CC BY
85
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
УДК 621.311
А.В.Бурцев, Ю.М.Невретдинов
РЕЗУЛЬТАТЫ РЕГИСТРАЦИИ ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ НА ТЕРРИТОРИИ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА В 2014 ГОДУ
Аннотация
Приведены данные о территориальном распределении разрядов молнии за 2014 год, полученные с помощью системы регистрации StormTracker (Boltek, Канада). Предложен алгоритм определения распределения грозовых часов. Показана целесообразность использования карт распределения плотности разрядов молний вместо грозовых часов при расчетах эффективности грозозащиты элементов высоковольтной сети.
Ключевые слова:
Boltek StormTracker, разряды молнии, распределение разрядов молнии, плотность разрядов на землю.
A.V.Burtsev, Y.M.Nevretdinov
REGISTRATION RESULTS OF LIGHTNING DISCHARGES ON THE KOLA PENINSULA IN 2014
Abstract
Territorial distribution data of lightning discharges for 2014 obtained by Boltek StormTracker Lightning Detector are provided. An algorithm for determining storm hour's distribution for the selected area has been proposed. The expediency of using the lightning discharges distribution maps instead of storm hours for the effective lightning protection calculating the high-voltage network elements has been shown.
Keywords:
Boltek StormTracker, lightning, lightning distribution, lightning strike density.
В 2013 году ЦФТПЭС КНЦ РАН начата опытная регистрация грозовой деятельности в районе Кольского полуострова [1]. Особенности Кольского региона определяются сложностью реализации требований к исполнению грозозащитных мероприятий (заземляющих устройств и тросовой защиты), а также грозовой деятельностью, которая по нормативным документам оценивается как низкая для данного региона (от 20 до 30 грозовых часов для южной части региона и менее 10 для центральной и северной части). Интенсивность грозовой деятельности принято определять числом грозовых часов или грозовых дней в году, вычисляемым как среднеарифметическое значение за ряд лет наблюдений для определенного места земной поверхности.
В 2014 году была продолжена регистрация атмосферных электрических разрядов на территории Кольского полуострова. Данная регистрация основана на системе Boltek StormTracker. Система регистрации запущена весной 2013 года и функционирует по настоящее время.
Длительность грозового сезона 2014 года определилась началом гроз 13 мая и завершением 4 сентября, т.е. 113 дней. Следует отметить редкое явление - образование грозы 6-7 марта в северо-восточной и восточной части Кольского полуострова, которая началась в 8 часов и продолжалась 34 часа. За время этой грозы зарегистрировано 186 разрядов, из них 13 (7% от общего числа) разрядов в землю.
65
Результаты регистрации показали значительную неравномерность распределения грозовых разрядов (от 0 до 18 ударов в ячейку в 2013 году). Это затрудняет однозначное определение территориального распределения числа грозовых часов и их среднее значение на Кольском полуострове. Поэтому ниже для определения распределения числа грозовых часов сезонов
2013 и 2014 годов предложен алгоритм обработки данных регистраций. Статистика грозовых разрядов по месяцам 2014 года выглядит следующим образом:
• В мае с 13 по 31 зарегистрировано 3324 разрядов, из них: о в землю положительной полярности 249 (7.5%);
о в землю отрицательной полярности 551 (16.6%); о междуоблачных положительной полярности 1249 (37.6%); о междуоблачных отрицательной полярности 1275 (38.3%).
• В июне зарегистрировано 27904 разрядов, из них:
о в землю положительной полярности 2437 (8.7%); о в землю отрицательной полярности 6520 (23.4%); о междуоблачных положительной полярности 7523 (27.0%); о междуоблачных отрицательной полярности 11424 (40.9%).
• В июле зарегистрировано 43090 разрядов, из них:
о в землю положительной полярности 3785 (8.8%); о в землю отрицательной полярности 11605 (26.9%); о междуоблачных положительной полярности 14312 (33.2%); о междуоблачных отрицательной полярности 13388 (31.1%).
• В августе зарегистрировано 23676 разрядов, из них:
о в землю положительной полярности 2482 (10.5%); о в землю отрицательной полярности 4607 (19.4%); о междуоблачных положительной полярности 8243 (34.8%); о междуоблачных отрицательной полярности 8344 (35.3%).
• За 4 дня сентября зарегистрировано 239 разрядов, из них: о в землю положительной полярности 40 (16.7%);
о в землю отрицательной полярности 6 (2.5%); о междуоблачных положительной полярности 43 (18.0%); о междуоблачных отрицательной полярности 150 (62.8%).
По результатам регистраций с использованием ранее разработанного [2] и успешно примененного программного обеспечения [1] построена карта пространственного распределения грозовых разрядов в 2014 году (рис. 1). Так же как и в 2013 году, карта
2014 года разбита на 900 ячеек - 30 по вертикали и 30 по горизонтали. Площадь каждой ячейки составляет 711 км2 (квадрат со стороной 26.6 км).
На карте распределения грозовых разрядов на землю видно, что наибольшая интенсивность грозовых разрядов наблюдалась в районе горного массива Хибины (порядка 1000), а также в северной, северо-восточной части Кольского полуострова (порядка 5000), причем количество разрядов в 2014 году на этих участках почти в 5 раз превышают аналогичные показатели 2013 года.
Похожая картина, но с меньшей интенсивностью наблюдалась в 2013 году (рис.2).
Можно заметить, что северная часть Кольского полуострова больше подвержена воздействию атмосферного электричества, чем южная. Данное явление можно объяснить столкновением фронтов холодного арктического воздуха с теплым воздухом, образованным течением Гольфстрим.
66
1 15 16 15 15 12 27 19 23 30 37 52 52 52 49 52 57 38 25 2
4 19 13 15 15 17 11 9 13 30 40 41 SD 54 51 55 57 а 52 53 49 10
' 13V .’4 9 12 11 14 9 17 16 25 32 39 57 53 42 47 44 54 96 51 38 39 7
1 4 10 18 14 13 ,10 13 14 17 26 39 43 35 42 40 56 61 35 35 26 20 Э
: 4 11 9 1 9 19 \l2 1б1 ^4 Jo 8 5 22 11 27 эе 37 31 41 52 52 а 38 12 1 14 32 12
W 19 14 8 12 2 15 М , 16 10 4 10 13 16 33 40 38 33 47 41 « а 16 6 14 39 54 я 3
11 16 21 13 14 8 12 9 9 6 8 9 25 -36 29 2В 33 а 36 35 20 Э 19 а *0 Я 91 62 ,
16 13 12 12 11 'г 9 6 10 6 3 1l" '17* *36 *20 28 29 33 42 17 8 31 36 52 и 78 85 77 '
26 20 19 10 1^ 7 4 5 6 Б 2 «0 20 17 33 ээ 22 10 30 44 Я 44 78 92 95 84
1? 17 20 19 14 10, /7 10 4 6 6 3 2 6 9 25 10 18 20 22 7 a «7 « 54 55 52 а 67 а
27 26 15 11 10 1А 9 8 11 4 1 4 4 9 14 16 13 19 23 11 32 30 41 37 34 а 54 а 61 а
30 26 17 17 11 э 1 \8 7 7 11 2 1 5 4 4 17 19 23 15 38 23 28 29 35 28 38 52 35 а <1
16 29 17 23 16 13 9Х 5 7 10 6 6 f ,28, 34 60 24 21 22 15 25 30 23 31 27 32 20 а 41 31
16 19 17 17 11 9 7 7 \ 12 9 8 3 9 28 36 57 83 46 15 26 28 16 19 30 27 20 23 19 20 27
24 22 29 Сеадкак -а8 14 13 9 15 6 13 10., 56 53 |Гю7 221 13 29 17 21 17 20 11 12 13 21 21 19 19
36 **у.1®ЛЧ7 20 9 9 9 7 9 8 70 66 95 58 47 43 12 8 12 9 10 9 18 15 12 12 19 22
19 12 13 12 14 7 3 7/ 6 8 7 6 19’ 34 26 25 9 3 2 2 2 4 6 6 14 11 15 6 23 16
23 17 9 19 10 11 6 /7 7 3 5 3 6 12 34 1 Ь2Э 8 1 3 4 4 1 5 3 8 9 3 10 8 14
19 29 19* ас* 7 3 \ 1 7 6 4 4 Э 1 1 3 2 1 1 1 2 2 7 10 5 10 8 1* 10
У 19 9 8 7 4 9 5 2 5 1 1 1 3 2 2 2 3 6 5 8 7 12 9 20 19
i5 12 12 7 7 7 2 Л 4 2 3 1 2 3 1 1 4 6 Э 4 5 4 4 6 11 9 11 13
14 9 6 6 9 5 6^6^ 6 2 Б 5 2 2 3 2 1 3 8 7 15 7 11 14 14 17
5 15 14 9 9 7 б\ 8 9 2 1 2 1 1 1 9 5 8 4 1 2 6 11 13 14 17 11
3 13 6 12 10 3 8 5 \ 6 8 3 2 5 3 1 2 1 Э Э 2 4 3 7 11 8 19 19 11
1 10 9 5 3 2 7 6 5 4 1 2 4 Б 2 Э 5 10 6 6 4 3 6 10 19 16 2
т Uhl 4 5 Ь 1 7 13, ПО 4 8 3 5 2 5 1 3 4 2 2 7 11 4 2 3 7 5 3
5 1 1 7 11 13 14 4 5 4 3 5 2 4 4 2 1 9 8 13 9 12 3 1 2
4 11 8 121 ; is И 8 8 7 6 5 3 2 4 4 6 7 15 4 12 12 11 1
10 9 19 V 10 12 6 10 6 3 3 1 2 3 6 6 7 8 6 15 - Самрвдвянс*
Камня 7 14 13 8 2 6 э 6 8 2 4 6 8 11 15 2 Архангельск
Рис.1. Пространственное распределение грозовых разрядов в 2014 году
Рис. 2. Пространственное распределение грозовых разрядов в 2013 году
Для определения числа грозовых часов и построения карты распределения грозовых часов разработан алгоритм, схематично представленный на рис. 3.
67
Рис.3. Алгоритм для определения числа грозовых часов для области, разбитой на ячейки
Согласно алгоритму, для определения числа грозовых часов в области, разбитой на ячейки, предпринимаются следующие действия.
68
- В качестве исходных данных берется массив событий (разрядов в землю), зарегистрированных за грозовой сезон. Все события содержат координаты и время. Каждое следующее событие новее предыдущего.
- Начинается перебор событий от первого до последнего из массива.
- Начинается перебор ячеек для проверки совпадения координат события и ячейки.
- Проверяется условие попадания события в ячейку. Если событие не принадлежит ячейке, то осуществляется переход к следующей ячейке. Если событие принадлежит ячейке, то выполняется следующий пункт.
- Проверяется условие существования в ячейке записи о времени. Если запись о времени присутствует, то проверяется временной диапазон между временем ячейки и временем события. Если этот диапазон меньше чем 1 час, то осуществляется переход к следующему событию. Если же в ячейке нет записи о времени или диапазон больше чем 1 час, ячейке присваивается время события и значение «Грозового часа» для ячейки увеличивается на 1.
Так формируется область ячеек, которые отражают с заданной точностью карту грозовых часов исследуемой области. Если предположить, что массив состоит из одной ячейки, а не из 900, то очевидно, что все события попадут в эту ячейку. Если использовать предположение «о единственности ячейки», то в 2013 году общее число грозовых часов по Мурманской области составляло 94, а в 2014 это число равно 227.
Следует отметить, что «одна ячейка» не покажет какую-либо «территориальную» достоверность, но покажет ситуацию в исследуемой области в целом. Поэтому карты грозовых часов исследуемой области для повышения достоверности следует представлять в виде массива ячеек с заданной точностью. При этом следует учитывать, что при построении карты в качестве разряда принимались лишь разряды в землю. При учете всех разрядов, включая междуоблачные, количество грозовых часов нужно увеличить в 3 раза. В любом случае, зарегистрированное число грозовых часов на территории Мурманской области в 2014 году (так же как и в 2013 году) значительно превышает число грозовых часов, представленных в нормативных документах для Кольского региона. Общие результаты регистраций в 2013-2014 гг. сведены в таблицу.
Таблица
Результаты регистраций грозовых разрядов в 2013-2014 гг.
2013 г. 2014 г.
Разрядов всего 38286 100% 98233 100%
Разрядов в землю 8056 21.0% 32282 32.9%
(100%) (100%)
положительной полярности 3177 39.4% 8993 (27.9%)
отрицательной полярности 4879 60.6% 23289 (72.1%)
Междуоблачных разрядов 30230 79.0% 65951 67.1%
(100%) (100%)
положительной полярности 15125 50.03% 31370 (47.6%)
отрицательной полярности 15105 49.97% 34581 (52.4%)
Число грозовых часов (общее) 94 227
Диапазон изменений по ячейкам 0..6 1..20
69
Сравнение карт грозовых часов на территории Мурманской области, полученных по данным регистраций в 2013 и 2014 годах, представлено на рис. 4.
а
б
Рис. 4. Сопоставление распределения грозовых часов в 2013 и 2014 годах: а - в 2013 г.; б - в 2014 г.
70
Выводы
1. Данные регистраций грозовой деятельности в 2013 и 2014 годах показали значительное изменение интенсивности грозовой деятельности в Кольском регионе. В сравнении с грозовым сезоном 2013 года в 2014 году количество зарегистрированных разрядов молнии превышает более чем в 2.5 раза.
2. Применение в расчетах задач грозозащиты общего числа грозовых часов по региону может привести к неадекватной оценке грозозащитных мер. Отмечается значительная неоднородность распределения числа грозовых часов и плотности грозовых разрядов на землю по территории региона. Для обоснования выбора системы грозозащиты элемента электрической сети (линии или подстанции) целесообразно использовать показатель плотности разрядов молнии на землю в районе его расположения.
Литература
1. Бурцев А.В., Невретдинов Ю.М., Сытина А.Н. Опыт регистрации грозовой активности на территории Кольского полуострова // Вестник Кольского Научного Центра РАН. - 2014. - № 2. - С. 126-133.
2. 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, 10-11 окт. 2013 г.) / под ред. Ю.Л.Войтеховского. - Апатиты: K&M, 2013. - С. 113-118.
3. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). - Изд. 7-е. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2003. - С. 280.
4. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений: РД 153-34.3-35.129-99. - СПб.: ПЭИПК, 1999.
Сведения об авторах
Бурцев Антон Владимирович,
младший научный сотрудник лаборатории высоковольтной энергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
Невретдинов Юрий Масумович,
ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной энергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: [email protected]
71
