri, jeomanyetik fırtınalar sırasında meydana gelir ve o zaman en büyük GIC meydana gelir. Önemli varyasyon periyotları tipik olarak saniyeden yaklaşık bir saate kadardır, bu nedenle indüksiyon işlemi üst manto ve litosfer içerir . En büyük manyetik alan değişimleri daha yüksek manyetik enlemlerde gözlemlendiğinden, GIC 1970'lerden beri Kanada, Finlandiya ve İskandinav elektrik şebekelerinde ve boru hatlarında düzenli olarak ölçülmektedir. Onlarca ila yüzlerce ampere kadar GIC kaydedildi. GIC ayrıca büyük fırtınalar sırasında orta enlemlerde de kaydedilmiştir. Dünyanın gündüz tarafında meydana gelen yüksek, kısa süreli alan değişim oranı nedeniyle, özellikle aniden başlayan bir fırtına sırasında, düşük enlem bölgelerinde bile bir risk olabilir.

GIC ilk olarak ortaya çıkan elektrik telgraf ağında 1847–8 yıllarında Güneş döngüsü 9 sırasında gözlemlendi . Teknolojik değişim ve iletken ağların büyümesi, GIC'nin modern toplumdaki önemini daha da artırdı. Deniz altı kabloları, telefon ve telgraf ağları ve demiryolları için teknik hususlar benzerdir. Açık literatürde bu sistemler hakkında daha az sorun bildirilmiştir. Bu, tehlikenin bugün daha az olduğunu veya güvenilir ekipman koruma yöntemleri olduğunu göstermektedir.

Güç şebekelerinde

Modern elektrik enerjisi iletim sistemleri , trafo merkezlerinde kontrol edilen sabit iletim voltajlarında çalışan elektrik devreleriyle birbirine bağlanan üretim tesislerinden oluşur. Kullanılan şebeke gerilimleri, büyük ölçüde bu trafo merkezleri arasındaki yol uzunluğuna bağlıdır ve 200-700 kV sistem gerilimleri yaygındır. Daha uzun ve daha uzun yol uzunluklarında iletim kayıplarını azaltmak için daha yüksek voltajlar ve daha düşük hat dirençleri kullanma yönünde bir eğilim vardır. Düşük hat dirençleri, GIC'nin akışına uygun bir durum oluşturur. Güç transformatörleri , yarı-DC GIC tarafından bozulan bir manyetik devreye sahiptir: GIC tarafından üretilen alan, manyetik devrenin çalışma noktasını dengeler ve transformatör yarım döngü doygunluğuna girebilir . Bu , AC dalga formunda harmonikler , lokalize ısıtma üretir ve daha yüksek reaktif güç taleplerine, verimsiz güç aktarımına ve koruyucu önlemlerin olası yanlış çalışmasına yol açar . Bu tür durumlarda ağı dengelemek, önemli ölçüde ek reaktif güç kapasitesi gerektirir. Transformatörlerde önemli sorunlara neden olacak GIC'nin büyüklüğü, transformatör tipine göre değişir. Modern endüstri uygulaması, yeni transformatörlerde GIC tolerans seviyelerini belirlemektir.

13 Mart 1989'da, şiddetli bir jeomanyetik fırtına , Hydro-Québec elektrik şebekesinin birkaç saniye içinde çökmesine neden oldu ve ekipman koruyucu röleler , olaylar dizisi halinde devreye girdi. Altı milyon insan, önemli bir ekonomik kayıpla dokuz saat boyunca elektriksiz kaldı. 1989'dan beri, Kuzey Amerika, Birleşik Krallık, Kuzey Avrupa ve diğer yerlerdeki enerji şirketleri, GIC riskini değerlendirmek ve hafifletme stratejileri geliştirmek için yatırım yapmaktadır.

GIC riski, kapasitör engelleme sistemleri, bakım programı değişiklikleri, talep üzerine ek üretim kapasitesi ve nihayetinde yük atma ile bir dereceye kadar azaltılabilir. Bu seçenekler pahalıdır ve bazen pratik değildir. Yüksek voltajlı güç şebekelerinin sürekli büyümesi daha yüksek riskle sonuçlanır. Bunun nedeni kısmen yüksek voltajlarda birbirine bağlılıktaki artış, auroral bölgedeki şebekelere güç aktarımı açısından bağlantılar ve geçmişe göre kapasiteye daha yakın çalışan şebekelerdir.

Güç şebekelerindeki GIC akışını anlamak ve GIC riski konusunda tavsiyede bulunmak için, şebekenin yarı DC özelliklerinin analizi gereklidir. Bu, zamanla değişen iyonosferik kaynak alanlarını ve Dünya'nın iletkenlik modelini birleştirerek belirlenen, sürüş yüzeyi elektrik alanını sağlayan Dünya'nın jeofiziksel bir modeliyle birleştirilmelidir. Bu tür analizler Kuzey Amerika, İngiltere ve Kuzey Avrupa'da yapılmıştır. Güç şebekelerinin karmaşıklığı, kaynak iyonosferik akım sistemleri ve 3B toprak iletkenliği, doğru bir analizi zorlaştırır. Büyük fırtınaları ve sonuçlarını analiz ederek, bir iletim sistemindeki zayıf noktaların bir resmini oluşturabilir ve varsayımsal olay senaryoları çalıştırabiliriz.

Şebeke yönetimine ayrıca büyük jeomanyetik fırtınaların uzay hava durumu tahminleri yardımcı olur. Bu, azaltma stratejilerinin uygulanmasına izin verir. Güneş gözlemleri , CME hızına bağlı olarak Dünya'ya bağlı koronal kütle fırlatması (CME) için bir ila üç günlük bir uyarı sağlar . Bunu takiben, güneş rüzgarında CME'den önce gelen güneş rüzgar şokunun L 1 Lagrangian noktasında bir uzay aracı tarafından tespiti, bir jeomanyetik fırtına için kesin 20 ila 60 dakikalık bir uyarı verir (yine yerel güneş rüzgar hızına bağlı olarak). Jeomanyetik bir fırtınanın Dünya'ya ulaşması ve Dünya'nın jeomanyetik alanını etkilemesi için Güneş'ten bir CME fırlatıldıktan sonra yaklaşık iki ila üç gün sürer.

Boru hatlarında GIC tehlikesi

Boru hattını korozyondan korumak için kullanılan katodik koruma sisteminin şematik gösterimi.

Başlıca boru hattı ağları tüm enlemlerde mevcuttur ve birçok sistem kıtasal ölçeğindedir. Boru hattı ağları, yüksek basınçlı sıvı veya gaz içerecek ve korozyona dayanıklı kaplamalara sahip olacak şekilde çelikten yapılmıştır. Boru hattı kaplamasının hasar görmesi, çeliğin toprağa veya suya maruz kalmasına ve muhtemelen lokal korozyona neden olmasına neden olabilir. Boru hattı gömülü ise, çeliği zemine göre negatif bir potansiyelde tutarak korozyonu en aza indirmek için katodik koruma kullanılır. İşletme potansiyeli, boru hattı çevresindeki toprağın ve Dünya'nın elektro-kimyasal özelliklerinden belirlenir. Boru hatları üzerindeki GIC tehlikesi, GIC'nin borudan toprağa potansiyelde dalgalanmalara neden olarak büyük jeomanyetik fırtınalar sırasında korozyon oranını artırmasıdır (Gummow, 2002). GIC riski, yıkıcı bir arıza riski değil, boru hattının hizmet ömrünün kısalmasıdır.

Boru hattı ağları, örneğin boru boyunca herhangi bir noktada borudan toprağa potansiyeli sağlayan dağıtılmış kaynak iletim hattı modelleri aracılığıyla elektrik şebekelerine benzer şekilde modellenir (Boteler, 1997; Pulkkinen ve diğerleri, 2001). Bu modellerin, farklı bölümleri elektriksel olarak izole eden elektrik izolatörlerinin (veya flanşların) yanı sıra, kıvrımlar ve dallar dahil olmak üzere karmaşık boru hattı topolojilerini dikkate alması gerekir. Boru hattı mühendisleri, boru hattı mühendislerinin GIC'ye verdikleri yanıtın ayrıntılı bilgisinden, boru hattı etüdü ve bakımının askıya alınabileceği jeomanyetik fırtına sırasında bile katodik koruma sisteminin davranışını anlayabilirler.

Ayrıca bakınız

Dipnotlar ve referanslar

daha fazla okuma

  • Bolduc, L., GIC gözlemleri ve Hydro-Québec güç sisteminde çalışmalar. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (16), 1793–1802, 2002.
  • Boteler, DH, Elektromanyetik indüksiyon çalışmaları için dağıtılmış kaynak iletim hattı teorisi. 12. Uluslararası Zürih Sempozyumu ve Elektromanyetik Uyumluluk Teknik Sergisi Bildiri Kitabı Ekinde. sayfa 401–408, 1997.
  • Boteler, DH, Pirjola, RJ ve Nevanlinna, H., Jeomanyetik bozulmaların yeryüzündeki elektrik sistemleri üzerindeki etkileri. Adv. Uzay. Res., 22 (1), 17-27, 1998.
  • Erinmez, IA, Kappenman, JG ve Radasky, WA, Ulusal şebeke şirketinin elektrik enerjisi iletim sistemindeki jeomanyetik olarak indüklenen mevcut risklerin yönetimi. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (5-6), 743-756, 2002.
  • Gummow, RA, GIC boru hattı korozyonu ve korozyon kontrol sistemleri üzerindeki etkileri. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (16), 1755–1764, 2002.
  • Lanzerotti, LJ, Uzay havasının teknolojilere etkileri. Song, P., Singer, HJ, Siscoe, GL (editörler), Space Weather. Amerikan Jeofizik Birliği, Jeofizik Monografı, 125, s. 11–22, 2001.
  • Lehtinen, M. ve R. Pirjola, Jeomanyetik olarak indüklenen elektrik alanları tarafından topraklanmış iletken ağlarda üretilen akımlar, Annales Geophysicae, 3, 4, 479-484, 1985.
  • Pirjola, R., Uzay hava risklerini tahmin etmek ve çareleri tasarlamak için geçerli bir güç sisteminde jeomanyetik olarak indüklenen akımların akışı hakkında temel bilgiler. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64 (18), 1967–1972, 2002.
  • Pirjola, R., Kauristie, K., Lappalainen, H. ve Viljanen, A. ve Pulkkinen A., Uzay hava riski. AGU Uzay Hava Durumu, 3, S02A02, doi : 10.1029 / 2004SW000112 , 2005.
  • Thomson, AWP, AJ McKay, E. Clarke ve SJ Reay, 30 Ekim 2003 jeomanyetik fırtına sırasında İskoç Güç şebekesinde yüzey elektrik alanları ve jeomanyetik olarak indüklenen akımlar, AGU Space Weather, 3, S11002, doi : 10.1029 / 2005SW000156 , 2005 .
  • Pulkkinen, A., R. Pirjola, D. Boteler, A. Viljanen ve I. Yegorov, Boru hatlarında uzay hava etkilerinin modellenmesi, Journal of Applied Geophysics, 48, 233-256, 2001.
  • Pulkkinen, A. Çok Rahatsız Edilmiş Uzay Hava Koşullarında Jeomanyetik İndüksiyon: Zemin Etkileri Çalışmaları, Doktora tezi, Helsinki Üniversitesi, 2003. (eThesis'te mevcuttur)
  • Fiyat, PR, Transformatörler üzerinde jeomanyetik olarak indüklenen akım etkileri, Güç Dağıtımında IEEE İşlemleri, 17, 4, 1002–1008, 2002, doi : 10.1109 / TPWRD.2002.803710

Dış bağlantılar

Güç şebekesi ile ilgili bağlantılar