Las corrientes geomagnéticamente inducidas ( GIC ) son corrientes eléctricas inducidas en la superficie de la Tierra por cambios rápidos en el campo geomagnético causados por eventos climáticos espaciales . Los GIC pueden afectar el funcionamiento normal de sistemas de conductores eléctricos largos , como redes de transmisión eléctrica y tuberías enterradas . Las perturbaciones geomagnéticas que inducen GIC incluyen tormentas y subtormentas geomagnéticas donde las perturbaciones más severas ocurren en latitudes geomagnéticas altas .
El campo magnético de la Tierra varía en una amplia gama de escalas de tiempo. Las variaciones a largo plazo, que suelen ocurrir a lo largo de décadas o milenios, son predominantemente el resultado de la acción de una dinamo en el núcleo de la Tierra. También se producen variaciones geomagnéticas en escalas de tiempo de segundos a años, debido a procesos dinámicos en la ionosfera , la magnetosfera y la heliosfera . En última instancia, estos cambios están vinculados a variaciones asociadas con el ciclo de actividad solar (o 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, al investigar la estructura de la Tierra utilizando magnetotelúricos , pero también crea un peligro. Este peligro geomagnético es principalmente un riesgo para la tecnología bajo el manto atmosférico protector de la Tierra. [1]
Un campo magnético variable en el tiempo externo a la Tierra induce corrientes telúricas : corrientes eléctricas en la tierra conductora. 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 a variaciones temporales del campo magnético. El campo eléctrico de la superficie hace que las corrientes eléctricas, conocidas como corrientes geomagnéticamente inducidas (GIC), fluyan 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 fuente de voltaje a través de 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. Los GIC a menudo se describen como corriente casi continua (CC), aunque la frecuencia de variación de los GIC se rige por la variación temporal del campo eléctrico. Para que el GIC sea un peligro para la tecnología, la corriente debe tener una magnitud y una frecuencia de aparición que hagan que el equipo sea susceptible a daños inmediatos o acumulativos. El tamaño del GIC en cualquier red se rige por las propiedades eléctricas y la topología de la red. Las mayores variaciones de corriente magnetosférica-ionosférica, que dan como resultado las mayores variaciones del campo magnético externo, ocurren durante las tormentas geomagnéticas y es entonces cuando ocurren los mayores GIC. Los períodos de variación significativos suelen ser de segundos a aproximadamente una hora, por lo que el proceso de inducción involucra el manto superior y la litosfera . Dado que las mayores variaciones del campo magnético se observan en latitudes magnéticas más altas, desde los años 1970 se miden regularmente los GIC en las redes eléctricas y tuberías de Canadá, Finlandia y Escandinavia. Se han registrado GIC de decenas a cientos de amperios . También se han registrado GIC en latitudes medias durante tormentas importantes. Incluso puede haber un riesgo en zonas de latitudes bajas, especialmente durante una tormenta que comienza repentinamente debido a la alta tasa de cambio del campo en períodos cortos que ocurre en el lado diurno de la Tierra.
Los GIC se observaron por primera vez en la emergente red de telégrafos eléctricos en 1847-8 durante el ciclo solar 9 . [2] El cambio tecnológico y el crecimiento de las redes conductoras han hecho que la importancia de GIC sea mayor en la sociedad moderna. Las consideraciones técnicas para los cables submarinos, las redes telefónicas y telegráficas y los ferrocarriles son similares. Se han informado 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 del sistema de 200-700 kV son comunes. Existe una tendencia hacia el uso de voltajes más altos y resistencias de línea más bajas para reducir las pérdidas de transmisión en caminos cada vez más largos. Las bajas resistencias de línea producen una situación favorable al flujo de GIC. Los transformadores de potencia tienen un circuito magnético que se ve interrumpido por el GIC cuasi-CC: el campo producido por el GIC compensa el punto de funcionamiento 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 importantes 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 grave tormenta geomagnética provocó el colapso de la red eléctrica de Hydro-Québec en cuestión de segundos cuando los relés de protección de los equipos se dispararon en una secuencia en cascada de acontecimientos. [5] Seis millones de personas quedaron sin electricidad durante nueve horas, con importantes pérdidas económicas. Desde 1989, las empresas eléctricas de América del Norte, el Reino Unido, el norte de Europa y otros lugares han invertido en evaluar el riesgo de GIC y en desarrollar estrategias de mitigación.
El riesgo de GIC puede, hasta cierto punto, reducirse mediante sistemas de bloqueo de condensadores, cambios en el programa de mantenimiento, capacidad de generación adicional bajo demanda y, en última instancia, deslastre de carga. Estas opciones son costosas y a veces poco prácticas. El crecimiento continuo de las redes eléctricas de alto voltaje 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 operan más cerca de su capacidad que en el pasado.
Para comprender el flujo de GIC en las redes eléctricas y asesorar sobre el riesgo de GIC, es necesario un análisis de las propiedades cuasi-DC de la red. [6] Esto debe combinarse con un modelo geofísico de la Tierra que proporcione el campo eléctrico de la superficie impulsora, determinado combinando campos de fuentes ionosféricas variables en el tiempo y un modelo de conductividad de la Tierra. Estos 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 corriente ionosférica fuente 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 en un sistema de transmisión y ejecutar escenarios de eventos hipotéticos.
La gestión de la red también se ve favorecida por los pronósticos meteorológicos espaciales de grandes 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) con destino 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 parte de una nave espacial en el punto Lagrangiano L 1 , da una advertencia definitiva de 20 a 60 minutos de una tormenta geomagnética (nuevamente dependiendo de la velocidad del viento solar local). Se necesitan aproximadamente dos o tres días después del lanzamiento de una CME desde el Sol para que una tormenta geomagnética llegue a la Tierra y afecte el campo geomagnético de la Tierra. [8]
Existen importantes redes de oleoductos en todas las latitudes y muchos sistemas están a escala continental. Las redes de tuberías se construyen con acero para contener líquidos o gases a alta presión y tienen revestimientos resistentes a la corrosión. El daño al revestimiento de la tubería puede provocar que el acero quede expuesto al suelo o al agua, lo que posiblemente cause corrosión localizada. Si la tubería está enterrada, se utiliza protección catódica para minimizar la corrosión manteniendo el acero en un potencial negativo con respecto al suelo. El potencial de funcionamiento se determina a partir de las propiedades electroquímicas del suelo y de la tierra en las proximidades de la tubería. El peligro de los GIC para las tuberías es que los GIC causan oscilaciones en el potencial entre la tubería y el suelo, lo que aumenta la tasa de corrosión durante las grandes 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 tubería a suelo en cualquier punto a lo largo de la tubería [10] (Boteler, 1997). Estos modelos deben considerar topologías de tuberías complicadas, incluidas curvas y bifurcaciones, así como aisladores eléctricos (o bridas) que aíslan eléctricamente diferentes secciones. A partir de un conocimiento detallado de la respuesta de la tubería al 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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