Грозовая активность и ее мониторинг для нужд электроэнергетики

Любые изменения метеорологических параметров приводят к изменению нагрузок в системе линий электропередач и в некоторых случаях существенно осложняют ее работу. В теплый период года для большей части территории России характерно развитие грозовой активности.

Александр Лукин, старший метеоролог Национального агентства по мониторингу окружающей среды.     

Введение:

Электроэнергетика - одна из погодозависимых отраслей экономики, т.е. погодные условия оказывают прямое влияние на ее работу, бесперебойное и безаварийное  функционирование ее объектов.

Любые изменения метеорологических параметров приводят к изменению нагрузок в системе линий электропередач и в некоторых случаях существенно осложняют ее работу. Резкое изменение и отклонение от обычных условий метеорологических параметров – неблагоприятные и опасные явления погоды -  приводят к возникновению аварийных ситуаций и перебоев в поставках электроэнергии потребителю.

В теплый период года для большей части территории России характерно развитие грозовой активности. Грозовая активность в это время возникает как в южных районах страны, так и в северных, вплоть до арктического побережья [7].

Гроза относится к опасным явлением погоды и, как правило, сопровождается комплексом сопутствующих  ОЯП. Грозу зачастую сопровождает штормовой и ураганный ветер - шквал, катастрофические ливневые осадки, град, смерчи [12, 19].

Все эти явления в сочетании с молниями вызывают серьезные нарушения в работе электроэнергетики, массовые аварии и повреждения системы линий электропередач, что приводит к многомиллионным убыткам.

Территория России в отличие от других государств очень обширна. В связи с этим погодные и климатические условия характеризуются пространственной неоднородностью и имеют резко выраженный региональный характер [12]. Все это характерно и для грозовой активности, которая по своей интенсивности и повторяемости имеет неоднородное распределение и свои особенности в каждом отдельно взятом регионе.

Воздушные линии электропередач сооружаются на открытой местности и поэтому являются уязвимыми для молний и всех опасных явлений погоды сопровождающих грозы. Поэтому для надежной работы ВЛ ее обеспечивают различными защитными устройствами в зависимости от вида климатических воздействий и повторяемости тех или иных опасных явлений характерных для данной территории [10]. При этом для расчета воздействия гроз на объекты ЭЭ в рассматриваемом районе определяется средняя годовая продолжительность гроз в часах, которая не учитывает интенсивности явления и особенности распределения разрядов молний на местности.

Так же не учитываются все возможные аномалии, связанные с грозовой активностью (резкое отклонение от нормы). Это происходит вследствие расчетов климатических норм на основе грубого осреднения данных по территории и времени, несовершенстве устаревших методов наблюдений за грозами, а так же редкой сети станций,  которые могут упускать из виду некоторые явления. 

В настоящее время в условиях изменяющегося климата такие резкие отклонения от климатических норм стали часто повторяющимся явлением и  носят, как правило, непредсказуемый и экстремальный характер. Так, например, значения температур в некоторых случаях превышают абсолютные значения не на доли градуса, а сразу на несколько единиц; в течение суток выпадает количество осадков характерное для нескольких месяцев и т.д.

В некоторых случаях грозовая активность достигает очень большой интенсивности и без заблаговременного прогноза и своевременного предупреждения о надвигающейся стихии невозможно предотвратить возникновение аварий на объектах электроэнергетики и сбоев в электроснабжении потребителей, так как в подобных случаях защитные устройства не могут защитить объекты ЭЭ на 100% [10] Рис.1. Для  предотвращения таких ситуаций необходима современная система грозомониторинга и специализированных прогнозов погоды для заблаговременного и оперативного предупреждения диспетчерских и аварийных служб.

Рис. 1. Поражение молнией ВЛ.

Также необходим учет грозовой активности при проектировании системы линий электропередач, который основан не только на климатических данных грозовой активности, составленных по данным сети метеостанций, но и современных высокоточных данных грозомониторинга, позволяющих получать информацию о грозовой активности для рассматриваемой территории с большим разрешением и учетом всех возможных отклонений от нормы.

В настоящей статье рассмотрено такое опасное явление погоды как гроза. Процессы в атмосфере, вызывающие его, влияние на электроэнергетику, наблюдение за грозовой активностью - грозомониторинг.

Гроза – условия образования и критерии опасности.

Гроза – атмосферное явление, характеризующееся многократными  электрическими разрядами (молниями) между облаками или между облаком и землей, внутри облаков, которое сопровождается звуковым эффектом-громом. С грозой связаны ливневые осадки в виде дождя, града. Иногда грозы отмечаются без осадков, их называю сухими грозами [11, 19].

Гроза возникает в мощных кучево-дождевых облаках, вертикальная протяженность которых более 3 км и температура воздуха на вершине облака ниже -23°С [9, 12, 13]. Образование таких облаков происходит при восходящих движениях воздуха (конвективных) вызванных неустойчивой стратификацией  атмосферы.  В зависимости от степени неустойчивости атмосферы грозовые облака развиваются не одинаково. Минимальная высота верхней границы грозовых облаков составляет 3,2 км. При сильной неустойчивости атмосферы верхняя граница грозовых облаков может достигать в умеренных широтах высоты 10-12 км, в тропической зоне 15-18 км.

Скорость восходящих токов в кучево-дождевых облаках   превышает,  как   правило, 10  м/с,  и может достигать 60 м/с. Нисходящие токи имеют меньшие скорости, чем восходящие. Обычно их скорость не превышает 10 м/с, а максимальная достигает 25  м/с [9].

Опасность для объектов ЭЭ представляет комплекс неблагоприятных и опасных явлений погоды сопровождающих грозу:  электрические разряды (молнии), ливни, град, усиление ветра - шквал, смерч, которые могут наблюдаться одновременно [10].

Условия возникновения и типы электрических разрядов (молний).

По мере развития кучево-дождевых облаков в них накапливаются заряды атмосферного электричества. Разноименные заряды в облаке возникают вследствие того, что снежинки, градины и капли воды приобретают заряды разной полярности [9, 20, 21]:

- снежинки приобретают преимущественно положительный заряд;

- градины приобретают отрицательный заряд;

- капли дождя в нижней части облака, так же приобретают положительный заряд. Под тучей на поверхности земли и на всех предметах, согласно законам электростатики, так же накапливаются положительные заряды.

В зависимости от особенностей расположения зарядов в облаке молнии имеют различный тип:

- молния, переносящая отрицательный заряд «облако-земля»;

- молния, переносящая положительный заряд «облако-земля»;

- молния внутри облака;

- молния между двумя отдельными облаками или конвективными ячейками.

Для электроэнергетики прямую угрозу представляют молниевые разряды «облако-земля» [10] условия образования которых рассмотрены далее.

По мере накопления электрических зарядов, при критических значениях напряженности поля начинается процесс ударной ионизации атомов газов, из которых состоит воздух. Свободные электроны, ускоряясь электрическим полем, ионизируют атомы, привлекая в свои ряды все новые и новые электроны [1].

Такие лавины электронов собираются в стримеры – каналы с повышенной проводимостью, а соединения стримеров сплетаются в воздухе в ионизированный канал высокой проводимости - лидер молнии.

С приближением к земле, напряженность вокруг лидера увеличивается и вот уже от заземленных предметов навстречу ему направляются стримеры с током в сотни ампер, благодаря чему происходит первичная разрядка того участка грозового облака, с которого началось развитие лидера. После этого разряд вступает в завершающую фазу - обратного, или главного разряда. Ток в нем составляет от десятков до сотен кА, температура в канале молнии достигает 20000-30000 °С, при скорости его продвижения - до 100 тысяч км/сек [18].

В момент разряда в канале молнии под влиянием высокой температуры воздух раскаляется и начинает ярко светиться, что и воспринимается нами, как молния. При этом происходит расширение перегретого воздуха, которое происходит настолько стремительно, что похоже на взрыв и воспринимается нами как гром. При определенных условиях через ионизированный канал молнии происходит еще несколько повторных разрядов с меньшей амплитудой, но более стремительным фронтом. Такие молниевые разряды относятся к переносящим отрицательный заряд «облако-земля».

Молнии, переносящие положительный заряд «облако-земля», отличаются от переносящих отрицательный заряд, тем что зарождается сбоку от верхней части грозового облака (заряженного положительно), а в некоторых случаях пробой происходит из верхней части облака в виде дуги.  Молния этого типа собирает энергию сразу от нескольких групп зарядов, в некоторых случаях энергия собирается с нескольких отдельных грозовых ячеек [1].  

Разряд положительной молнии происходит по траектории, длина которой в несколько раз превышает длину «отрицательной» молнии и проходит зачастую вне облачной среды, проводимость которой меньше, чем облачной. В связи с вышеперечисленными особенностями формирования, такой молниевый разряд, направленный к наземным объектам, несет в себе колоссальный суммарный ток, превосходящий ток отрицательной молнии в несколько раз.

Особенность и опасность такого типа молниевого разряда состоит в том, что в условиях прохождения мощных грозовых фронтов разряд возникает вдали от грозового очага в тыловой части фронта. В момент, когда небо начинает освобождаться от облачности и выглядывает солнце, происходит молниевый разряд колоссальной мощности, обычно из наковальни грозового облака на землю, в некоторых случаях испаряющий части металлических конструкций и вызывающий пожары.   По статистике повторяемость таких молний небольшая, около 1%.

Влияние грозовой активности на работу объектов электроэнергетики.

Особую опасность для объектов электроэнергетики представляет тот фактор, что при проектировании этих объектов учтены только климатические данные по средней продолжительности гроз в часах. Эти данные получены при наблюдениях на метеорологических станциях. Так как основным методом наблюдения за грозами являлся визуально-слуховой метод, возникают большие погрешности, так как среднесуточная вероятность обнаружения гроз этим методом не превышает 58 %. В дополнение ко всему этот параметр не дает полной картины грозовой опасности для объектов ЭЭ, так как грозовая активность существенно изменяется с течением времени. Так, например, изменяется интенсивность гроз год от года, а так же количество грозовых очагов, проходящих через рассматриваемый район. 

Поражающая способность молниевых разрядов напрямую зависит от интенсивности грозовой активности и типа грозовых облаков. При одной и той же продолжительности гроза, в которой генерируется один  разряд в секунду, нанесет намного больший ущерб, чем гроза, в которой происходит один разряд в минуту.

То же самое относится к грозовым очагам, так как облако, в котором преобладают молнии типа «облако-земля», может нанести большой ущерб, а облако, в котором преобладают внутренние разряды, может не представлять никакой опасности для объектов ЭЭ при одинаковой интенсивности грозовой активности.  Также немаловажное значение имеет сила тока в молнии и его полярность. 

Данные о средней продолжительности гроз не дают совершенно никакого представления о распределении поражений молниями на поверхности земли, которые напрямую зависят от рельефа местности и геологической структуры пород, залегающих в рассматриваемом районе.

Для повышения достоверности определения интенсивности грозовой деятельности вдоль трасс действующих и проектируемых ВЛ в целях повышения или разработки их молниезащиты целесообразно вместо карт среднегодовой продолжительности гроз в часах использовать карты плотности разрядов молнии на  поверхности земли, составленных по данным регистраторов разрядов молнии автоматизированными системами грозопеленгации [16].

 Опасность молниевых разрядов для объектов электроэнергетики.

Токи молнии, при прохождении через предметы, оказывают на них электромагнитные, тепловые и механические воздействия. При соприкосновении канала молнии с металлом он может выплавляться на глубину 3-4 мм. Наблюдающиеся в эксплуатации случаи обрывов отдельных проволок у грозозащитных тросов на линиях электропередачи могут происходить от пережога их молнией в месте соприкосновения ее канала с тросом.

Поэтому стальные молниеприемники, которые должны противостоять термическим воздействиям канала молнии, имеют большие, чем у токоотводов, сечения: 35 мм2 у грозозащитных тросов и не менее 100 мм2 у стержневых молниеотводов. При соприкосновении канала молнии с деревом, соломой, газообразной или жидкой горючей средой они могут воспламеняться и вызывать пожары.

Механические воздействия тока молнии проявляются в расщеплениях деревьев, в разрушении каменных и кирпичных строений и пр. Расщепление деревянных опор линий электропередачи происходит вследствие того, что ток молнии, проходя по волокнам древесины, вызывает в ней интенсивное выделение водяного пара и газа за счет возникновения очага высоких температур, которое создает высокое давление внутри древесины и разрывает ее [1].

При дожде расщепление древесины слабее, а без дождя сильнее. Это объясняется тем, что смоченная поверхность древесины имеет большую проводимость, и ток молнии проходит преимущественно по поверхности и меньше повреждает древесину.

Расщепление древесины опор часто ограничивается вырыванием лент толщиной 2-3 см и шириной до 5 см, а иногда стойки и траверсы опор молния раскалывает пополам, при этом болты и крючья изоляторов выскакивают и падают на землю.

При прохождении через щели и узкие отверстия токи молнии также создают значительные разрушающие усилия. Примером этого могут служить случаи разрушения молнией трубчатых разрядников на линиях электропередачи.

После прохождения токов молнии в диэлектриках (каменные, кирпичные постройки) между остающимися зарядами возникают электростатические силы, имеющие ударный характер, которые приводят к разрушению каменных и кирпичных построек. Так же в некоторых случаях наблюдается разрушение железобетонных опор.

Опасность молний для электроэнергетики состоит еще в том, что  от канала молнии распространяется импульсное электромагнитное поле. В стадии разряда ток молнии посредством возникшего электромагнитного поля индуцирует напряжение на проводах и проводящих конструкциях электроустановок вблизи места удара [1].

При этом во всех проводящих элементах, которые попали в это поле, возникают импульсы напряжения, а в замкнутых контурах протекают импульсные токи. Такой эффект возникает на ВЛ, при этом возникшие наведенные токи могут вызвать перегрузку на линиях, что в некоторых случаях приводит к отключениям и возникновению аварийных ситуаций.        

Актуальность развития современной системы мониторинга грозовой активности.

Во многих развитых странах мира мониторинг гроз занимает одну из важнейших позиций при проектировании инженерных сооружений и обеспечении безопасности от поражения разрядами молний.

В нашей стране мониторингом грозовой активности на основе современных средств измерения в серьез стали заниматься совсем недавно, хотя изучение разрядных явлений в облаках интенсивно проводится в течение длительного времени.

Сегодня накоплен большой объем данных об электрических явлениях в облаках, в частности, о процессах, обуславливающих начало, интенсивность и продолжительность гроз [1, 2, 9]. Однако удовлетворительного соответствия между экспериментальными и теоретическими результатами не достигнуто, особенно для процессов разделения электрических зарядов и разрядных явлений.

Повышение эффективности обнаружения и распознавания гроз возможно с помощью пассивных средств регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ) грозовых разрядов. К таким средствам относятся однопунктовые и многопунктовые системы определения места грозовых очагов и разрядов. В большинстве из них (исключение составляют многопунктовые разностно-дальномерные системы) используются радиопеленгаторы и дальномеры, технические основы которых были заложены еще в 20-е годы прошлого века.

В 60-е - 80-е годы использовались узкополосные методы пеленгации гроз, а в конце 20-го века нашел свое применение, в основном за рубежом, широкополосный метод. В отечественной практике во второй половине 20-го века использовались преимущественно узкополосные грозопеленгаторы с амплитудным и амплитудно-фазовым преобразованием узкополосных сигналов. Узкополосные амплитудные, фазовые и широкополосный импульсный грозодальномеры (пеленгаторы МАРП СДВ, ПАГ-1, однопунктовые грозопеленгаторы-дальномеры (ОГПД) «ШТОРМ», «ОЧАГ-2П», «ФАГ-1», «Пеленг») [4].

В начале 90-х годов появились проекты «Апельсин», «Верея» и «Алвес» по разработке широкополосных модификаций приемников для грозопеленгаторов, пеленгационных и разностно-дальномерных систем предназначенных для определения места грозовых очагов и разрядов. Грозопеленгаторы, объединенные в сети или совмещенные с однопунктовыми грозодальномерами, позволяют решать задачи штормового оповещения как самостоятельно, так и в составе комплексов мониторинга контроля окружающей среды, в частности, с метеорологическими радиолокаторами (MPЛ) [2, 3, 5].

В наибольшей степени современным требованиям в исследовании грозового электричества облаков удовлетворяют данные, получаемые методами активной и пассивной радиолокации грозовых очагов в СВ- и УКВ-диапазонах радиоволн в сочетании с обычными наблюдениями за облаками с помощью метеорологических радио локаторов (МРЛ).

Приоритет в разработке этих методов принадлежит отечественным исследователям [3, 6, 15].

Современные высокотехнологичные системы мониторинга гроз.

Приведем пример из практики.

ОАО «НПО «Стример» совместно с ОАО «ФСК ЕЭС» осуществили крупный проект, используя систему грозомониторинга НАМОС. Он расширяет возможности грозозащиты линии электропередачи 220 кВ Цимлянская ГЭС - Шахты-30 в Ростовской области. Эти линии обеспечивают электроснабжение многих крупных промышленных предприятий региона.

Современные методы мониторинга грозовой активности позволяют получать возможность раннего предупреждения о грозовой опасности в интересующем его районе.

Система грозомониторинга НАМОС, которая использована в данном проекте,  построена с использованием надёжного и высокоточного оборудования Vaisala. Современная автоматизированная система этой фирмы предоставляет в реальном времени точную информацию о месте и времени грозового разряда в двухмерном отображении, что в свою очередь позволит сократить до минимума имущественные потери и, что не менее важно, предотвратить человеческие жертвы. Оборудование грозопеленгации Vaisala прошло многолетнюю проверку в сетях наблюдений NLDN, NASA, ALDIS, EUCLID.

Система грозомониторинга НАМОС предназначена для получения оперативной и аналитической информации о грозовой активности.

Использование системы грозомониторинга НАМОС позволяет:

- выбрать правильные средства молниезащиты;

- значительно снизить риски поражения молниевыми разрядами линейного и полевого персонала;

- учитывать грозовую активность в регионах при проектировании протяжённых объектов – трубопроводов, ЛЭП, ЖД магистралей и т.д.

Реализация проекта была начата в ноябре - декабре 2010 года. С августа 2012 г. начата и успешно проходит ОПЭ (опытно-промышленная эксплуатация) системы в Ростовском ПМЭС ФСК ЕЭС.

В недалеком будущем Национальное агентство по мониторингу окружающей среды планирует создание сети из существующих систем грозопеленгации в России, а также их расширение.

Заключение

На основе вышеизложенного можно заключить, что изучение грозовой активности и развитие системы грозомониторинга в современных условиях является важнейшей задачей, которая требует незамедлительного решения. Изучение грозовой активности и развитие современной высокотехнологической системы грозомониторинга помимо научно-прикладных целей позволит решать множество важнейших задач для всех отраслей экономики: грамотное проектирование любых инженерно-технических сооружений, обеспечение безопасной эксплуатации различных объектов, уменьшение экономического ущерба от грозовых явлений, а также обеспечение безопасности жизнедеятельности людей. Все это является немаловажной частью и залогом успешного развития всех экономических отраслей народного хозяйства страны.   

 

Список использованной литературы

1. Базелян Э.М., Райзер В.П. Физика молнии и молниезащиты. М., 2001.

2. Брылей Г. Б., Гашина С.Б., Незройминога Г.Л. Радиолокационные  характеристики   облаков  и   осадков. – Л. : Гидрометиздат, 1986. - 321 с.

3. Бару Н.В., Кононов И.И., Соломоник М.Е. Радиопеленгаторы-дальномеры ближних гроз. Л., Гидрометеоиздат, 1976,143 с.

4. Бару Н.В., Брылев Г.Б. ,Колоколов В.П., Корниенко Г.Г., Соломоник М.Е. результаты использования грозопеленгатора ПАГ-1 в составе метеорологического радиолокатора МРЛ-2 для обнаружения гроз. Труды ГГО, 1975,вып.З 5 8,с.96-103.

5. Брылев Г.Б.,Шведов В.В. Радиолокационные критерии грозоопасности в оперативной практике. В кн.: Радиолокационная метеорология. Л.,Гидрометеоиздат, 1982, с. 144-154.

6. Гальперин С.М. К вопросу о совместном использовании грозопеленгаторов-дальномеров и РЛС метеорологического назначения. Труды НИЦ ДЗА (Филиал ГГО),СПБ.,Гидрометеоиздат,2001 ,вып.3(549),с. 147-153.

7. Зверев А. С.  Синоптическая   метеорология. – Л. : Гидрометиздат, 2 - е  изд.,  перераб.  и  доп. , 1977. - 699 с.

8. Зимин Б. И  О  связи  электризации  грозовых облаков с осадками                            Метеорология и гидрология. 1981. с.44-51

9. Имянисов И. М. Строение и условия  развития  грозовых  облаков. Метеорология  и  гидрология, 1981 , с. 5 - 17.

10. Луговой В.А., Тимашова Л.В., Черешнюк С.В. Требования к учету климатических нагрузок на ВЛ // Вестник ВНИИЭ. – М.: НЦ ЭНАС, 2004.

11. Мучник В. М.  Физика  грозы. – Л. : Гидрометиздат , 1974. - 371 с.

12. Матвеев Л. Т.  Курс  общей  метеорологии . Физика  атмосферы . – Л. : Гидрометиздат,  1984. - 751 с.

13. Мейсон Б. Д.  Физика  облаков. - Л. : Гидрометиздат, 1961. - 542 с.

14. Руководство  по  краткосрочным  прогнозам  погоды . Ч. 1. - Л. : Гидрометиздат,  1986 . - 701с

15. Степаненко В. Д. , Гальперин С. М.    Радиотехнические   методы   исследования   гроз. – Л. : Гидрометиздат , 1983 . - 204 с.

16. Снегуров B.C. Концепция сети пеленгации гроз. Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 1997, вып. 1(546), с.92-104.

17. Снегуров B.C. Амплитудный электромагнитный метод определения дальности грозовых разрядов. Труды НИЦ ДЗА, (Филиал ГГО),СПБ., Гидрометеоиздат, 2005,вып. 6(554),с.150-155.

18. "Физика атмосферы: электрические эффекты, радиофизические методы исследований". Труды Совещания по Программе ОФН и ОНЗ РАН / Ред. Г.С.Голицын, Е.А.Мареев. Н.Новгород, 2003.

19. Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология   и   климатология:  Учебник, 4-изд. :  перераб.  и  доп. -  М. :  Изд - во  МГУ, 1994. - 520 с.

20. Шметер С. М. Термодинамика  и  физика  конвективных  облаков. - Л.: Гидрометиздат , 1987. - 270с.

21. Mareev E.A., Anisimov S.V. Global electric circuit as an open dissipative system. Proc. 12th Int. Conf. on Atmospheric Electricity. Versailles, 2003. P.797-800.  

Статья опубликована в журнале "Воздушные линии" №1(10)/2013.

Все статьи