تأثير التوافقيات السالبة ذات التسلسل الجيومغناطيسي على محولات القدرة

دراسة تأثير التوافقيات السالبة التسلسل على محولات القدرة

المصدر الرئيسي هو التفاعل بين المجال المغناطيسي للأرض والشمس، والتي يؤثر نشاطها بشكل مباشر على “الغلاف المغناطيسي للأرض”، حيث أن أي اختلاف كبير في انبعاثات الشمس يسبب اضطراباً مغناطيسياً أرضياً (GMD)، كما يتم تعريف (GMD) على أنه اضطراب مؤقت في “الغلاف المغناطيسي للأرض” ناتج عن انبعاثات الشمس الموجهة إلى الأرض.

وذلك مثل “التوهجات الشمسية” والعواصف الإشعاعية والانبعاثات التكتلية الإكليلية (CMEs)، بحيث تتصادم الجسيمات النشطة مع الأيونوسفير، وتنتج مصابيح الفلورسنت المعروفة باسم الشفق وتنتج أيضاً نفاثات كهربائية، وهي تيار من التيارات في الموصلات الافتراضية على ارتفاع مئات الكيلومترات فوق سطح الأرض.

أثر تقلبات التيار الكهربائي التسلسل الجيومغناطيسي في محولات القدرة

كما تنتج التقلبات في شدة التيار الكهربائي واتجاهه مجالاً كهربائياً على مستوى الأرض يسمى المجال الجيوكهربائي، والذي يتراكم عبر مسافات، مما يتسبب في اختلاف الجهد الأرضي بين المواقع البعيدة، كما يدير المجال الكهروضوئي تياراً شبه مستمر يتدفق على سطح الأرض في اتجاه الحقل، كما تسمى هذه التيارات بالتيارات المستحثة مغناطيسياً (GICs)، بحيث يمكن أن تدخل (GICs) إلى نظام الطاقة من خلال المحولات المؤرضة للمحولات المتصلة بالشبكة.

لذلك لمحولات القدرة أدوات أساسية ومكلفة، بحيث تُستخدم على نطاق واسع في أنظمة الطاقة، كما أن هناك أكثر من (2100) محول عالي الجهد وفائق الجهد في أنظمة الطاقة الأمريكية وكلها عرضة للتلف الذي تسببه (GICs)، ونظراً لأن المهلة الزمنية لمحولات الطاقة تتراوح بين 12 و 24 شهراً؛ فإن فقدان أي من هذه المحولات يعني فقدان إمكانية الخدمة في شبكة الطاقة المرتبطة، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن استبدال المحولات سيتكبد خسائر مالية فادحة.

الأثر الاشعاعي الذي تسببه (GICs) على محولات القدرة

إن التهديد الأساسي الذي تشكله (GICs) لمحولات الطاقة هو تسخين الملف وما يقابله من خسائر في الأرواح، حيث أن المحايدة المؤرضة لمحولات الطاقة تكون عالية الجهد هي نقاط دخول لمراكز (GIC) في نظام الطاقة.

ونظراً للاختلاف البطيء في (GICs) (أقل من 1 هرتز)؛ فإنها تظهر على شكل تيار مستمر لنظام الطاقة الذي يغلب عليه التيار المتردد. تسبب تيارات التيار المستمر تحيزاً شديداً في قلب المحولات، كما أن هذه الظاهرة تسمى نصف دورة التشبع، بحيث يؤدي تشبع نصف الدورة إلى تسخين وتوافقيات في المحول، مما يفرض مخاطر تعطل المحولات ويقلل من متوسط العمر المتوقع للمحول الكهربائي.

كما يلخص الشكل التالي (1) تأثيرات (GICs) على مكونات نظام الطاقة، حيث تنظر الشبكة إلى المحولات المشبعة بواسطة (GIC) على أنها أحمال استقرائية ضخمة، لذا فهي تزيد بشكل كبير من استهلاك الطاقة التفاعلية للشبكة، وبالتالي؛ فإن معوضات القدرة التفاعلية، على سبيل المثال المكثفات والمعوضات المتزامنة الثابتة (STATCOMs) ومعوضات الفرق الثابت (SVCs).

كما أن هذا يؤدي إلى انهيار الجهد، وفي النهاية؛ فإن رحلة المولدات بسبب انخفاض الجهد، بحيث تولد (GIC) أيضاً توافقيات غير عادية تؤدي إلى حدوث خلل في المرحلات ودعم القدرة التفاعلية والمولدات، وعلاوة على ذلك، فقد يعاني المحول من تقلبات في تدفق الطاقة الحقيقي والمتفاعل وتدفق شارد شديد وارتفاع درجة الحرارة وتكوين الغاز والضوضاء المسموعة وانخفاض الجهد.

تاريخياً؛ فقد كان للعواصف الجيومغناطيسية تأثيرات مباشرة على أنظمة الطاقة، كما كانت أحداث (GMD) الكارثية هي عاصفة 1989م، (Hydro-Quebec) و (2003 Halloween)، بحيث أثرت عاصفة (GIC) في عام 1989م على قارة أمريكا الشمالية وتسببت في تعثر سبع وحدات من المعوضات الإستاتيكية (SVC) في غضون 60 ثانية.

وتسبب هذا بدوره في انهار شبكة 735 كيلو فولت (Hydro-Quebec) بعد 25 ثانية، كما أثر حدث عيد الهالوين عام 2003م على شمال أوروبا واستمر لمدة شهر تقريباً، مما تسبب في انقطاع التيار الكهربائي الذي أثر على آلاف العملاء ةالمشتركين.

أيضاً تم توثيق أحداث (GIC) الرئيسية بشكل جيد في مختلف الدراسات يقدم التقرير في مراجعة شاملة لحدث عام 1989م، حيث بلغ إجمالي تدفق (GIC) المتدفق في شبكة الطاقة الأمريكية ذروته حوالي (8) كيلو أمبير، بحيث تشارك الوثيقة أيضاً بيانات (GIC) لمجمعات الطاقة في شرق الولايات المتحدة، مثل (PJM) و (SERC).

كما أن هناك العديد من محطات وموارد المراقبة (GIC) و (GMD) على مستوى العالم التي توفر قياسات وتنبؤات في الوقت الفعلي، مثل مركز طقس الفضاء الكوري وإدارة “بونفيل” للطاقة ومركز التنبؤ بالطقس الفضائي والمركز الوطني للشبكات في المملكة المتحدة.

حيث يمكن أيضاً وضع الأجهزة النشطة في الملف الثالث لتوليد قوة دافعة مغناطيسية معاكسة لتلك الناتجة عن (GIC)، وتحقيقا لهذه الغاية؛ فقد اقترح المختصون أنظمة ترشيح محولات متكاملة (TIFS)، وذلك على عكس المحولات التقليدية.

لذلك تحتوي (TIFS) على ملف ترشيح منفصل يمكن ضبطه لتصفية بعض التوافقيات، مثل الخامس والسابع، كما يحتوي (TIFS) على ملف رابع متصل بمصدر جهد متحكم به لتغيير ممانعة التسلسل الصفري.