Corriente inducida geomagnéticamente

Las corrientes inducidas geomagnéticamente ( CIG ) son corrientes eléctricas que se generan en la superficie terrestre debido a cambios rápidos en el campo geomagnético terrestre causados ​​por fenómenos meteorológicos espaciales . Las CIG pueden afectar el funcionamiento normal de sistemas de conductores eléctricos largos , como redes de transmisión eléctrica y tuberías enterradas . Las perturbaciones geomagnéticas que inducen CIG incluyen tormentas y subtormentas geomagnéticas, cuyas perturbaciones más severas ocurren en latitudes geomagnéticas elevadas .

El campo magnético terrestre varía en una amplia gama de escalas temporales. Las variaciones a largo plazo, que suelen producirse en escalas de décadas a milenios, son principalmente resultado de la acción de la dinamo en el núcleo terrestre. También se producen variaciones geomagnéticas en escalas de segundos a años, debido a procesos dinámicos en la ionosfera , la magnetosfera y la heliosfera . Estos cambios están, en última instancia, ligados a las 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, para investigar la estructura de la Tierra mediante magnetotelúrica , pero también crea un peligro. Este peligro geomagnético es principalmente un riesgo para la tecnología que se encuentra bajo la capa protectora de la atmósfera terrestre. ^{[ 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 terrestre asociado a las variaciones temporales del campo magnético. Este campo eléctrico superficial provoca que fluyan corrientes eléctricas, conocidas como corrientes geomagnéticamente inducidas, en cualquier estructura conductora, por ejemplo, una red eléctrica o de tuberías conectada a tierra. Este campo eléctrico, medido en V/km, actúa como fuente de tensión 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 cuasi continua (CC), aunque la frecuencia de variación de las GIC está regida por la variación temporal del campo eléctrico. Para que las GIC representen un peligro para la tecnología, la corriente debe tener una magnitud y frecuencia de ocurrencia que haga 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 la corriente magnetosférica-ionosférica, que dan lugar a las mayores variaciones del campo magnético externo, ocurren 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 electromagnéticas elevadas, las corrientes inducidas geomagnéticamente (GIC) se han medido regularmente en las redes eléctricas y oleoductos de Canadá, Finlandia y Escandinavia desde la década de 1970. Se han registrado GIC de decenas a cientos de amperios . También se han registrado GIC en latitudes medias durante tormentas intensas. Incluso podría existir un riesgo para las zonas de baja latitud, especialmente durante una tormenta que comience repentinamente, debido a la alta tasa de cambio del campo en periodos cortos que se produce en el lado diurno de la Tierra.

Las GIC se observaron por primera vez en la incipiente red de telégrafo eléctrico en 1847-1848 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 cables submarinos, redes telefónicas y telegráficas y ferrocarriles son similares. Se han reportado menos problemas en la literatura abierta sobre estos sistemas debido a los esfuerzos realizados para garantizar su resiliencia. ^{[ 3 ]}

Los sistemas modernos de transmisión de energía eléctrica constan de plantas generadoras interconectadas por circuitos eléctricos que operan a tensiones de transmisión fijas controladas en subestaciones. Las tensiones de red empleadas dependen en gran medida de la longitud del recorrido entre estas subestaciones, siendo comunes las tensiones de sistema de 200 a 700 kV. Existe una tendencia a utilizar tensiones más altas y resistencias de línea más bajas para reducir las pérdidas de transmisión en recorridos cada vez más largos. Las bajas resistencias de línea crean una situación favorable para el flujo de GIC. Los transformadores de potencia tienen un circuito magnético que se ve afectado por el GIC cuasi-CC: el campo producido por el GIC desplaza 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 conlleva mayores demandas de potencia reactiva , transmisión de potencia ineficiente y posible mal funcionamiento de las medidas de protección. El equilibrio de la red en tales situaciones requiere una capacidad de potencia reactiva adicional significativa. ^{[ 4 ]} La magnitud del GIC que causará problemas significativos a los transformadores varía según el tipo de transformador. La práctica industrial actual consiste en especificar los niveles de tolerancia de GIC en los transformadores nuevos.

El 13 de marzo de 1989, una fuerte tormenta geomagnética provocó el colapso de la red eléctrica de Hydro-Québec en cuestión de segundos, debido a la activación en cascada de los relés de protección de los equipos. ^{[ 5 ]} Seis millones de personas se quedaron sin electricidad durante nueve horas, con importantes pérdidas económicas. Desde 1989, las compañías eléctricas de Norteamérica, el Reino Unido, el norte de Europa y otros lugares han invertido en la evaluación del riesgo de corrientes inducidas geomagnéticamente (GIC) y en el desarrollo de estrategias de mitigación.

El riesgo de GIC puede reducirse, hasta cierto punto, mediante sistemas de bloqueo de capacitores, cambios en el programa de mantenimiento, capacidad de generación adicional bajo demanda y, en última instancia, la reducción de carga. Estas opciones son costosas y, a veces, poco prácticas. El continuo crecimiento de las redes eléctricas de alta tensión conlleva un mayor riesgo. Esto se debe, en parte, al aumento de la interconexión a tensiones más altas, las conexiones de transmisión de energía a redes en la zona auroral y el hecho de que las redes 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 analizar las propiedades cuasi-CC de la red. ^{[ 6 ]} Esto debe acoplarse con un modelo geofísico de la Tierra que proporcione el campo eléctrico superficial impulsor, determinado mediante la combinación de campos fuente ionosféricos variables en el tiempo y un modelo de conductividad de la Tierra. Dichos análisis se han realizado para 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 3D dificultan un análisis preciso. ^{[ 7 ]} Al poder analizar las grandes tormentas y sus consecuencias, los analistas pueden construir una imagen de los puntos débiles en un sistema de transmisión y ejecutar escenarios de eventos hipotéticos.

La gestión de la red eléctrica también se ve facilitada por las predicciones meteorológicas espaciales de grandes tormentas geomagnéticas. Esto permite implementar estrategias de mitigación. Las observaciones solares proporcionan una advertencia de uno a tres días sobre una eyección de masa coronal (CME) con destino a la Tierra, dependiendo de su velocidad. Posteriormente, la detección de la onda de choque del viento solar que precede a la CME en el viento solar, por parte de naves espaciales en el punto lagrangiano _L1 , proporciona una advertencia definitiva de 20 a 60 minutos sobre una tormenta geomagnética (nuevamente, dependiendo de la velocidad local del viento solar). Transcurren aproximadamente dos o tres días desde que una CME se origina en el Sol hasta que una tormenta geomagnética llega a la Tierra y afecta su campo geomagnético. ^{[ 8 ]}

Existen importantes redes de oleoductos en todas las latitudes y muchos sistemas son de escala continental. Estas redes se construyen con acero para contener líquidos o gases a alta presión y cuentan con recubrimientos resistentes a la corrosión. Los daños en el recubrimiento del oleoducto pueden exponer el acero al suelo o al agua, lo que podría causar corrosión localizada. Si el oleoducto está enterrado, 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 del oleoducto. El riesgo de las corrientes inducidas geomagnéticamente (GIC) para los oleoductos radica en que estas corrientes provocan fluctuaciones en el potencial tubería-suelo, aumentando la tasa de corrosión durante las tormentas geomagnéticas intensas. ^{[ 9 ]} El riesgo de GIC no implica una falla catastrófica, sino una reducción de la vida útil del oleoducto.

Las redes de oleoductos se modelan de forma similar a las redes eléctricas, por ejemplo, mediante modelos de líneas de transmisión de fuente distribuida que proporcionan el potencial tubería-suelo en cualquier punto a lo largo de la tubería ^{[ 10 ]} (Boteler, 1997). Estos modelos deben considerar topologías de oleoductos complejas, incluyendo codos y ramificaciones, así como aisladores eléctricos (o bridas) que aíslan eléctricamente diferentes secciones. A partir de un conocimiento detallado de la respuesta del oleoducto a la corriente inducida geomagnéticamente (GIC), los ingenieros de oleoductos pueden comprender el comportamiento del sistema de protección catódica incluso durante una tormenta geomagnética, cuando las labores de inspección y mantenimiento del oleoducto pueden suspenderse.

• Lista de tormentas solares
  • Tormenta solar de 1859
• Aurora (astronomía)

• Bolduc, L., Observaciones y estudios de GIC en el sistema eléctrico Hydro-Québec. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64(16), 1793–1802, 2002.
• Boteler, DH, Teoría de líneas de transmisión de fuentes distribuidas para estudios de inducción electromagnética. En Suplemento de las Actas del XII Simposio Internacional y Exposición Técnica de Zúrich sobre Compatibilidad Electromagnética. págs.  401–408, 1997.
• Boteler, DH, Pirjola, RJ y Nevanlinna, H., Los efectos de las perturbaciones geomagnéticas en los sistemas eléctricos en la superficie terrestre. Adv. Space. Res., 22(1), pp.17–27, 1998.
• Erinmez, IA, Kappenman, JG y Radasky, WA, Gestión de los riesgos de corrientes inducidas geomagnéticamente en el sistema de transmisión de energía eléctrica de la compañía de la red nacional. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64(5-6), 743–756, 2002.
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• Pirjola, R., Kauristie, K., Lappalainen, H. y Viljanen, A. y Pulkkinen A., Riesgo de clima espacial. Clima espacial AGU, 3, S02A02, doi : 10.1029/2004SW000112 , 2005.
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• Solar Shield : sistema experimental de predicción de GIC  . Archivado el 16 de julio de 2009 en Wayback Machine.
• Centro de distribución de alertas de GIC ( Centro Global de Información sobre Energía Solar) 
• GICnow! Servicio del Instituto Meteorológico Finlandés
• Grupo Temático sobre Efectos Terrestres del Equipo de Trabajo sobre Meteorología Espacial de la ESA . Archivado el 6 de febrero de 2007 en Wayback Machine.
• mediciones de GIC
• Sitio web de GIC de Metatech Corporation
• Clima espacial de Canadá

Enlaces relacionados con la red eléctrica

• Es evitable la falla de un transformador de HVAC inducida por una tormenta geomagnética . Archivado el 17 de mayo de 2013 en Wayback Machine.
• NOAA Economics – Conjuntos de datos sobre tormentas geomagnéticas e investigación económica
• Las tormentas geomagnéticas pueden amenazar las corrientes inducidas geomagnéticamente (GIC) de la red eléctrica: la pesadilla de las sociedades dependientes de la tecnología, por Delores J. Knipp ( AGU ).