العواصف الجيومغناطيسية (Geomagnetic Storms) هي ظاهرة ناتجة عن التفاعلات بين الرياح الشمسية والمجال المغناطيسي للأرض. تحدث هذه العواصف نتيجة لانبعاثات كتلية إكليلية (Coronal Mass Ejections) من الشمس، والتي تحمل معها جسيمات مشحونة تؤثر على الغلاف المغناطيسي للأرض. هنا سنسلط الضوء على تأثير العواصف الجيومغناطيسية على الشبكات الكهربائية ونستعرض حلولًا عملية وأجهزة الحماية الأكثر شيوعًا بالإضافة إلى الحلول المستقبلية لمواجهة هذه الظاهرة.
تأثير العواصف الجيومغناطيسية على الشبكات الكهربائية
1. تيارات الجهد الأرضي (GIC – Geomagnetically Induced Currents):
تؤدي العواصف الجيومغناطيسية إلى توليد تيارات مستحثة مغناطيسيًا تعرف باسم “التيارات الجيومغناطيسية المستحثة” (GIC). هذه التيارات يمكن أن تتسبب في دخول طاقة إضافية غير مرغوب فيها إلى الشبكات الكهربائية، مما يضع حملاً إضافياً على محولات القدرة الكهربائية وغيرها من معدات الشبكة الحساسة.
2. تشبع المحولات:
قد تتسبب التيارات الجيومغناطيسية المستحثة في تشبع قلب المحول، مما يؤدي إلى زيادة التيارات الحثية المتدفقة في الملفات وزيادة درجة حرارة المحول. هذا التشبع يمكن أن يتسبب في اعطال للمحولات أو تقليل عمرها الافتراضي.
المناطق الأكثر عرضة للعواصف الجيومغناطيسية:
المناطق القريبة من القطبين المغناطيسيين للأرض، مثل شمال كندا وألاسكا وشمال أوروبا وروسيا، هي الأكثر عرضة لتأثيرات العواصف الجيومغناطيسية. هذه المناطق تشهد تيارات مستحثة قوية تزيد من احتمالية تلف الشبكات الكهربائية.
أجهزة الحماية الأكثر استخداماً ضد العواصف الجيومغناطيسية
1. منظمات الجهد الأوتوماتيكية (Automatic Voltage Regulators – AVR):
هذه الأجهزة تلعب دورًا رئيسيًا في حماية الشبكات الكهربائية من تأثيرات العواصف الجيومغناطيسية عن طريق تثبيت الجهد الكهربائي تلقائيًا عند مستويات آمنة. تساعد منظمات الجهد في تقليل الارتفاعات المفاجئة في الجهد الناتج عن تدفق التيارات المستحثة.
2. المكثفات المتغيرة (Variable Shunt Reactors):
المكثفات المتغيرة تعمل على التحكم في الجهد واستقراره في الشبكات الكهربائية. يتم استخدامها بشكل متزايد في المناطق المعرضة للعواصف الجيومغناطيسية لأنها تساعد في تخفيف تأثيرات تيارات الجهد الأرضي على النظام.
3. الحماية من زيادة الجهد (Surge Arresters):
تعمل هذه الأجهزة على مقاومة الزيادات المفاجئة في الجهد الكهربائي الناتج عن العواصف الجيومغناطيسية، وبالتالي تحمي المعدات الكهربائية من حدوث الاعطال.
4. مراقبة تيارات الجهد الأرضي (GIC Monitors):
تُستخدم أجهزة مراقبة تيارات الجهد الأرضي لقياس التدفقات غير العادية للتيار الكهربائي في الشبكة، مما يتيح اتخاذ إجراءات وقائية في الوقت المناسب. هذه الأجهزة تراقب التيارات المستحثة بشكل مستمر وتنبه المشغلين او مراكز التحكم عند حدوث أي تجاوزات بالتيار غير عادية.
طرق قياس تأثير العواصف الجيومغناطيسية:
تُقاس الحقول الكهربائية الناتجة عن العواصف الجيومغناطيسية عن طريق تسجيل فرق الجهد بين نقطتين في الأرض باستخدام أقطاب كهربائية متباعدة. هذه البيانات تُرسل بشكل تلقائي لتحليلها في الزمن الحقيقي لتحسين فهم تأثير التيارات المستحثة على الشبكات الكهربائية. يتم استخدام هذه التقنية لتحسين نماذج الحقول الكهربائية المستحثة وضمان حماية أكثر فعالية للبنية التحتية الكهربائية. المزيد حول القياسات.
الحلول المستقبلية والناشئة
1. استخدام المحولات المقاومة لتأثيرات GIC:
هناك جهود جارية لتطوير محولات جديدة تكون أكثر مقاومة للتشبع الناتج عن تيارات الجهد الأرضي. هذه المحولات مصممة لتقليل التأثيرات السلبية للعواصف الجيومغناطيسية على الشبكات الكهربائية، مما يطيل من عمر المحولات ويقلل من الأعطال.
2. أنظمة الشبكة الذكية (Smart Grids):
تعتمد أنظمة الشبكات الذكية على التقنيات المتقدمة لمراقبة وتحليل البيانات في الوقت الفعلي للتكيف مع التغيرات في الشبكة الكهربائية بسرعة وكفاءة. أنظمة الشبكة الذكية (Smart Grids) تستخدم تقنيات مثل الذكاء الاصطناعي والتحليلات التنبؤية لاكتشاف التيارات المستحثة الناتجة عن العواصف الجيومغناطيسية بشكل مبكر، مما يتيح اتخاذ التدابير الوقائية قبل حدوث الضرر. كما توفر الشبكات الذكية القدرة على فصل أجزاء معينة من الشبكة لتقليل التأثيرات الضارة على النظام بأكمله.
3. التأريض الديناميكي (Dynamic Grounding Systems):
تقنية جديدة قيد التطوير تهدف إلى تحسين أنظمة التأريض التقليدية. التأريض الديناميكي يعتمد على تغيير خصائص التأريض استجابةً للتغيرات في الظروف المغناطيسية المحيطة، مما يسمح بتحسين الحماية من تأثيرات التيارات الجيومغناطيسية المستحثة.
4. محاكاة تأثيرات العواصف الجيومغناطيسية:
هناك تطور مستمر في البرمجيات القادرة على محاكاة تأثير العواصف الجيومغناطيسية على شبكات الكهرباء. هذه المحاكاة تتيح دراسة تأثير العواصف المتوقعة على الشبكات الكهربائية والتخطيط لاتخاذ الإجراءات الوقائية المناسبة مسبقًا.
5. أنظمة الحماية الاستباقية (Proactive Protection Systems):
تعتمد هذه الأنظمة على تقنيات التنبؤ بالعواصف الجيومغناطيسية وتستخدم البيانات من الأقمار الصناعية وأنظمة المراقبة الأرضية لاتخاذ قرارات سريعة. يمكنها تقليص تأثير العواصف عبر التحكم التلقائي في الأحمال أو إعادة توزيع الطاقة لتجنب إجهاد النظام.
تشكل العواصف الجيومغناطيسية خطرًا كبيرًا على الشبكات الكهربائية، خاصة في المناطق القريبة من القطبين المغناطيسيين. تعتبر أجهزة الحماية التقليدية مثل منظمات الجهد الأوتوماتيكية ومراقبة تيارات الجهد الأرضي ضرورية للحفاظ على استقرار الشبكات، لكن الحلول المستقبلية الناشئة، مثل الشبكات الذكية والتأريض الديناميكي، تمثل خطوة متقدمة نحو حماية أفضل وأكثر استدامة. من خلال الجمع بين هذه التقنيات المتقدمة والأنظمة التنبؤية، يمكن تقليل تأثير العواصف الجيومغناطيسية بشكل فعال وضمان استمرارية التشغيل للشبكات الكهربائية في جميع أنحاء العالم.
المراجع:
1. NOAA Space Weather Prediction Center. “Geomagnetic Storms.” Available at: https://www.swpc.noaa.gov/
2. Boteler, D. H. (2001). “Geomagnetic Hazards to Conducting Networks.” Natural Hazards, 23(2), 117-135.
3. Pulkkinen, A., Pirjola, R., and Viljanen, A. (2008). “Geomagnetic Induced Currents in the Finnish High-Voltage Power System.” Journal of Geophysical Research, 113, A07308.
4. Kappenman, J. G. (2005). “An Overview of the Impacts of Geomagnetic Storms on Power Systems.” IEEE Power Engineering Society General Meeting, 310-315
5.Xuejian Zhang, Wenxin Kong, Nian Yu, Huang Chen, Tianyang Li, Enci Wang, “Comparison of different geoelectric field methods to calculate geomagnetically induced currents in North China”, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 155, Part B,
2024, 109657, ISSN 0142-0615, https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2023.109657, (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142061523007147)
