Las corrientes inducidas geomagnéticamente ( CIG ) son corrientes eléctricas inducidas en la superficie de la Tierra por cambios rápidos en el campo geomagnético causados por fenómenos meteorológicos espaciales . Las CIG pueden afectar el funcionamiento normal de sistemas de conductores eléctricos de gran longitud , como redes de transmisión eléctrica y tuberías enterradas . Las perturbaciones geomagnéticas que inducen CIG incluyen tormentas y subtormentas geomagnéticas, donde las perturbaciones más graves se producen en latitudes geomagnéticas elevadas .
El campo magnético de la Tierra varía en un amplio rango de escalas temporales. Las variaciones a largo plazo, que suelen ocurrir durante décadas o milenios, son predominantemente el resultado de la acción del dinamo en el núcleo de la Tierra. También se producen variaciones geomagnéticas en escalas temporales de segundos a años, debido a procesos dinámicos en la ionosfera , la magnetosfera y la heliosfera . Estos cambios están vinculados en última instancia a variaciones asociadas con el ciclo de actividad solar (o de manchas solares) y son manifestaciones del clima espacial.
El hecho de que el campo geomagnético responda a las condiciones solares puede ser útil, por ejemplo, para investigar la estructura de la Tierra mediante magnetotelúricos , pero también genera un riesgo. Este riesgo geomagnético es principalmente un riesgo para la tecnología que se encuentra bajo el manto atmosférico protector de la Tierra. [1]
Un campo magnético externo a la Tierra que varía con el tiempo induce corrientes telúricas (corrientes eléctricas en el suelo conductor). Estas corrientes crean un campo magnético secundario (interno). Como consecuencia de la ley de inducción de Faraday , se induce un campo eléctrico en la superficie de la Tierra asociado con las variaciones temporales del campo magnético. El campo eléctrico de la superficie hace que fluyan corrientes eléctricas, conocidas como corrientes inducidas geomagnéticamente (GIC), en cualquier estructura conductora, por ejemplo, una red eléctrica o de tuberías conectada a tierra en la Tierra. Este campo eléctrico, medido en V/km, actúa como una fuente de voltaje en las redes.
Ejemplos de redes conductoras son las redes de transmisión de energía eléctrica, los oleoductos y gasoductos, los cables de comunicación submarinos sin fibra óptica, las redes telefónicas y telegráficas sin fibra óptica y los ferrocarriles. Las GIC se describen a menudo como corriente continua (CC) casi continua, aunque la frecuencia de variación de las GIC está regida por la variación temporal del campo eléctrico. Para que las GIC sean un peligro para la tecnología, la corriente debe ser de una magnitud y una frecuencia de ocurrencia que hagan que el equipo sea susceptible a daños inmediatos o acumulativos. El tamaño de las GIC en cualquier red está regido por las propiedades eléctricas y la topología de la red. Las mayores variaciones de corriente magnetosférica-ionosférica, que dan lugar a las mayores variaciones del campo magnético externo, se producen durante las tormentas geomagnéticas y es entonces cuando se producen las mayores GIC. Los períodos de variación significativos suelen ser de segundos a aproximadamente una hora, por lo que el proceso de inducción involucra al manto superior y la litosfera . Dado que las mayores variaciones del campo magnético se observan en latitudes magnéticas más altas, desde los años 70 se han medido con regularidad las variaciones de campo magnético en las redes eléctricas y los oleoductos de Canadá, Finlandia y Escandinavia. Se han registrado variaciones de campo magnético de decenas a cientos de amperios . También se han registrado variaciones de campo magnético en latitudes medias durante grandes tormentas. Incluso puede haber un riesgo en las zonas de latitudes bajas, especialmente durante una tormenta que comienza de repente debido a la alta tasa de cambio de corto período del campo que se produce en el lado diurno de la Tierra.
Las primeras observaciones de GIC en la red de telégrafo eléctrico emergente se produjeron entre 1847 y 1848 durante el ciclo solar 9. [ 2] El cambio tecnológico y el crecimiento de las redes conductoras han aumentado la importancia de las GIC en la sociedad moderna. Las consideraciones técnicas para los cables submarinos, las redes telefónicas y telegráficas y los ferrocarriles son similares. Se han reportado menos problemas en la literatura abierta sobre estos sistemas porque se han hecho esfuerzos para garantizar la resiliencia. [3]
Los sistemas modernos de transmisión de energía eléctrica consisten en plantas generadoras interconectadas por circuitos eléctricos que operan a voltajes de transmisión fijos controlados en subestaciones. Los voltajes de red empleados dependen en gran medida de la longitud del camino entre estas subestaciones y los voltajes de sistema de 200-700 kV son comunes. Existe una tendencia a utilizar voltajes más altos y resistencias de línea más bajas para reducir las pérdidas de transmisión en longitudes de camino cada vez más largas. Las resistencias de línea bajas producen una situación favorable para el flujo de GIC. Los transformadores de potencia tienen un circuito magnético que se interrumpe por el GIC cuasi-CC: el campo producido por el GIC compensa el punto de operación del circuito magnético y el transformador puede entrar en saturación de medio ciclo . Esto produce armónicos en la forma de onda de CA, calentamiento localizado y conduce a mayores demandas de potencia reactiva , transmisión de energía ineficiente y posible mal funcionamiento de las medidas de protección. Equilibrar la red en tales situaciones requiere una capacidad de potencia reactiva adicional significativa. [4] La magnitud de GIC que causará problemas significativos a los transformadores varía según el tipo de transformador. La práctica industrial moderna es especificar niveles de tolerancia GIC en transformadores nuevos.
El 13 de marzo de 1989, una severa tormenta geomagnética provocó el colapso de la red eléctrica de Hydro-Québec en cuestión de segundos, ya que los relés de protección de los equipos se dispararon en una secuencia de eventos en cascada. [5] Seis millones de personas se quedaron sin electricidad durante nueve horas, con pérdidas económicas significativas. Desde 1989, las compañías eléctricas de América del Norte, el Reino Unido, el norte de Europa y otros lugares han invertido en la evaluación del riesgo de GIC y en el desarrollo de estrategias de mitigación.
El riesgo de GIC se puede reducir hasta cierto punto mediante sistemas de bloqueo de condensadores, cambios en el programa de mantenimiento, capacidad de generación adicional según demanda y, en última instancia, el corte de carga. Estas opciones son caras y, a veces, poco prácticas. El crecimiento continuo de las redes eléctricas de alta tensión genera un mayor riesgo. Esto se debe en parte al aumento de la interconexión a voltajes más altos, las conexiones en términos de transmisión de energía a las redes en la zona auroral y las redes que funcionan más cerca de su capacidad que en el pasado.
Para comprender el flujo de corrientes de campo magnético en las redes eléctricas y brindar asesoramiento sobre el riesgo de corrientes de campo magnético, es necesario analizar las propiedades de corriente continua cuasieléctrica de la red [6] . Esto debe combinarse con un modelo geofísico de la Tierra que proporcione el campo eléctrico superficial impulsor, determinado mediante la combinación de campos de fuentes ionosféricas variables en el tiempo y un modelo de conductividad de la Tierra. Dichos análisis se han realizado en América del Norte, el Reino Unido y el norte de Europa. La complejidad de las redes eléctricas, los sistemas de corrientes ionosféricas de origen y la conductividad del suelo en 3D dificultan un análisis preciso [7] . Al poder analizar las grandes tormentas y sus consecuencias, podemos construir una imagen de los puntos débiles de un sistema de transmisión y ejecutar escenarios de eventos hipotéticos.
La gestión de la red también se ve facilitada por los pronósticos meteorológicos espaciales de las principales tormentas geomagnéticas. Esto permite implementar estrategias de mitigación. Las observaciones solares proporcionan una advertencia de uno a tres días de una eyección de masa coronal (CME) dirigida a la Tierra, dependiendo de la velocidad de la CME. Después de esto, la detección del choque del viento solar que precede a la CME en el viento solar, por una nave espacial en el punto de Lagrange L 1 , proporciona una advertencia definitiva de 20 a 60 minutos de una tormenta geomagnética (de nuevo dependiendo de la velocidad del viento solar local). Se necesitan aproximadamente dos a tres días después de que una CME se lanza desde el Sol para que una tormenta geomagnética llegue a la Tierra y afecte al campo geomagnético de la Tierra. [8]
Existen redes de tuberías importantes en todas las latitudes y muchos sistemas se encuentran a escala continental. Las redes de tuberías están construidas de acero para contener líquidos o gases a alta presión y tienen revestimientos resistentes a la corrosión. Los daños en el revestimiento de la tubería pueden hacer que el acero quede expuesto al suelo o al agua, lo que puede causar corrosión localizada. Si la tubería está enterrada, se utiliza protección catódica para minimizar la corrosión manteniendo el acero a un potencial negativo con respecto al suelo. El potencial operativo se determina a partir de las propiedades electroquímicas del suelo y la Tierra en las proximidades de la tubería. El riesgo de GIC para las tuberías es que GIC causa oscilaciones en el potencial tubería-suelo, lo que aumenta la tasa de corrosión durante las principales tormentas geomagnéticas. [9] El riesgo de GIC no es un riesgo de falla catastrófica, sino una vida útil reducida de la tubería.
Las redes de tuberías se modelan de manera similar a las redes eléctricas, por ejemplo, a través de modelos de líneas de transmisión de fuente distribuida que proporcionan el potencial de la tubería al suelo en cualquier punto a lo largo de la tubería [10] (Boteler, 1997). Estos modelos deben considerar topologías de tuberías complejas, incluidas curvas y ramificaciones, así como aisladores eléctricos (o bridas) que aíslan eléctricamente diferentes secciones. A partir de un conocimiento detallado de la respuesta de la tubería a la GIC, los ingenieros de tuberías pueden comprender el comportamiento del sistema de protección catódica incluso durante una tormenta geomagnética, cuando la inspección y el mantenimiento de la tubería pueden suspenderse.
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