CC BY
168
УДК 621.311
ОПЫТ РЕГИСТРАЦИИ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ НА ТЕРРИТОРИИ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА
Бурцев А.В.1, Невретдинов Ю.М.1, Сытина А.Н.2
1 Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН
2 Кольский филиал Петрозаводского государственного университета
Аннотация
Показана целесообразность проведения региональной регистрации грозовых разрядов, приведены данные о территориальном распределении разрядов молнии за 2013 г., полученные с помощью системы регистрации StormTracker (Boltek, Канада). Показаны возможности визуализации результатов обработки регистраций и их совмещения с данными эксплуатации о грозовых нарушениях в сети.
Ключевые слова:
Boltek StormTracker, молния, распределение разрядов молнии, плотность разрядов.
Проблемы решения задач молниезащиты элементов электрической сети Кольского региона определяются специфическими особенностями региона, к которым относятся низкая интенсивность грозовой деятельности и сложность реализации требований к исполнению грозозащитных мероприятий: заземляющих устройств
и тросовой защиты воздушных линий электропередач (ВЛ). При этом нормативными документами [1] предусматривается упрощение защиты - возможность отсутствия тросовой защиты ВЛ по всей длине и некоторое снижение требований к грозозащитным заземлениям. Однако грунтовые условия в значительной степени затрудняют или исключают возможность выполнения этих требований. Результаты обследований заземлений опор тросовых подходов ВЛ 35, 110, 150 и 330 кВ к подстанциям продемонстрированы в табл. 1.
Таблица 1
Заземления опор тросовых подходов ВЛ 35, 110, 150 и 330 кВ к подстанциям
Класс напряжения Число опор с сопротивлением заземления (Rb)
всего 30 ^з<60 Ом Более 60 Ом
Заземление опор ВЛ на подходах 35 кВ 46 / 100% 10 / 21.7% 12 / 26.1%
110-150 кВ 242 / 100% 30 / 12.4% 124 / 51.2%
330 кВ 112 / 100% 15 / 13.4% 71 / 63.4%
Всех ВЛ 400 / 100% 55 / 13.8% 207 / 51.7%
Из числа обследованных опор с тросом более 56% не соответствуют требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ). Схожие проблемы имеются при реализации контуров заземления подстанций и электростанций [2], характеристика которых приведена в табл. 2.
Достаточность характеристик реализованных грозозащитных заземлений (в совокупности с другими мерами) или необходимость их улучшения можно обосновать по критериям
130
надежности с учетом характеристик грозовой деятельности в месте расположения обследуемых ВЛ или подстанций. Однако в этой части имеются значительные расхождения исходной информации и данных эксплуатации. Для иллюстрации на рис. 1 приведены границы деления территории Кольского п-ова по грозовой активности в соответствии с ПУЭ и Руководящими указаниями (РД) по грозозащите сети 35-1 150 кВ [3].
Таблица 2
Характеристика контуров заземления подстанций и электростанций
Заземление элементов сети Удельное сопротивление грунта, Омм Число подстанций
Всего Несоответствие ПУЭ
Контуры заземления подстанций Всего 100-5000 38 24 / 66.7%
в том числе 100-1000 19 16 / 84.2%
1000-2000 6 4 / 66.7%
2000-5000 13 4 / 30.8%
Рис. 1. Сопоставление карт среднегодовой продолжительности гроз на Кольском п-ове по ПУЭ [1] и РД [3]
Указанное несоответствие может быть объяснено использованием в ПУЭ и РД метеоданных за разные периоды времени. Однако и они плохо согласуются с данными эксплуатации Кольской электроэнергетической системы, которые систематизированы и представлены на рис. 2, а также приведены в отчетах о прохождении грозового сезона.
Используемый в нормативных документах показатель грозовой активности - число грозовых часов на Кольском п-ове, в течение года оно меняется от 10 до 45. Среднее число грозовых часов по указанным наблюдениям составляет около 30.
Исследования грозозащиты ВЛ 35 кВ и выше для северной части Кольской энергосистемы [4] показали значительную неравномерность удельного числа грозовых отключений линий, возможно, объясняющуюся территориальной неравномерностью распределения гроз в нашем регионе. Эти противоречивые описания непосредственно влияют на выбор и оценку эффективности грозозащитных мероприятий.
131
Рис. 2. Грозовая активность на Кольском п-ове с 1969 по 2007 гг.
(по данным эксплуатации Кольской энергосистемы)
Данные глобальной регистрации грозовой активности на земле по наблюдениям из космоса [5] нельзя использовать вследствие их недостаточной детализации на территории Кольского п-ова. Таким образом обосновывается актуальность региональной регистрации грозовой активности, которая позволит получить необходимые знания о природных особенностях региона.
Система регистрации грозовых разрядов
Для опытной регистрации грозовой деятельности на территории Кольского п-ова выбрана система StormTracker (Boltek, Канада). Она предназначена для обнаружения атмосферных электрических разрядов (молний) на расстоянии 450 км от места расположения базовой станции. Система установлена в лаборатории Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН и состоит из компьютерной платы формата PCI, полярной антенны и программного обеспечения Nexstorm Lite фирмы Astrogenic (рис. 3). Похожие системы длительное время функционируют в некоторых регионах России [6, 7], а также во многих странах мира [8].
Рис. 3. Система StormTracker
Регистрация событий происходит круглосуточно в автоматическом режиме. Зарегистрированные события подразделяются на помехи (noises) и разряды (strikes). В свою очередь, разряды могут иметь положительную и отрицательную полярность, и различный тип: междуоблачные (intracloud, IC) и в землю (cloud-ground, CG). События, соответствующие разрядам, отображаются на карте в полярной системе координат, центром которой является г.
132
Апатиты (рис. 4). Зарегистрированные данные сохраняются в файлы в двоичном (бинарном) формате. События, произошедшие за одни сутки, записываются в один файл. Посредством программы NexStorm можно просмотреть все зарегистрированные события на карте в реальном и в ускоренном до 1 024 раз масштабе времени.
Рис. 4. Общий вид окна программы NexStorm Lite
Обработка данных регистрации
Основной недостаток программы NexStorm Lite - отсутствие экспорта зарегистрированных данных в удобный для анализа вид и представление их только в визуальной форме. Для экспорта данных в текстовый формат потребовалась разработка собственного программного обеспечения, которая состоит из аналитического (изучение структуры файла) и технического (написание программного обеспечения) этапов.
Используя математический и логический аппарат [9], были решены задачи аналитического этапа, то есть получена структура файла, на основе которой разработано программное обеспечение, позволяющее перевести исходный файл в таблицу с необходимыми данными. Данное программное обеспечение также способно игнорировать междуоблачные разряды, разделять положительные и отрицательные разряды, считать помеху событием, сохранять события из всех файлов в один, сохранять данные по распределению разрядов во времени, а также строить карту грозовых часов и карту плотности разрядов в землю на территории Кольского п-ова, близлежащих территорий и акватории.
Результаты опытной регистрации в грозовом сезоне 2013 г.
Анализ регистраций проведен на участке площадью 640 тыс. км2, в центре которого расположена Мурманская обл. Грозовой сезон в 2013 г. наблюдался с 4 июня по 12 сентября.
133
За указанный период зарегистрировано 38 286 разрядов. Междуоблачных разрядов зафиксировано 30 230 ударов (15 105 - отрицательных, 15 125 - положительных), в землю зафиксировано 8 056 (4 879 отрицательных, 3 177 положительных). Пример визуализации данных за одни сутки приведен на рис. 5.
Рис. 5. Распределение положительных (светлые) и отрицательных (темные) разрядов
в землю за сутки 10.06.2013 г.
Результаты регистрации сопоставлены с автоматическими отключениями ЛЭП в Кольской энергосистеме при прохождении гроз. Показаны все удары молний в землю за грозовой сезон 2013 г., а также линии электропередач, на которых были инициированы отключения и перебои в работе (рис. 6).
Рис. 6. Разряды в землю и автоматически отключенные линии за грозовой сезон 2013 г.
134
Пример удара молнии, вызвавший перебои в работе подстанции, а также отключение примыкающих линий электропередачи показан на рис. 7.
Рис. 7. Удар молнии в расположение подстанции 1.07.2013
Для построения карт территориального распределения грозовых разрядов в землю с заранее определенной точностью разработан специальный программный модуль. Точность устанавливается в соответствии с поставленными задачами. Карта, изображенная на рис.8, построена с учетом наибольшей информативности с точки зрения визуализации. Данная карта разбита на 900 квадратов площадью около 711 кв. км каждый. Для каждого квадрата рассчитано число ударов в землю. Таким образом, получена карта плотности разрядов с заданной точностью за грозовой сезон 2013 г. Распределение зарядов в землю имеет сильную неравномерность (рис. 8). Можно предположить, что в районах с высокой плотностью разрядов линии электропередач и другие объекты электроснабжения нуждаются в повышенной грозозащите.
Полученные результаты носят предварительный характер, необходимо продолжение и развитие регистраций, что должно позволить выявить специфические тенденции, характерные для конкретного региона.
Контроль эффективности системы регистрации, установленной в лаборатории, дополнительно выполнен с помощью сверки данных грозопеленгации и метеослужб. Выполненная сверка показала хорошее совпадение результатов регистрации прохождения гроз. Однако для повышения точности локализации разрядов требуется развивать системы регистрации с увеличением числа пунктов расположения регистраторов на значительном удалении их друг от друга.
135
Рис. 8. Карта плотности ударов молнии в землю с заданной точностью за грозовой сезон 2013 г.
Выводы
1. Показана целесообразность проведения региональной регистрации грозовой активности на Кольском п-ове, которая позволит дифференцированно определять набор и исполнение грозозащитных мероприятий.
2. Опытная регистрация в 2013 г. подтвердила возможность применения системы StormTracker. Разработан пакет программ для обработки и визуализации регистраций.
3. Получены данные о существенной неоднородности территориального распределения разрядов молнии. Предварительно выявлены районы со значительной интенсивностью наземных разрядов молнии.
4. Для повышения достоверности характеристик грозовой деятельности необходимо продолжение регистраций и накопление статистических данных за многолетний период. Развитие системы регистраций даст возможность повысить точность регистраций и расширить набор регистрируемых параметров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Издание седьмое. РФ. 2. Костенко М.В., Ю.М. Невретдинов, Ф.Х. Халилов. Грозозащита электрических сетей в районах с высоким удельным сопротивлением грунта. Ленинград: «Наука», 1984. 112 с. 3. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. РД 153-34.3-35.129-99. СПб.: Изд-во ПЭИПК, 1999. 4. Опыт эксплуатации ВЛ 110 и 150 кВ Северных электросетей ОАО «Колэнерго»: вопросы грозозащиты / А.Н. Новикова О.В. Шмараго,
136
Б.В. Ефимов, А.Н. Данилин, Ю.М. Невретдинов // Известия НИИ постоянного тока. Научный сборник № 65. СПб., 2011. 5. Where Lightning Strikes. Режим доступа: http://science1.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2001/ast05dec 1/
6. Горбатенко В.П., Ершова Т.В., Константинова Д.А. Пространственное распределение плотности разрядов молнии в землю над Западной Сибирью // Вестник ТГУ. 2009. № 329. С. 215-221. 7. Мониторинг опасных метеорологических явлений в Верхневолжском регионе / Ю.В. Шлюгаев, В.В. Клименко, Е.А. Мареев [и др.] // Сборник трудов VII Всероссийской конференции по атмосферному электричеству, г. Санкт-Петербург, 2428 сентября 2012. СпбГУ, 2012. С. 133-135. 8. C.J. Davis and Kin-Hing Lo. An enhancement
of the ionospheric sporadic-E layer in response to negative polarity cloud-to-ground lightning // Geophysical research letters. 2008. Vol. 35. L05815, doi:10.1029/2007GL031909. 9. Бурцев А.В. Использование математического и логического аппарата для преобразования данных программы Astrogenic Nexstorm Lite для регистрации атмосферных электрических разрядов. Математические исследования в естественных науках // Труды IX Всероссийской научной школы. Апатиты, Геологический институт КНЦ РАН, Кольское отделение РМО, 10-11 октября 2013 г. / ред. Ю.Л. Войтеховский. Апатиты: Изд-во K & M, 2013. С.113-118.
Сведения об авторах
Бурцев Антон Владимирович - старший инженер Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН; e-mail: tonyburt@,rambler. ru
Невретдинов Юрий Масумович — к.т.н., ведущий научный сотрудник Центра физикотехнических проблем энергетики Севера КНЦ РАН; e-mail: ymnevr@mail. ru
Сытина Александра Николаевна - студент Кольского филиала Петрозаводского государственного университета; e-mail: sytina_a@mail.ru
137
