CC BY
13Научная статья УДК 551.501.83
doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.006
АНАЛИЗ МОЛНИЕВОЙ АКТИВНОСТИ В МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ В 2021 ГОДУ
Василий Николаевич Селиванов1, Антон Владимирович Бурцев2, Виктор Владимирович Ивонин3, Виталий Валентинович Колобов4
1-4Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра
Российской академии наук, Апатиты, Россия
1v.selivanov@ksc.ru
2a.burtsev@ksc.ru
3v.ivonin@ksc.ru
4v.kolobov@ksc.ru
Аннотация
Представлены результаты анализа данных о молниевых разрядах на территории Мурманской области, зарегистрированных в 2021 г. некоммерческой сетью грозопеленгации Blitzortung. Несмотря на относительно низкий процент регистрируемых молниевых разрядов, сеть Blitzortung является единственным доступным источником информации о молниевой активности на территории Мурманской области. Выполнен анализ молниевой активности на территории Мурманской области в 2021 г., приведены данные о воздействии молний на объекты Кольской энергосистемы. Ключевые слова:
молниевая активность, Мурманская область, грозопеленгация, линии электропередачи Благодарности:
работа выполнена в рамках государственного задания Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук (FMEZ-2022-0014). Для цитирования:
Анализ молниевой активности в Мурманской области в 2021 году / В. Н. Селиванов, А. В. Бурцев, В. Н. Ивонин, В. В. Колобов // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2022. Т. 13, № 3. С. 59-67. doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.006
Original article
LIGHTNING ANALYSIS FOR THE MURMANSK REGION IN 2021
Vasilii N. Selivanov1, Anton V. Burtsev2, Viktor V. Ivonin3, Vitalii V. Kolobov4
1-4Northern Energetics Research Centre of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences,
Apatity, Russia
1 v.selivanov@ksc.ru
2a.burtsev@ksc.ru
3v.ivonin@ksc.ru
4v.kolobov@ksc.ru
Abstract
The article presents the results of the analysis of data on lightning discharges, registered in 2021 on the territory of the Murmansk region by the non-commercial lightning detection network Blitzortung. Despite the relatively low percentage of registered lightning discharges, the Blitzortung network is the only available source of information on lightning activity in the Murmansk region. The analysis of lightning activity in 2021 on the territory of the Murmansk region is carried out, data on the impact of lightning on the objects of the Kola Power System are presented. Keywords:
lightning activity, Murmansk region, lightning location, overhead transmission lines Acknowledgments:
the work was carried out within the framework of the State Research Program of the Northern Energetics Research Centre of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences (FMEZ-2022-0014). For citation:
Lightning analysis for the Murmansk region in 2021 / V. N. Selivanov, A. V. Burtsev, V. V. Ivonin, V. V. Kolobov // Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2022. Vol. 13, No. 3. P. 59-67. doi:10.37614/2949-1215.2022.13.3.006
Введение
С 2013 г. Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской академии наук (ЦЭС КНЦ РАН) в инициативном порядке проводит регистрацию разрядов молний на территории Мурманской области [1-3] двумя однопунктовыми грозопеленгаторами дальнего радиуса действия StormTracker канадской фирмы Boltek [4], регистраторами сигналов в нейтралях автотрансформаторов [5] и распределенной сетью грозопеленгаторов в рамках некоммерческого проекта сообщества Blitzortung [6].
К началу грозового сезона 2019 г. силами ЦЭС КНЦ РАН было установлено пять детекторов Blitzortung вблизи населенных пунктов Алакуртти, Умба, Апатиты, Ловозеро, Никель. В мае 2021 г. был установлен детектор в селе Варзуга. К концу 2021 г. на территории Мурманской области функционировали восемь детекторов молний, шесть из которых были установлены сотрудниками ЦЭС КНЦ РАН. На рис. 1 показаны места установки детекторов Blitzortung на карте Мурманской области.
Рис. 1. Детекторы Blitzortung на карте Мурманской области Fig. 1. Blitzortung detectors on the Murmansk region map
Для анализа молниевой активности разработан метод расчета уровня воздействия молний на воздушные линии электропередачи и другие протяженные объекты по всей их длине и создано программное обеспечение для ЭВМ, реализующее этот метод [7-10]. Разработанный метод позволяет получить информацию о воздействиях молний на любом участке воздушной линии (ВЛ). Он реализован в виде специального программного обеспечения, которое предназначено для получения данных об интенсивности воздействия грозовых разрядов на протяженные объекты и для построения соответствующих графиков. Исходными данными являются координаты промежуточных элементов исследуемого объекта (например, координаты опор линии электропередачи) и координаты грозовых разрядов с точным временем возникновения разряда на исследуемом участке за указанный промежуток времени.
Разработанное программное обеспечение использовалось при создании информационного ресурса "E-GRID Power Network DB — Электрические сети: База данных" (http://egrid.ien.kolasc.net.ru). Его база данных содержит информацию о ВЛ и подстанциях энергосистемы Мурманской области, а также координаты ударов молнии в землю. Эта информация используется для анализа молниевой активности на территории Мурманской области, ниже приведены результаты анализа грозового сезона 2021 г.
Анализ грозовой активности
Грозовой сезон 2021 г. начался 18 мая, а последняя гроза отмечена 31 августа. В табл. 1 представлены данные о грозовой деятельности сети Blitzortung за последние пять лет. Необходимо отметить, что сеть находится в стадии развития, группировка грозопеленгаторов с каждым годом увеличивается, что значительно увеличивает эффективность системы. Кроме того, система грозопеленгации Blitzortung регистрирует только удары молнии в землю, исключая превосходящие их по количеству межоблачные разряды. С большой долей вероятности точными в табл. 1 являются показатели начала и конца грозового сезона, а также число грозовых дней в году. Суммарное число разрядов определяется
эффективностью системы грозопеленгации, то есть долей зарегистрированных разрядов от общего числа (которое в реальности является числом неизвестным, так как пока не существует систем грозопеленгации со стопроцентной эффективностью).
В таблице 2 представлены данные о распределении разрядов по месяцам в течение грозовых сезонов. В 2021 г. уровень грозовой активности был относительно средним. Забегая вперед, количество разрядов на конец июля 2022 г. составило 7360, что сопоставимо с показателями за весь 2018 г.
Таблица 1
Показатели грозовой активности на территории Мурманской области Lightning activity in the Murmansk region
Показатель 2017 г. 2018 г. 2019 г. 2020 г. 2021 г.
Первая гроза 10.06. 14.05. 11.05. 02.06. 18.05.
Последняя гроза 24.09. 22.09. 13.09. 11.09. 31.08.
Грозовых дней 38 32 28 38 47
Всего разрядов 2555 7476 4287 1440 2944
Таблица 2
Распределение разрядов по месяцам года Discharges distribution by months of the year
Год Месяц Всего
Май Июнь Июль Август Сентябрь
2017 0 / 0 5 / 83 19 /1834 11 / 452 3 / 186 38 /2555
2018 5 / 312 6 / 805 11 /2922 8/3430 2 / 7 32 / 7476
2019 3 / 317 10 /3127 5 / 27 6 / 799 4 / 17 28 /4287
2020 0 / 0 8 / 488 16 / 623 12 / 326 2 / 3 38 / 1440
2021 4 / 290 13 / 634 16 /1351 14 / 669 0 / 0 47 /2944
Примечание. В числителе — число грозовых дней, в знаменателе — количество разрядов в месяце. Note. Thunderstorm days / discharges per month.
При анализе аварийности на ВЛ и подстанциях должны учитываться многие климатические условия, в том числе и интенсивность грозовой деятельности. В настоящее время в России оценка уровня воздействия грозовых разрядов на ВЛ регулируется нормативным документом «Правила устройства электроустановок» [11], в котором представлены карты плотности молниевых разрядов, построенные более тридцати лет назад и основанные на визуально-слуховом методе. При этом в мировой практике уже длительное время применяются достаточно точные карты плотности грозовых разрядов и грозовых дней, полученные инструментальными методами.
Приведем результаты анализа двух важнейших показателей молниевой активности — среднегодовое число дней с грозой и плотность разрядов молнии в землю.
На рисунке 2 представлены результаты расчета среднегодового числа грозовых дней на территории Мурманской области за период 2017-2021 гг. За день с грозой принимается любой день с одним или более разрядами молнии в землю. Разряды посчитаны за пятилетний период для ячеек земной поверхности 20 х 20 км, что приблизительно соответствует области наблюдения за грозовой деятельностью с помощью визуально-слухового метода на гидрометеорологических станциях и постах.
Минимальное значение составляет 0,2 грозовых дня, что соответствует не более чем одному дню с грозой за пять лет на данной территории площадью 400 кв. км. Такие низкие значения характерны для побережья Баренцева моря. На юге Мурманской области грозовая активность значительно выше и достигает шести дней с грозой. При этом максимальное значение числа грозовых дней в отдельно взятый год составляет 11. Если считать, что значение средней продолжительности грозы составляет два часа, то полученные результаты для продолжительности гроз будут соответствовать максимальной оценке в двадцать часов в год для Кольского полуострова на «Карте районирования территории РФ по среднегодовой продолжительности гроз в часах» [11].
На рисунке 3 показаны результаты расчета среднегодовой плотности грозовых разрядов — усредненное за пять лет число разрядов в 1 кв. км земной поверхности. Эта величина также показана для квадратных областей размером 20 х 20 км. В отличии от предыдущей характеристики, значение плотности разрядов напрямую зависит от эффективности системы грозопеленгации. Сам факт наличия грозовых разрядов фиксируется достаточно надежно, что позволяет идентифицировать данный день как день с грозой. В то же время, число зарегистрированных грозовых разрядов зависит от общей чувствительности грозопеленгационной сети, которая определяется количеством датчиков, запеленговавших конкретный разряд на данной территории, а также настройками программного обеспечения сети. Таким образом, следует ожидать, что представленные на рис. 3 значения удельной плотности грозовых разрядов в несколько раз преуменьшены, но общая картина распределения плотности вряд ли сильно отличается от реальной.
Оценка воздействий молний на объекты Кольской энергосистемы
На рисунке 4 отображены результаты регистрации грозовых разрядов на территории Мурманской области системой Blitzortung в грозовой сезон 2021 г. Максимальная грозовая активность наблюдалась в июле, причем в течение одного дня — 6 июля — было зарегистрировано 452 разряда. На рис. 4 показаны также подстанции и ВЛ 35-330 кВ Кольской энергосистемы. По информации, полученной от служб линий энергетических предприятий Мурманской области, в 2021 г. «грозовые» отключения произошли 65 раз, а в 2020 г. — 34 раза, то есть почти в два раза меньше, что подтверждает статистику по молниевой активности, полученную от сети Blitzortung.
Рис. 4. Молниевые разряды в Мурманской области в 2021 г. Fig. 4. Lightning discharges in the Murmansk region in 2021
За грозовой сезон 2021 г. с помощью полученной из сети Blitzortung информации были обнаружены несколько мест повреждений на линиях электропередачи Кольской энергосистемы. Обнаружение мест удара молнии в объект электроэнергетики (ВЛ или подстанцию), расположенный в радиусе грозового разряда, выполняется системой автоматического предупреждения, которая содержит электронную базу данных ВЛ и электрических подстанций Мурманской области с максимально подробным описанием их компонентов и пополняемый в реальном времени архив данных по разрядам молний
в регионе. Созданная система анализирует информацию о каждом грозовом разряде, поступающем в базу данных, и в реальном времени ведет поиск координат опор ВЛ и подстанций, попавших в зону действия грозового разряда. В случае обнаружения таких опор, система информирует о вероятном повреждении с указанием диспетчерского наименования объекта, номера опоры ВЛ, координат происшествия и времени события.
Зоной действия грозового разряда считается окружность, имеющая радиус погрешности определения координат разряда. Из-за физических ограничений используемого системой Blitzortung метода определения координат разряда (TOA — Time of Arrivai), погрешность составляет в среднем порядка 1400 м. Эта погрешность вычисляется для каждого удара молнии «облако — земля», поэтому можно определить координаты объектов электрической сети, попавшие в зону действия грозового разряда.
На рисунке 5 показан пример, когда в зону действия грозового разряда попало большое количество опор линий электропередачи и подстанций. С наибольшей вероятностью молния ударила в центр окружности, но существует также вероятность, что она поразила любую точку в пределах выделенной зоны радиусом 1724 м, в которую попали 140 опор ВЛ и 4 подстанции 35-150 кВ.
Рис. 5. Зона действия грозового разряда Fig. 5. Lightning discharge area
В 2021 г. зафиксировано 227 событий, в результате которых в зону действия грозового разряда попали объекты классов напряжений 35-330 кВ, из них в 28 событиях в зону действия попали подстанции. В 60 случаях центр зоны действия находился на расстоянии менее 300 м от подстанции или опоры линии электропередачи.
В таблице 3 представлена оценка молниевой активности на территории Мурманской области с 2012 по 2021 гг. по результатам анализа двух источников данных: данные грозопеленгационной сети Blitzortung и данные по грозовым отключениям ВЛ классов напряжения 35, 110 и 150 кВ.
Таблица 3
Молниевая активность в Мурманской области в 2012-2021 гг. Lightning activity in the Murmansk region in 2012-2021
Источник 2012 г. 2013 г. 2014 г. 2015 г. 2016 г. 2017 г. 2018 г. 2019 г. 2020 г. 2021 г.
Blitzortung 260 1063 2009 417 8045 2555 7476 4287 1440 2944
Грозовые отключения 9 31 129 25 94 29 120 76 34 65
Данные сети Blitzortung вполне адекватно отражают характер изменения молниевой активности
по годам. Особенно это заметно для данных последних пяти лет, когда зона уверенного покрытия сетью
достигла Кольского полуострова.
Список источников
1. Бурцев А. В., Невретдинов Ю. М. Анализ результатов регистраций грозовой активности на Кольском полуострове в 2013-2014 гг. // Труды Кольского научного центра РАН. 2015. № 6 (32). С. 34-40.
2. Бурцев А. В., Ярошевич В. В., Фастий Г. П., Карпов А. С. Анализ результатов регистрации грозовой активности на Кольском полуострове за 2014-2016 годы // Труды Кольского научного центра РАН. 2017. Т. 8, № 8-15. С. 50-56.
3. Селиванов В. Н., Бурцев А. В., Колобов В. В. Анализ молниевой активности на Кольском полуострове в 2019-2020 гг. // Труды Кольского научного центра РАН. 2020. Т. 11, № 7 (19). С. 40-52.
4. Boltek. Lightning Detection Systems. URL: https://www.boltek.com (дата обращения: 15.08.2022).
5. Аксенович Т. В., Бурцев А. В., Селиванов В. Н. Анализ молниевой активности по результатам мониторинга тока в нейтрали автотрансформатора // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. Вып. 16. 2018. № 3. С. 53-63.
6. Egon Wanke, Richo Andersen, Tobias Volgnandt. World-Wide Low-Cost Community-Based Time-of-Arrival Lightning Detection and Lightning Location Network, 2016. URL: http://www.blitzortung.org (дата обращения: 15.08.2022).
7. Burtsev A. V., Selivanov V. N. Method for calculating of lightning impact level on overhead transmission line // Applied Sciences (Switzerland). 2021. Vol. 11, № 14.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020619255. Программа расчета промежуточных географических координат и построения продольного профиля протяженного объекта с заданным шагом / А. В. Бурцев, В. Н. Селиванов; заявитель и правообладатель ФИЦ КНЦ РАН. № 2020618400; заявл. 27.07.2020; опубл. 13.08.2020. Бюл. № 8. 1 с.
9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020619102. Программа нахождения объекта, попавшего в зону действия грозового разряда, и оповещения пользователя о данном событии / А. В. Бурцев, В. Н. Селиванов; заявитель и правообладатель ФИЦ КНЦ РАН. № 2020618392; заявл. 27.07.2020; опубл. 11.08.2020. Бюл. № 8. 1 с.
10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU2021618127. Программа оценки интенсивности воздействия грозовых разрядов на протяженные объекты / Бурцев А. В., Селиванов В. Н.; заявитель и правообладатель ФИЦ КНЦ РАН. № 2021618127; заявл. 04.05.2021; опубл. 24.05.2021. Бюл. № 6. 1 с.
11. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) / Главгосэнергонадзор России. 7-е изд. М.: Изд-во ЗАО «Энергосервис», 2007. 610 с.
References
1. Burcev A. V., Nevretdinov Ju. M. Analiz rezul'tatov registracij grozovoj aktivnosti na Kol'skom poluostrove v 2013-2014 gg. [Analysis of the results of thunderstorm activity registration on the Kola Peninsula in 2013-2014]. Trudy Kol'skogo nauchnogo centra RAN [Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2015, no. 6 (32), pp. 34-40. (In Russ.).
2. Burcev A. V., Jaroshevich V. V., Fastij G. P., Karpov A. S. Analiz rezul'tatov registracii grozovoj aktivnosti na Kol'skom poluostrove za 2014-2016 gody [Analysis of the results of thunderstorm activity registration on the Kola Peninsula for 2014-2016]. Trudy Kol'skogo nauchnogo centra RAN [Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2017, vol. 8, no. 8-15, pp. 50-56. (In Russ.).
3. Selivanov V. N., Burcev A. V., Kolobov V. V. Analiz molnievoj aktivnosti na Kol'skom poluostrove v 2019-2020 gg. [Analysis of lightning activity on the Kola Peninsula in 2019-2020]. Trudy Kol'skogo nauchnogo centra RAN [Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2020, vol. 11, no. 7 (19), pp. 40-52. (In Russ.).
4. Boltek. Lightning Detection Systems. Available at: https://www.boltek.com Accessed 15.08.2022).
5. Aksenovich T. V., Burcev A. V., Selivanov V. N. Analiz molnievoj aktivnosti po rezul'tatam monitoringa toka v nejtrali avtotransformatora [Analysis of lightning activity based on the results of monitoring the current in the neutral of the autotransformer]. Trudy Kol'skogo nauchnogo centra RAN [Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2018, vol. 16, no. 3, pp. 53-63. (In Russ.).
6. Egon Wanke, Richo Andersen, Tobias Volgnandt: World-Wide Low-Cost Community-Based Time-of-Arrival Lightning Detection and Lightning Location Network, 2016. Available at: http://www.blitzortung.org Accessed 15.08.2022).
7. Burtsev A. V., Selivanov V. N. Method for calculating of lightning impact level on overhead transmission line. Applied Sciences (Switzerland), 2021, vol. 11, no. 14.
8. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlja JeVM no. 2020619255 [Certificate of state registration of a computer program no. 2020619255]. Programma rascheta promezhutochnyh geograficheskih koordinat i postroenija prodol'nogo profilja protjazhennogo objekta s zadannym shagom [Program for calculating intermediate geographical coordinates and constructing a longitudinal preset profile of extended object]. A. V. Burcev, V. N. Selivanov; zajavitel' i pravoobladatel' FIC KNC RAN. No. 2020618400; zajavl. 27.07.2020; opubl. 13.08.2020. Bulletin no. 8, 1 p. (In Russ.).
9. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlja JeVM no. 2020619102 [Certificate of state registration of a computer program no. 2020619102]. Programma nahozhdenija objekta, popavshego v zonu dejstvija grozovogo razrjada, i opoveshhenija pol'zovatelja o dannom sobytii [Program for detecting lightning discharge zone object and user warning]. A. V. Burcev, V. N. Selivanov; zajavitel' i pravoobladatel' FIC KNC RAN. No. 2020618392; zajavl. 27.07.2020; opubl. 11.08.2020. Bulletin no. 8, 1 p. (In Russ.).
10. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlja JeVM RU2021618127 [Certificate of state registration of a computer program RU2021618127]. Programma ocenki intensivnosti vozdej stvij a grozovyh razrjadov na protjazhennye objekty [Program for assessing the intensity of the impact of lightning discharges on extended objects]. Burcev A. V., Selivanov V. N.; zajavitel' i pravoobladatel' FIC KNC RAN. No. 2021618127; zajavl. 04.05.2021; opubl. 24.05.2021. Bulletin no. 6, 1 p. (In Russ.).
11. Pravila ustrojstva jelektroustanovok (PUJe) [Rules for electrical installations]. Moscow, pbl. ZAO "Jenergoservis", 2007, 610 p. (In Russ.).
Информация об авторах
В. Н. Селиванов — кандидат технических наук, директор;
A. В. Бурцев — научный сотрудник;
B. В. Ивонин — научный сотрудник;
В. В. Колобов — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник.
Information about the authors
V. N. Selivanov — PhD (Engineering), Director;
A. V. Burtsev — Researcher;
V. V. Ivonin — Researcher;
V. V. Kolobov — PhD (Engineering), Leading Researcher.
Статья поступила в редакцию 15.09.2022; одобрена после рецензирования 20.09.2022; принята к публикации 08.10.2022.
The article was submitted 15.09.2022; approved after reviewing 20.09.2022; accepted for publication 08.10.2022.
