भू-चुंबकीय रूप से प्रेरित धारा

भू-चुंबकीय रूप से प्रेरित धाराएँ (GIC) अंतरिक्ष मौसम की घटनाओं के कारण भू-चुंबकीय क्षेत्र में तेजी से बदलाव से पृथ्वी की सतह पर प्रेरित विद्युत धाराएँ हैं। जीआईसी लंबे विद्युत कंडक्टर सिस्टम जैसे विद्युत शक्ति संचरण और दफन पाइपलाइन परिवहन के सामान्य संचालन को प्रभावित कर सकते हैं। जीआईसी को प्रेरित करने वाले भू-चुंबकीय गड़बड़ी में भू-चुंबकीय तूफान और उप-तूफान शामिल हैं जहां उच्च भू-चुंबकीय अक्षांशों पर सबसे गंभीर गड़बड़ी होती है।

पृष्ठभूमि

पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र समय की एक विस्तृत श्रृंखला में भिन्न होता है। आमतौर पर दशकों से सहस्राब्दियों तक होने वाली लंबी अवधि की विविधताएँ मुख्य रूप से पृथ्वी के कोर में डायनेमो क्रिया का परिणाम हैं। आयनमंडल, चुंबकमंडल और हेलिओस्फियर में गतिशील प्रक्रियाओं के कारण सेकंड से लेकर वर्षों तक के समय के पैमाने पर भू-चुंबकीय भिन्नताएं भी होती हैं। ये परिवर्तन अंततः सौर चक्र | सौर गतिविधि (या सनस्पॉट) चक्र से जुड़े बदलावों से जुड़े हैं और अंतरिक्ष मौसम की अभिव्यक्तियाँ हैं।

तथ्य यह है कि भू-चुंबकीय क्षेत्र सौर स्थितियों का जवाब देता है, उपयोगी हो सकता है, उदाहरण के लिए, magnetotellurics का उपयोग करके पृथ्वी की संरचना की जांच में, लेकिन यह एक खतरा भी पैदा करता है। यह भू-चुंबकीय खतरा मुख्य रूप से पृथ्वी के सुरक्षात्मक वायुमंडलीय कंबल के तहत प्रौद्योगिकी के लिए एक जोखिम है।

बुनियादी ढांचे के लिए जोखिम

जीआईसी की पीढ़ी के लिए मूल सिद्धांत: आयनोस्फेरिक धाराओं (आई (टी)) की विविधता एक विद्युत क्षेत्र (ई (टी)) उत्पन्न करती है जो जीआईसी चलाती है। फिनिश प्राकृतिक गैस पाइपलाइन से वास्तविक जीआईसी रिकॉर्डिंग भी दिखाई गई हैं।

पृथ्वी के बाहर एक समय-परिवर्तनशील चुंबकीय क्षेत्र टेल्यूरिक करंट को प्रेरित करता है - संवाहक जमीन में विद्युत धाराएँ। ये धाराएँ एक द्वितीयक (आंतरिक) चुंबकीय क्षेत्र बनाती हैं। फैराडे के प्रेरण के नियम के परिणामस्वरूप, पृथ्वी की सतह पर एक विद्युत क्षेत्र चुंबकीय क्षेत्र के समय परिवर्तन के साथ प्रेरित होता है। सतह विद्युत क्षेत्र विद्युत धाराओं का कारण बनता है, जिसे भू-चुंबकीय रूप से प्रेरित धाराओं (जीआईसी) के रूप में जाना जाता है, किसी भी संचालन संरचना में प्रवाहित होता है, उदाहरण के लिए, पृथ्वी में स्थित एक शक्ति या पाइपलाइन ग्रिड। वी/किमी में मापा गया यह विद्युत क्षेत्र, पूरे नेटवर्क में वोल्टेज स्रोत के रूप में कार्य करता है।

कंडक्टिंग नेटवर्क के उदाहरण विद्युत ऊर्जा संचरण ग्रिड, तेल और गैस पाइपलाइन, गैर-फाइबर ऑप्टिक अंडरसी संचार केबल, गैर-फाइबर ऑप्टिक टेलीफोन और टेलीग्राफ नेटवर्क और रेलवे हैं। जीआईसी को अक्सर अर्ध प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) के रूप में वर्णित किया जाता है, हालांकि जीआईसी की भिन्नता आवृत्ति विद्युत क्षेत्र की समय भिन्नता से नियंत्रित होती है। GIC के लिए प्रौद्योगिकी के लिए खतरा होने के लिए, करंट को एक परिमाण और घटना आवृत्ति का होना चाहिए जो उपकरण को तत्काल या संचयी क्षति के लिए अतिसंवेदनशील बनाता है। किसी भी नेटवर्क में GIC का आकार विद्युत गुणों और नेटवर्क की टोपोलॉजी द्वारा नियंत्रित होता है। सबसे बड़ा मैग्नेटोस्फेरिक-आयनोस्फेरिक करंट बदलाव, जिसके परिणामस्वरूप सबसे बड़ा बाहरी चुंबकीय क्षेत्र बदलाव होता है, भू-चुंबकीय तूफानों के दौरान होता है और तब सबसे बड़ा जीआईसी होता है। महत्वपूर्ण भिन्नता अवधि आमतौर पर सेकंड से लेकर लगभग एक घंटे तक होती है, इसलिए प्रेरण प्रक्रिया में ऊपरी मेंटल (पृथ्वी) और स्थलमंडल शामिल होते हैं। चूंकि उच्च चुंबकीय अक्षांशों पर सबसे बड़े चुंबकीय क्षेत्र भिन्नताएं देखी जाती हैं, जीआईसी को 1970 के दशक से कनाडाई, फिनिश और स्कैंडिनेवियाई पावर ग्रिड और पाइपलाइनों में नियमित रूप से मापा जाता रहा है। दसियों से सैकड़ों एम्पेयर का GIC दर्ज किया गया है। प्रमुख तूफानों के दौरान मध्य-अक्षांश में भी GIC दर्ज किया गया है। यहाँ तक कि कम अक्षांश क्षेत्रों के लिए भी जोखिम हो सकता है, विशेष रूप से अचानक शुरू होने वाले तूफान के दौरान, पृथ्वी के दिन की ओर होने वाले क्षेत्र के परिवर्तन की उच्च, लघु-अवधि दर के कारण।

GIC को पहली बार सौर चक्र 9 के दौरान 1847-8 में उभरते हुए विद्युत टेलीग्राफ नेटवर्क पर देखा गया था। तकनीकी परिवर्तन और कंडक्टिंग नेटवर्क के विकास ने आधुनिक समाज में GIC के महत्व को और अधिक बढ़ा दिया है। अंडरसी केबल, टेलीफोन और टेलीग्राफ नेटवर्क और रेलवे के लिए तकनीकी विचार समान हैं। इन प्रणालियों के बारे में खुले साहित्य में कम समस्याएं बताई गई हैं क्योंकि लचीलापन सुनिश्चित करने के प्रयास किए गए हैं।

पावर ग्रिड में

आधुनिक इलेक्ट्रिक पॉवर ट्रांसमिशन में बिजली के सर्किट से जुड़े हुए उत्पादन संयंत्र होते हैं जो सबस्टेशनों पर नियंत्रित निश्चित ट्रांसमिशन वोल्टेज पर काम करते हैं। नियोजित ग्रिड वोल्टेज इन सबस्टेशनों के बीच पथ की लंबाई पर काफी हद तक निर्भर हैं और 200-700 केवी सिस्टम वोल्टेज आम हैं। लंबे और लंबे पथ लंबाई पर संचरण हानियों को कम करने के लिए उच्च वोल्टेज और कम लाइन प्रतिरोधों का उपयोग करने की प्रवृत्ति है। निम्न रेखा प्रतिरोध GIC के प्रवाह के अनुकूल स्थिति उत्पन्न करते हैं। ट्रांसफार्मर में एक चुंबकीय सर्किट होता है जो अर्ध-डीसी जीआईसी द्वारा बाधित होता है: जीआईसी द्वारा उत्पादित क्षेत्र चुंबकीय सर्किट के ऑपरेटिंग बिंदु को ऑफसेट करता है और ट्रांसफॉर्मर अर्ध-चक्र संतृप्ति (चुंबकीय) में जा सकता है। यह एसी वेवफॉर्म, स्थानीय हीटिंग में हार्मोनिक्स पैदा करता है और उच्च प्रतिक्रियाशील बिजली की मांग, अक्षम बिजली संचरण और सुरक्षात्मक उपायों के संभावित गलत संचालन की ओर जाता है। ऐसी स्थितियों में नेटवर्क को संतुलित करने के लिए महत्वपूर्ण अतिरिक्त प्रतिक्रियाशील शक्ति क्षमता की आवश्यकता होती है। ट्रांसफॉर्मर के लिए महत्वपूर्ण समस्याएं पैदा करने वाली जीआईसी की परिमाण ट्रांसफार्मर प्रकार के साथ भिन्न होती है। आधुनिक उद्योग अभ्यास नए ट्रांसफॉर्मर पर जीआईसी सहनशीलता स्तर निर्दिष्ट करना है।

13 मार्च 1989, मार्च 1989 को भू-चुंबकीय तूफान ने सेकंड के एक मामले में हाइड्रो-क्यूबेक पावर ग्रिड के पतन का कारण बना, क्योंकि उपकरणों के सुरक्षात्मक रिले घटनाओं के एक व्यापक क्रम में फंस गए। महत्वपूर्ण आर्थिक नुकसान के साथ छह लाख लोगों को नौ घंटे तक बिजली के बिना छोड़ दिया गया था। 1989 के बाद से, उत्तरी अमेरिका, यूनाइटेड किंगडम, उत्तरी यूरोप और अन्य जगहों की बिजली कंपनियों ने जीआईसी जोखिम के मूल्यांकन और शमन रणनीतियों को विकसित करने में निवेश किया है।

कैपेसिटर ब्लॉकिंग सिस्टम, मेंटेनेंस शेड्यूल में बदलाव, अतिरिक्त ऑन-डिमांड जनरेटिंग क्षमता और अंततः लोड शेडिंग द्वारा जीआईसी जोखिम को कुछ हद तक कम किया जा सकता है। ये विकल्प महंगे हैं और कभी-कभी अव्यवहारिक होते हैं। उच्च वोल्टेज बिजली नेटवर्क के निरंतर विकास के परिणामस्वरूप उच्च जोखिम होता है। यह आंशिक रूप से उच्च वोल्टेज पर इंटरकनेक्टेडनेस में वृद्धि, ऑरोरल ज़ोन में ग्रिड के लिए बिजली संचरण के संदर्भ में कनेक्शन, और अतीत की तुलना में क्षमता के करीब संचालित ग्रिड के कारण है।

पावर ग्रिड में जीआईसी के प्रवाह को समझने और जीआईसी जोखिम पर सलाह देने के लिए ग्रिड के अर्ध-डीसी गुणों का विश्लेषण आवश्यक है। इसे पृथ्वी के एक भूभौतिकीय मॉडल के साथ जोड़ा जाना चाहिए जो ड्राइविंग सतह विद्युत क्षेत्र प्रदान करता है, जो समय-भिन्न आयनोस्फेरिक स्रोत क्षेत्रों और पृथ्वी के एक चालकता मॉडल के संयोजन से निर्धारित होता है। इस तरह के विश्लेषण उत्तरी अमेरिका, ब्रिटेन और उत्तरी यूरोप में किए गए हैं। पावर ग्रिड की जटिलता, स्रोत आयनोस्फेरिक करंट सिस्टम और 3डी ग्राउंड कंडक्टिविटी एक सटीक विश्लेषण को कठिन बनाते हैं। प्रमुख तूफानों और उनके परिणामों का विश्लेषण करने में सक्षम होने से हम एक संचरण प्रणाली में कमजोर स्थानों की तस्वीर बना सकते हैं और काल्पनिक घटना परिदृश्यों को चला सकते हैं।

ग्रिड प्रबंधन प्रमुख भू-चुंबकीय तूफानों के अंतरिक्ष मौसम पूर्वानुमानों द्वारा भी सहायता प्राप्त है। यह शमन रणनीतियों को लागू करने की अनुमति देता है। सीएमई की गति के आधार पर, सौर अवलोकन पृथ्वी के कोरोनल मास इजेक्शन (सीएमई) की एक से तीन दिन की चेतावनी प्रदान करते हैं। इसके बाद, अंतरिक्ष यान द्वारा सौर हवा में सीएमई से पहले सौर हवा के झटकों का पता लगाना L₁ Lagrangian बिंदु, एक भू-चुंबकीय तूफान (फिर से स्थानीय सौर हवा की गति के आधार पर) की निश्चित 20 से 60 मिनट की चेतावनी देता है। भू-चुंबकीय तूफान के पृथ्वी तक पहुंचने और पृथ्वी के भू-चुंबकीय क्षेत्र को प्रभावित करने के लिए सूर्य से एक सीएमई लॉन्च होने के बाद लगभग दो से तीन दिन लगते हैं।

पाइपलाइनों में जीआईसी खतरा

पाइपलाइन को क्षरण से बचाने के लिए उपयोग की जाने वाली कैथोडिक सुरक्षा प्रणाली का योजनाबद्ध चित्रण।

प्रमुख पाइपलाइन नेटवर्क सभी अक्षांशों पर मौजूद हैं और कई प्रणालियां महाद्वीपीय पैमाने पर हैं। उच्च दबाव वाले तरल या गैस को समाहित करने के लिए स्टील से पाइपलाइन नेटवर्क का निर्माण किया जाता है और संक्षारण प्रतिरोधी कोटिंग्स होती हैं। पाइपलाइन कोटिंग को नुकसान के परिणामस्वरूप स्टील को मिट्टी या पानी के संपर्क में लाया जा सकता है जिससे संभवतः स्थानीय क्षरण हो सकता है। यदि पाइपलाइन को दफन किया जाता है, तो जमीन के संबंध में स्टील को नकारात्मक क्षमता पर बनाए रखने के द्वारा क्षरण को कम करने के लिए कैथोडिक संरक्षण का उपयोग किया जाता है। परिचालन क्षमता पाइपलाइन के आसपास के क्षेत्र में मिट्टी और पृथ्वी के विद्युत-रासायनिक गुणों से निर्धारित होती है। पाइपलाइनों के लिए GIC खतरा यह है कि GIC पाइप-से-मिट्टी की क्षमता में झूलों का कारण बनता है, जिससे प्रमुख भू-चुंबकीय तूफानों (गुम्मो, 2002) के दौरान क्षरण की दर बढ़ जाती है। जीआईसी जोखिम विनाशकारी विफलता का जोखिम नहीं है, बल्कि पाइपलाइन का कम सेवा जीवन है।

पाइपलाइन नेटवर्क को पावर ग्रिड के समान तरीके से तैयार किया जाता है, उदाहरण के लिए वितरित स्रोत ट्रांसमिशन लाइन मॉडल के माध्यम से जो पाइप के साथ किसी भी बिंदु पर पाइप-टू-सॉइल क्षमता प्रदान करते हैं (बोटेलर, 1997; पुल्किनन एट अल।, 2001)। इन मॉडलों को जटिल पाइपलाइन टोपोलॉजी पर विचार करने की आवश्यकता है, जिसमें मोड़ और शाखाएं शामिल हैं, साथ ही विद्युत इंसुलेटर (या फ्लैंगेस) जो विभिन्न वर्गों को विद्युत रूप से अलग करते हैं। जीआईसी को पाइपलाइन की प्रतिक्रिया के विस्तृत ज्ञान से, पाइपलाइन इंजीनियर भू-चुंबकीय तूफान के दौरान भी कैथोडिक सुरक्षा प्रणाली के व्यवहार को समझ सकते हैं, जब पाइपलाइन सर्वेक्षण और रखरखाव निलंबित हो सकता है।

यह भी देखें

• सौर तूफानों की सूची
  • 1859 का सौर तूफान
• ऑरोरा (एस्ट्रोनॉमी)#ऐतिहासिक महत्व की ऑरोरल घटनाएं|ऑरोरा (एस्ट्रोनॉमी)

आगे की पढाई

• Bolduc, L., GIC observations and studies in the Hydro-Québec power system. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64(16), 1793–1802, 2002.
• Boteler, D. H., Distributed source transmission line theory for electromagnetic induction studies. In Supplement of the Proceedings of the 12th International Zurich Symposium and Technical Exhibition on Electromagnetic Compatibility. pp. 401–408, 1997.
• Boteler, D. H., Pirjola, R. J. and Nevanlinna, H., The effects of geomagnetic disturbances on electrical systems at the Earth's surface. Adv. Space. Res., 22(1), 17-27, 1998.
• Erinmez, I. A., Kappenman, J. G. and Radasky, W. A., Management of the geomagnetically induced current risks on the national grid company's electric power transmission system. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64(5-6), 743-756, 2002.
• Gummow, R. A., GIC effects on pipeline corrosion and corrosion-control systems. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64(16), 1755–1764, 2002.
• Lanzerotti, L. J., Space weather effects on technologies. In Song, P., Singer, H. J., Siscoe, G. L. (eds.), Space Weather. American Geophysical Union, Geophysical Monograph, 125, pp. 11–22, 2001.
• Lehtinen, M., and R. Pirjola, Currents produced in earthed conductor networks by geomagnetically-induced electric fields, Annales Geophysicae, 3, 4, 479-484, 1985.
• Pirjola, R., Fundamentals about the flow of geomagnetically induced currents in a power system applicable to estimating space weather risks and designing remedies. J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 64(18), 1967–1972, 2002.
• Pirjola, R., Kauristie, K., Lappalainen, H. and Viljanen, A. and Pulkkinen A., Space weather risk. AGU Space Weather, 3, S02A02, doi:10.1029/2004SW000112, 2005.
• Thomson, A. W. P., A. J. McKay, E. Clarke, and S. J. Reay, Surface electric fields and geomagnetically induced currents in the Scottish Power grid during the 30 October 2003 geomagnetic storm, AGU Space Weather, 3, S11002, doi:10.1029/2005SW000156, 2005.
• Pulkkinen, A., R. Pirjola, D. Boteler, A. Viljanen, and I. Yegorov, Modelling of space weather effects on pipelines, Journal of Applied Geophysics, 48, 233-256, 2001.
• Pulkkinen, A. Geomagnetic Induction During Highly Disturbed Space Weather Conditions: Studies of Ground Effects, PhD thesis, University of Helsinki, 2003. (available at eThesis) Archived 2013-05-27 at the Wayback Machine
• Price, P.R., Geomagnetically induced current effects on transformers, IEEE Transactions on Power Delivery, 17, 4, 1002–1008, 2002, doi:10.1109/TPWRD.2002.803710

बाहरी कड़ियाँ

• Solar Shield — experimental GIC forecasting system Archived 2009-07-16 at the Wayback Machine
• Solar Terrestrial Dispatch — GIC warning distribution center
• GICnow! Service by Finnish Meteorological Institute
• Ground Effects Topical Group of ESA Space Weather Working Team
• GIC measurements
• Metatech Corporation's GIC site
• Space Weather Canada

Power grid related links

• Geomagnetic Storm Induced HVAC Transformer Failure is Avoidable Archived 2013-05-17 at the Wayback Machine
• NOAA Economics -- Geomagnetic Storm datasets and Economic Research
• Geomagnetic Storms Can Threaten Electric Power Grid GICs: The Bane of Technology-Dependent Societies by Delores J. Knipp (AGU)