Глава 1 Аналитический отчет о проведении теоретических и экспериментальных исследований
Получение новой информации об электрических процессах в облаках
В данной работе рассмотрены вопросы, связанные с электрическими и микрофизическими процессами в облаках. Информация об электрических и микрофизических процессах в облаках нами получена с использованием грозорегистратора LS 8000 и оборудования УСУ «КГФИИСКБГУ», входящего в состав НОЦ «Геодинамическая обсерватория». Грозорегистратор LS 8000 предназначен для автоматического обнаружения и регистрации координат грозовых разрядов и может использоваться как в автономном режиме, так и в составе региональной системы из нескольких аналогичных комплексов, объединяемых специальной системой связи или через Интернет.
Задача определения местоположения молниевых разрядов радиотехническими средствами представляет интерес, как для фундаментальной науки – изучение разрядных явлений и плазменных образований, так и для решения практических задач – организация молниезащиты различных объектов. Оперативная и достоверная информация о грозовых явлениях и параметрах молниевых разрядов позволит решить многие проблемы авиации, метеорологии, энергетики, физики атмосферы, электричества земли и околоземного пространства.
Конвективное облако сопровождается значительным числом разрядов молнии. По признакам местоположения молнии делятся на четыре вида:
облачные – разряды внутри конвективного облака между разноименно заряженными областями;
межоблачные – разряды между разноименно заряженными зонами двух облаков;
наземные – разряды между облаком и землей. При этом если нейтрализуется отрицательный заряд, имеет место отрицательная молния, если положительный заряд, то положительная молния.
ионосферная – разряд между облаком и ионосферой.
Используемая в данной работе система грозопеленгации для обнаружения общих внутриоблачных и облако-земля молний, установленная на Северном Кавказе и включенная в УСУ КБГУ, состоит из четырех грозопеленгаторов LS 8000 фирмы Vaisala и центрального пункта приема и обработки информации от грозопеленгаторов [11]. Грозопеленгаторы расположены близ населенных пунктов: Черкесск (КЧР), Кызбурун (КБР), Ставрополь и Зеленокумск (Ставропольский край). Данные с этих сенсоров, посредством спутниковой связи, передаются на центральный пункт приема и обработки информации, расположенный в городе Нальчике, Центральный пункт приема и обработки информации - это аппаратно-программный комплекс, состоящий из 6 компьютеров, программного обеспечения фирмы Vaisala и оборудования для спутниковой связи с грозопеленгаторами LS8000. Схема расположения датчиков грозопеленгаторов и центрального пункта показана на рисунке 1.
Каждый грозопеленгатор имеет два датчика – низкочастотный (LF) и высокочастотный (VHF). LF–датчик регистрирует разряды облако-земля и внутри-облачные, а VHF–датчик внутри-облачные разряды. Также в программно-аппаратный комплекс входят антенны GPS, позволяющие получать точное время со спутников GPS, что, в свою очередь, позволяет синхронизировать все временные измерения, производимые всеми сенсорами со временем на центральном пункте.
Временные значения определяются с точностью 100 наносекунд. Каждый датчик при молниевом разряде определяет азимут на разряд, время прихода сигнала на датчик и силу сигнала.
Эти данные поступают на центральный процессор (CP), расположенный в Нальчике. Анализируя поступившие данные, СР определяет местоположение каждого разряда, используя сигналы с максимально возможного числа сенсоров. В оптимальном случае используется информация со всех 4 грозопеленгаторов, при условии, что эти данные удовлетворяют условиям корректности.
Рисунок 1 - Местоположение сенсоров и центрального пункта грозорегистратора LS 8000.
Для возможности определения местоположения разряда необходимо получить корректные данные как минимум с двух сенсоров.
По данным, полученным с LF и VHF датчиков, центральный процессор, после их обработки, выдает следующую информацию о разряде:
дата и время с точностью 100 наносекунд;
широта, долгота (WGS-84);
сила и полярность сигнала (тока в канале разряда), в kA;
количество датчиков, использованных при определении местоположения;
большая полуось эллипса 50% вероятности;
малая полуось эллипса 50% вероятности;
классификация разрядов на типы облако-земля или внутри-облачный разряд;
классификация разрядов на положительные и отрицательные;
позиционная уверенность (chi-квадрат);
время поднятия сигнала до пикового значения, в мкс;
время спада сигнала от пикового значения до нуля, в мкс.
По данным, полученным с VHF датчиков, СР после обработки, выдает информацию только о внутри-облачных разрядах. Выдаваемая информация практически соответствует, как и в случае LF, за исключением: силы и полярности сигнала (тока молнии), времени нарастания и спада сигнала.
Координаты местоположения грозопеленгаторов и центрального пункта приведены в следующей таблице 1.
Таблица 1 – Координаты местоположения грозопеленгаторов.
|
Широта
|
Долгота
|
Черкесск
|
44,2874 º
|
42,2404 º
|
Зеленокумск
|
44,4337 º
|
43,9036 º
|
Ставрополь
|
45,1136 º
|
42,1012 º
|
Кызбурун
|
43,6787 º
|
43,4048 º
|
Центральный пункт
|
43,4694 º
|
43,5861 º
|
На рисунке 2 показана мачта грозорегистратора и электронный модуль.
Для разработки рекомендаций по грозозащите конкретных высоковольтных линий (ВЛ) в различных регионах необходимо использование инструментальных регистраций параметров молнии [12]. К этим параметрам относятся амплитуда тока молний (Jм), длительность его нарастания до максимального значения (τф), крутизна тока молнии (отношение Jм к τф) и удельная поражаемость земли молниями в год (n).
Широко поставленные в прошлом столетии полевые исследования по измерению амплитуды тока молнии с помощью ферромагнитных регистраторов [13] осциллографическими исследованиями [14] и дистанционными измерениями [2] показали, что есть различия в распределениях Jм в разных регионах.
Эффективность молниезащиты энергетических объектов зависит от точного знания значений Jм и tф для данного района.
Нами для определения амплитуды тока молний (Jм) и длительности волны тока (τф) молний на Северном Кавказе использован грозорегистратор LS 8000, который является разностно-дальномерной системой типа LPATS.
Грозорегистратор обеспечивает прием информации о молниях со всей территории Северного Кавказа, их архивирование и передачу информации потребителям. В России отсутствует аналог такой системы. В России получили реализацию лишь однопунктные системы местоопределения грозовых очагов – это грозорегистраторы-дальномеры типа «Очаг-2П». Обладая определенными достоинствами, такие изделия имеют большие погрешности и ограниченную территорию использования. На рисунке 3 представлено распределение J5, полученное нами для Северного Кавказа с использованием грозорегистратора LS 8000. Для сравнения на рисунке 3 приведены эти данные (кривая 5) и распределения Jм, полученные в разных регионах: рекомендованное CIGRE распределение J1 (кривая 1), полученное НИИ ПТ для северной части Карельского перешейка по результатам регистраций финской сети инструментальных наблюдений.
Рисунок 2 - Мачта грозорегистратора и электронный модуль.
Рисунок 3 - Распределения тока молнии Jм, полученные в различных регионах.
Обобщенные:
1 - СИГРЭ ( = 33,3 кА), прямые и косвенные измерения преимущественно на башнях [15];
2 - Руководство …» (= 20 кА), косвенные измерения на ВЛ [16].
Региональные:
3 - Карелия ( = 13,5 кА), косвенные измерения КирНИОЭ на ВЛ [2];
4 - Измерения на Северном Кавказе ( = 18,6 кА), дистанционные измерения пассивно-активными средствами [14];
5 - Измерения с помощью грозорегистратора LS 8000 (для положительных токов = 17,4 кА; для отрицательных токов = 14 кА).
грозами (кривая 3), рекомендованные РАО ЕС распределения Jм (кривая 2) и дистанционные измерения на Северном Кавказе осциллографированием излучения разрядов молнии с синхронной регистрацией расстояния до разряда молнии с помощью радиолокатора [14] (кривая 4).
Как видно из рисунка 3, значения Jм, полученные с использованием грозорегистратора LS 8000, достаточно хорошо согласуются с измерениями в данном районе [14], полученными с использованием активно-пассивных радиотехнических средств.
Из рисунка 3 также видно, что нет полного совпадения кривых распределения тока молнии, а это, по-видимому, связано, во-первых, с индивидуальными особенностями характеристик молний в районах с различными орографией и широтой и подтверждает необходимость исследований параметров молний для конкретных местностей, на которых планируются молниезащитные мероприятия, во-вторых, с особенностями регистрации различными методами. Данные [17], полученные методами прямого осциллографирования и магнитозаписи, а также антенно-оптическим методом (здесь расстояние до разряда определяется по регистрации светового излучения), а, следовательно, и построенные по ним вероятностные распределения будут отличаться от выборок и соответственно распределений, полученных антенно-радиолокационным методом. Полученные с использованием грозорегистратора LS 8000 значения тока молнии позволяют выявить основные факторы, влияющие на получаемые характеристики распределений Jм. К ним относятся орографические и климатические условия, высота местности над уровнем моря: тип подстилающей поверхности, тип объекта (сосредоточенный или протяженный). Грозорегистратор LS 8000 позволяет регистрировать значения токов молнии с делением их на положительные и отрицательные. На рисунках 4 и 5 приведены их распределения. Согласно этим данным на Северном Кавказе отношение количества положительных разрядов к общему количеству зарегистрированных за тот же период отрицательных разрядов на землю равняется 0,995, то есть количество разрядов молнии разного знака примерно одинаково. Грозорегистратор в России эксплуатируется с 2008 г. За этот период удалось получить следующие статистические характеристики разрядов молнии.
Положительные разряды.
Объем исследуемой выборки 31376 разрядов молний. На рисунке 4 приводится статистическое распределение частот возникновения положительных разрядов молний F+(J) и линия тренда (сплошная линия) по Северному Кавказу. Распределение тока молний положительной полярности с высокой точностью описывается выражением вида:
F+(J) = 5·10-8 ·J6 -2·10-5 ·J5 + 0,0028· J4 - 0,2305 ·J3 +10,619 ·J2 -265,69 ·J + 2955,1 (1)
Для выражения (1) коэффициент детерминации R2 равен 0,9987. Самый слабый и частый (2688 случая) импульс измеренной силы тока составляет 10 kA. Самый сильный 311 kA. Мода равна 10 kA, медиана вариант, расположенная в середине нашего упорядоченного вариационного ряда, делящая его на две равные части, равна 17 kA, среднее значение силы тока соответствует 22,9 kA. Дисперсия исследуемых сигналов - степень рассеяния вокруг среднего их значения - равна 304,05 (kA)2, а среднеквадратическое отклонение 17,458 kA. Сумма всех положительных сигналов выборки составляет 722901 kA. Размах выборки, т.е. разница между максимальным и минимальным полученными сигналами, равен 301 kA.
Отрицательные разряды:
Объем исследуемой выборки составляет 31534 регистраций. На рисунке 5 приводится статистическое распределение частот возникновения
Рисунок 4 - Распределение значений токов молнии положительной полярности.
Рисунок 5 - Распределение значений токов молнии отрицательной полярности.
отрицательных разрядов молнии F-(J) и линия тренда (сплошная линия) по Северному Кавказу. Их распределение хорошо аппроксимируется выражением:
F-(J) = 3·10-7 ·J6 +9·10-5 ·J5 - 0,0124· J4 + 0,7859 ·J3 -23,209 ·J2 +231,11 ·J + 864,13 (2)
Для выражения (2) коэффициент детерминации R2 равен 0,9191. Самый слабый импульс измеренной силы тока составляет 4 kA. Самый сильный 210 kA. Мода равна 9 kA, медиана вариант, расположенная в середине нашего упорядоченного вариационного ряда, делящая его на две равные части равна 14 kA, среднее значение силы тока соответствует 16,8019 kA. Дисперсия исследуемых сигналов – степень рассеяния вокруг среднего их значения равна 140,648 (kA)2, а среднеквадратическое отклонение 11,595 kA. Сумма всех отрицательных сигналов выборки составляет -530287 kA. Размах выборки – разница между полученными максимальным и минимальным сигналами 206 kA. Выполнены измерения времени τф нарастания волны тока при разрядах облако-земля. По результатам измерений с помощью грозорегистратора LS 8000 вероятность распределения τф представлена на рисунках 6 и 7. Как видно из рисунков, значения τф меняются от 1 до нескольких десятков мкс (50 мкс). Среднее значение τф для Северного Кавказа составило 8 мкс. В зависимости от знака разряда молнии значения τф меняются. Измеренные нами с использованием LS 8000 значения длительности фронта нарастания волны тока, лежат в пределах границ вариаций, определенных Бергером [18] методом прямого осциллографирования. Регистрации, проведенные нами в 90-х годах прошлого столетия с использованием осциллографических методов, характеризовались значениями τф в пределах от 2 до 10 мкс, среднее значение τф составило 6 мкс [13]. Их сравнение с нынешними измерениями с использованием грозорегистратора свидетельствует о хорошем совпадении. При этом следует отметить, что грозорегистратор
Рисунок 6 - Распределение времени нарастания токов положительной полярности.
Рисунок 7 - Распределение времени нарастания токов отрицательной полярности.
фиксирует молниевые разряды с достаточно большими значениями длительности фронта – до 50 мкс.
Среднее значение τф положительных разрядов составляет 13,3 мкс, а отрицательных разрядов -11,6 мкс.
|
