حرائق الغابات بسبب أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية

ضرورة الحد من حرائق الغابات من خلال تخطيط أنظمة الطاقة الكهربائية

كما تم تطوير آلاف الأميال من خطوط الكهرباء في واجهة قاحلة بين الأراضي البرية والحضرية لتوفير خدمة الكهرباء للمجتمعات الريفية والنائية، وغالباً ما تكون البنية التحتية للطاقة في هذه المواقع قديمة ومعرضة لخطر اندلاع حرائق الغابات الكارثية، مما يعرض البنية التحتية للمرافق والبيئة الطبيعية وحياة المجتمعات المجاورة وممتلكاتها للخطر.

ولعقود من الزمن، تم تصميم أنظمة الطاقة وتشغيلها للحد من تكرار ومدة الانقطاعات في خدمة الطاقة كما تم تقييمها بواسطة مقاييس مثل مؤشر متوسط ​​فترة انقطاع النظام (SAIDI) ومؤشر متوسط ​​انقطاع النظام (SAIFI)، ومع ذلك فقد تحدت الأحداث الكارثية الأخيرة هذا النموذج المرتكز على الموثوقية وكشفت الحاجة إلى مقاييس ومبادئ تشغيل جديدة في صناعة الطاقة.

لذلك تم تطوير مفهوم المرونة واستكشافه في شبكات الطاقة بهدف التحديد الكمي وتعزيز قدرة الشبكة في نهاية المطاف على منع الأحداث الكارثية ذات الاحتمالية المنخفضة والاستجابة لها والتي قد يكون لها تأثير كبير أو طويل الأمد على أداء شبكات الطاقة الكهربائية.

كما تم تعريف مرونة نظام الطاقة على نطاق واسع بأنها “قدرة شبكة الطاقة على الاستعداد والتكيف مع الظروف المتغيرة ومقاومة الاضطرابات والتعافي منها بسرعة”، بحيث تختلف المرونة عن الموثوقية من حيث أنها تركز على الأحداث ذات التأثير المنخفض والاحتمالية المنخفضة بدلاً من تخفيف الانقطاعات في خدمة الكهرباء أثناء ظروف التشغيل العادية، كما تضمنت دراسات المرونة الملحوظة التأثيرات على شبكة الطاقة بسبب الطقس القاسي والهجمات الإلكترونية والمادية والانقطاعات المتتالية للتيار الكهربائي.

لذلك يستكشف عدد كبير من المؤلفات البحثية طرقاً لتحديد مرونة نظام الطاقة من خلال مناهج تقييم الأداء، بحيث يقترح الباحثون طريقة لتحديد مرونة نظام البنية التحتية من خلال قياس قدرته على مقاومة أو منع المخاطر وامتصاص الضرر الأولي ولعودة إلى التشغيل الطبيعي، كما تم إنفاق هذه العملية وتم تطوير سلسلة من مقاييس المرونة بناءً على قياس أداء نظام الطاقة بمرور الوقت.

كذلك يمكن قياس تأثيرات الحدث المتطرف على شبكة الطاقة من خلال النظر، على سبيل المثال في عدد العملاء الذين ليس لديهم طاقة أو مقدار الحمل المقلص أو عدد مكونات نظام الطاقة التي أصبحت غير متوفرة على مدار حدث كارثي، بحيث تحدد مقاييس المرونة الجوانب المختلفة لأداء شبكة الطاقة أثناء الأحداث المتطرفة، بما في ذلك المعدل الذي يصل فيه النظام إلى أشد حالاته تدهوراً ومدى التأثير الناجم عن حدث كارثي والمدة الزمنية التي تظل فيها شبكة الطاقة.

كما يمكن القول إن إدارة مخاطر حرائق الغابات كانت أكبر تحدٍ مؤخراً لمرافق الكهرباء مع البنية التحتية الموجودة في الواجهة البرية والحضرية، بحيث تعمل المرافق على نشر حلول للتخفيف من مخاطر الحرائق الهائلة، مثل عمليات إيقاف تشغيل الطاقة للسلامة العامة، والتي تعتبر غير بديهية من نموذج التشغيل المرتكز على الموثوقية.

اشتعال الغابات بواسطة أنظمة التوزيع الكهربائية

على الرغم من حدوث الأعطال والفشل والحرائق في كل نظام فرعي تقريباً داخل نظام الطاقة، إلا أن الغالبية العظمى من حرائق الغابات المرتبطة بنظام الطاقة ناتجة عن نظام التوزيع، كما تنتشر خطوط التوزيع حول العالم في جميع أنحاء الأراضي البرية القاحلة المعرضة للاشتعال، وفي معظم الحالات المعروفة؛ يبدأ الاشتعال في الهشيم من أنظمة الطاقة عن طريق خطأ غير مقصود أو أي شكل آخر من أشكال الفشل الكارثي.

وعندما تتلامس خطوط الطاقة مع جسم خارجي؛ فقد تجد الكهرباء المتدفقة عبر هذا الخط مساراً بديلاً للأرض مما يتسبب في حدوث خلل في النظام، وعندما يتحقق هذا المسار إلى الأرض تنتقل كمية كبيرة من التيار من الخط النشط إلى الأرض عبر هذا المسار، مما يؤدي إلى حدوث تيار عطل كبير في الخط، بحيث يتسبب الانهيار في إطلاق الطاقة على طول المسار إلى الأرض، مما يشكل قوساً عالي الطاقة يمكن أن يصل إلى درجات حرارة تصل إلى (2240) درجة مئوية.

كما يتم تنسيق أجهزة حماية النظام مثل قواطع الدائرة والصمامات بشكل متعمد لاكتشاف تيار الأعطال وإلغاء تنشيط خط الطاقة المعيب في أسرع وقت ممكن، بحيث تُظهر حالات اشتعال حرائق الغابات المعروفة مجموعة متنوعة من الطرق التي يمكن أن تتسبب بها الأقواس في اشتعال حريق هائل بشكل مستمر.

لذلك يمكن للأقواس إشعال الوقود المحيط من خلال الاتصال المباشر وإشعال جسم غريب مثل الغطاء النباتي الذي يلامس الخط النشط أو يذوب الموصل المعدني (عادةً ما يكون مصنوعاً من الألومنيوم والفولاذ) مما يتسبب في إخراج جزيئات المعدن المنصهر أو مواقد النار من خط الكهرباء على الأرض، كما تمت دراسة هذه الظواهر، وذلك من حيث صلتها بنظام الطاقة الذي تسبب في اشتعال النيران.

وبالتالي؛ فإن الاحتمالية الإجمالية لاشتعال حريق هائل في جزء من وحدة تغذية التوزيع يجب أن تعمل على حد سواء، وهي احتمال تعرض الخط لخطأ، وأن العطل الناتج سوف يشعل أسِرَّة الوقود المحيطة، كما أن كل منها هو حدث غير مرجح يعتمد على مجموعة متنوعة من العوامل التي يمكن السيطرة عليها والتي لا يمكن السيطرة عليها.

وعلى هذا النحو؛ فإنه يتم تصنيف تقنيات التخفيف من حرائق الغابات التي تم استكشافها في هذا الطرح على النحو التالي، وبناءً على دورها في التخفيف من حدوث حرائق الغابات في أنظمة الطاقة:

• يتم استخدام طرق منع الأعطال مثل التصلب الهيكلي وإدارة الأصول والتفتيش وأنظمة الحماية المتقدمة وإدارة الغطاء النباتي لتقليل احتمالية حدوث أعطال أو فشل في أنظمة التوزيع.

• يتم تنفيذ طرق منع الاشتعال مثل مخططات الحماية الحساسة وتعطيل (recloser) والتأريض الكهربائي الرنان لتقليل احتمالية اشتعال حرائق الغابات في حالة حدوث عطل أو عطل.

• يتم توظيف جهود الاستجابة للحرائق والتخفيف من أثرها، مثل الحفاظ على الوعي بالأوضاع وإقامة اتصالات مع شركاء البنية التحتية وطواقم الإطفاء والعملاء في الحالة غير المحتملة التي يحدث فيها اندلاع حريق هائل.

كما يمكن أن تؤدي تقنيات التخفيف من حدة حرائق الغابات واحداً أو أكثر من الأدوار المذكورة أعلاه، وعلى سبيل المثال لا يؤدي دفن خط التوزيع تحت الأرض إلى القضاء إلى حد كبير على التداخل مع الغطاء النباتي (تقليل احتمالية حدوث عطل) فحسب، ولكن في حالة حدوث عطل ما؛ فإنه عادةً لا يكون معرضاً لخطر إشعال أسِرَّة الوقود المحيطة (تقليل احتمالية الاشتعال).

كما يرد تصنيف لأبرز تقنيات التخفيف من حرائق الغابات في الجدول التالي، كما وقد تم اختيار هذه الفئات الثلاث لتصنيف فوائد كل تقنية من تقنيات التخفيف من حدة حرائق الغابات وتضم النهج ثلاثي الأبعاد للتخفيف من حرائق الغابات الوارد في هذه الدراسة.