автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Исследование характеристик грозовой деятельности и параметров молнии применительно к грозозащите воздушных линий электропередачи

РГ6 ОД

Министерство науки, высшей школы н технической . политики Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

Дульзон Альфред Андреевич

УДК 621.316.9'"

Исследование характеристик грозовой деятельности и параметров молнии применительно к грозозащите воздушных линий электропередачи

05.14.12 - техника высоких напряжений

Диссертация на соискание ученой стегени доктора технических наук в форме научного доклада

Новосибирск 1993

Работа выполнена в Томском политехническом ? университете (ТПУ)

Официальные оппоненты:

Чл.-корр. РАН, доктор технических наук, проф.

М.В.Костеико

доктор технических наук, проф. доктор технических наук, проф.

Э.М.Вазелин

Ю.В.Целебровскш!

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт постоянного тока

Защита состоится о* .1993 г. в._ часов на заседа-

нии специализированного Совета Д.063.34.01 Новосибирского государственного технического университета по адресу: г. Новосибирск, •пр. КМаркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Диссертация в форме научного доклада разослана ___ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, к.т.н., доцент

Ольховский В.Я.

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Интенсивное электросетевое строительство и неприемлемо низкий уровень надежности работы ВЛ при грозах в 30-40 годах обусловили проведение в СССР широкого спектра исследований молнии, характеристик грозовой деятельности и методов расчета грозоупорности ВЛ. Благодаря усилиям И.С. Стехольникова, В.В. Бургсдорфа, Д.В. Разевига, А.И. Долгинова, М.В. Костеико и ряда других ученых наша страна в 50-ых годах занимала ведущее место в мире по уровню научных работ в этой области. Наиболее острые проблемы в области грозозащиты были решены и, к сожалению, внимание к этому разделу ТВН резко упало. В то же время рост энерговооруженности во всех отраслях народного хозяйства сильно повышает их чувствительность к надежности электроснабжения. Его перерывы ведут к большим убыткам, а для некоторых производств и специальных объектов могут приводить к катастрофическим последствиям. В условиях рыночной экономики перед энергетикой неизбежно будет остро поставлен вопрос о повышении экономической ответственности перед потребителями энергии. Поскольку доля грозовых отключений линий электропередачи при нормальной их эксплуатации достигает 30-50% от общего числа автоматических отключений, проблема обеспечения оптимальной надежности грозозащиты остается актуальной. Для обоснованного проектирования грозозащиты ВЛ и других объектов требуются качественные исходные данные об интенсивности грозовой деятельности и параметрах молнии, а также о фактической эксплуатационной надежности ВЛ разных классов напряжения. Получение таких данных особенно актуально для интенсивно осваиваемых территорий Западной Сибири и Казахстана. В связи с их размереми и ограниченными финансовыми возможностями особый акцент при разработке способов получения зтой информации должен быть сделан на их простоте, производительности и дешевизне, даже в ущерб точности измерений. В нашей работе эти соображения играли существенную роль.'

Цели работы.

1. Выявление фактической надежности грозозащиты ВЛ и факторов ее определяющих, выработка рекомендаций по удешевлению грозозащиты ВЛ и повышению.надежности работы распределительных сетей при грозах.

2. Разработка методики и аппаратуры для инструментального исследования характеристик грозовой деятельности и параметров молнии.

3. Определение закономерностей пространственно-временного распределения характеристик' грозовой деятельности и параметров молнии иа основе полевых измерений и многолетних данных метеосети.

Научная новизна.

I. Разработана новая модель разряда молнии, более полно учитывающая результаты полевых исследований, в частности, факт уменьшения тока с

высотой, и изучена пространственно-временная картина электромагнитного поля молнии, соответствующая этой модели.

2. Доказано наличие широтной зависимости амплитуды тока молнии.

3. Установлена связь интенсивности грозовой деятельности с 4-6-летними циклами солнечной активности.

4. Доказано существование избирательной грозопорахаемости участков ВЛ и территорий и предложены гипотезы для ее объяснения.

5. Установлена практическая независимость числа грозовых отключений ВЛ от сопротивления заземления опор, измеренного на переменном токе, в широком диапазоне изменения его величины.

6. Установлено, что число грозовых часов в году как характеристика интенсивности грозовой деятельности не имеет преимуществ перед числом грозовых дней, и обе эти характеристики неудовлетворительно отражают мезомасштабные особенности грозоаоражаемости.

7. Изучены основные факторы, определяющие неоднородность пространственного распределения грозовой активности, разработана методика постро-. ения соответствующих статистических моделей и построены модели для двух резко отличающихся по физико-географическим характеристикам территорий.

8. Разработана методика построения карт плотности разрядов молнии на землю на основе инструментальных измерений на базовых метеостанциях и материалов метеонаблюдений.

Практическая значимость.

1. Для ряда энергосистем Сибири и Казахстана созданы карты грозовой деятельности, утвержденные Минэнерго в качестве нормативных.

2. Создан и передан в СРВ комплект приборов, созданных по контракту между ЭНИН и Ханойским институтом энергетики.

3. Создана и поддерживается в рабочем состоянии в течении 8 лет сеть счетчиков разрядов молнии в Томской области ( в 10 пунктах).

4. Разработана и утверждена Минтопэнерго РФ отраслевая методика создания нормативных карт грозовой деятельности.

5. По заказам энергосистем выполнены анализы грозовой аварийности сетей, предложены технические и организационные мероприятия по повышению надежности грозозащиты, часть из которых энергосистемами реализована.

6. Предложены для включения в Руководящие указания по защите от перенапряжений распределения вероятностей токов молнии с учетом географической широты.

Апробация работы и публикации.

Работы, вошедшие в диссертацию, представлялись на 8-ой (Упсала,1988) и 9-ой (Санкт-Петербург, 1992) Межд. конф. по атм. электричеству,

ва 20-ой (Интерлакен,1990) и 21-ой (Берлин,1992) Межд. конф. по молние-защите,

на 9-ой Межд. конф. по электромагнитной совместимости (Цюрих,1991), на 7-ом Межд. симп. по ТВН (Дрезден,1991),

на 2-4 Всес. симп. по атм. электричеству (Ленинград, 1982, Тарту, 1986, Нальчик, 1990) и др.

По теме диссертации в соавторстве опубликовано две монографии и свыше 70 статей, получено 15 авт.свидетельств. Под руководством автора подготовлены и защищены аспирантами и сотрудниками НИИ высоких напряжений (НИИ • ВН) при ТПУ 7 канд. дисс.(по иссл.молнии и молниезащиты).

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований фактической надежности грозозащиты ВЛ различных классов напряжения и разного конструктивного исполнения и методика расчета числа грозовых отключений ВЛ 6-10 кВ на деревянных и железобетонных опорах.

2. Модель главного разряда молнии, учитывающая уменьшение скорости и тока с высотой, а также результаты анализа электромагнитного поля молнии, соответствующего этой модели.

3. Результаты разработки аппаратуры и методик для инструментального исследования пространственно-временных характеристик интенсивности грозовой деятельности и дистанционного измерения амплитуд токов молнии.

4. Результаты исследований временного хода грозовой активности и факторов, определяющих ее пространственную неоднородность.

' 5. Статистические модели пространственного распределения грозовой деятельности.

6. Методика создания карт плотности разрядов молнии на землю. Содержание доклада

1. Исследование надежности грозозащиты ВЛ.

1.1. Методика сбора и обработки информации по грозовым отключениям ВЛ.

1.2. Методика расчета числа грозовых отключений.

1.3. Анализ грозовой аврийности.

2. Разработка аппаратуры и методик для инструментального исследования интенсивности грозовой деятельности и параметров молнии.

2.1. Модель возвратного разряда молнии.

2.2. Элегдроиапштное поле молнии.

2.3. Разработка приборов и методик.

2.4. Методика измерения амплитуд токов молнии.

3. Пространственно-временные характеристики грозовой деятельности.

3.1. Характеристика исходных данных.

3.2. Временной ход. грозовой деятельности.

3.3. Некоторые особенности фронтальных и вяутримассовых гроз.

3.4. Зависимость амплитуд токов молнии от географической широты и высоты над уровнем моря.

3.5. Пространственное распределение интенсивности грозовой деятельности.

Обобщенные в докладе работы проводились под научным руководством и при непосредственном участии автора коллективом сотрудников организованной им лаборатории молниезащиты НИИ ВН при участии кафедры метеорологии Томского госуниверситета. В составе коллектива в разные годы работали энергетики и электрофизики (Ажермачева В.П., Вишневецкая Н.Б., Гиндуллин Ф.А., Домашенко В.Г., Есипенко Р.Ф., Красик В.М., Купцов A.M., Куртенхов Г.Е., Линхоев Л.Б., Луц А.О., Макаров Р.Н., Раков В.А., Шелухин Д.В., Шоиванов Ю.Р., Яворовский H.A.), метеорологи (Алехина Н.М., Горбатенко В.П., Иванова Н.Г.), радиофизики и радиотехники (Женихов Э.Ф., Пегов A.A., Потапкин В.И.), математики (Баранов В.А., Разин СЛ.), геолог (Сараев В.А.). Благоприятным фактором было также сотрудничество с участниками кооперации, выполнявшей работы по контракту с СРВ - ЭНИН, КирНИОЭ, АзНИИЭ. Большую помощь в сборе информации по грозовым .отключениям ВЛ оказали сотрудники энергосистем, в особенности, Кузбассэнерго, Кустанайэнерго и Карагандаэнерго.

1 .Исследование надежности грозозащиты ВЛ.

Исследование надежности работы линий различного класса напряжения и разного конструктивного исполнения позволяет получить необходимые исходные данные для проверки допущений, прнимаемых при расчете грозозащиты ВЛ и, соответственно, для корректировки методов расчета ожидаемого числа грозовых отключений линий. Анализ опыта эксплуатации ВЛ позволяет в отдельных случаях предложить практические рекомендации по уменьшению числа отключении и для конкретных линий.

Важнейшим условием корректности выводов по результатам анализа опыта эксплуатации грозозащиты ВЛ является достоверность исходных данных. Ошибки могут иметь место как в связи с неправильным определением причины отключения, так и в связи с неучетом изменений в процессе эксплуатуции конструкции линии. Не исключено умышленное искажение информации, когда отключение, произошедшее по вине персонала, относится на счет стихии.

1.1. Методика сбора и обработки информации по грозовым отключениям

ВЛ.

В качестве источников информации об автоматических отключениях ВЛ нами использовались суточные ведомости энергосистем, оперативные журналы диспетчерских служб РЭУ, ПЭС и РЭС, оперативные журналы подстанций, журналы аварийных отключений, отчеты о действии релейной защиты и автоматики. По ВЛ 1 10 кВ и более информация в суточных ведомостях и оперативных журналах практически не содержит пропусков и искажений за исключением единичных случаев сокрытия вины персонала. По ВЛ 6-10 кВ единственным надежным источником информации являются оперативные журналы подстанций. Во всех остальных сводных документах информация сильно искажена. В результате сопоставления отчетных и фактических данных об автоматических отключениях ВЛ 6-10 кВ в ряде энергосистем мы установили, что в отчетах фиксируется 10-30% от фактического числа отключений.Такая выборка тоже могла бы быть использована для разработки мероприятий по снижению аварийности линий, если бы удалось установить принципы отбора данных. Мы проверили ряд гипотез и пришли к выводу, что наиболее вероятным принципом усечения информации является стремление не ухудшать отчетных цифр предыдущего года. Это исключает возможность использования сводных отчетных данных об отключениях ВЛ 6-10 кВ для сколь-нибудь серьезного анализа. Требуется обязательная проверка данных по первичной оперативной документации.

Как известно, автоматическое отключение ВЛ относят • грозовым в случае совпадения его по времени с грозой, если нет оснований для отнесения его за счет других причин. Однако это бесспорно только в случае, когда на линии зарегистрированы характерные для разряда молнии повреждения гирлянд изоляторов и деревянных опор. В других случаях всегда остается сомнение, что совпадение по времени с грозой случайно. Проведенные нами в "Кузбассэнерго" испытания счетчика разряда молнии, дающего информацию о факте и времени наземного разряда в окрестности линии, показали, что с его помощью можно

обеспечить практически 100%-ную надежность идентификации грозового отключения, однако по экономическим причинам использование таких устройств реально только в отдельных случаях. Надо сказать, что вероятность случайного совпадения отключения негрозового характера с грозой, даже в пределах часа, обычно весьма мала и находится ка уровне 10"5 и менее. Однако некоторые виды отключений, например, за счет порывистого ветра, а также за счет перекрытий загрязненно-увлажненной изоляции, могут вызываться грозой, хотя и не связаны с разрядом молнии. Сопоставив годовое распределение ветров с распределением автоматических отключений ВЛ, мы убедились, что с ветровыми отключениями во время гроз можно не считаться, по крайней мере для нормально спроектированных и нормально эксплуатируемых линий.

Что касается перекрытий загрязненно-увлажненной изоляции во время гроз, то значительные ошибки могут возникать лишь в случае линий, имеющих малые запасы изоляции по нормальному эксплуатационному режиму. Хота гроза, как правило, сопровождается ливневым дождем, который обеспечивает самоочищение изоляции ВЛ, всегда в районе грозы бывают моменты н площади с очень слабыми осадками, которые лишь увлажняют загрязненную изоляцию и могут привести к ее перекрытию. В качестве примера можно привести группу линий 110 кВ протяженностью 234 км, которые за 5 лет дали 127 автоматических отключений, из которых 40 было отнесено к грозовым. Анализ показал, что утренний пик отключений связан с увлажнением загрязненной изоляции,-а истинное число грозовых отключений не превышает 25-30. Расчеты ожидаемого числа перекрытий загрязненно-увлажненной изоляции с учетом реального уровня загрязнений вдоль трасс линий и числа длительных увлажнений в год показали, что добавление одного изолятора в гирлянду позволит уменьшить общее число отключений этой группы линий, по крайней мере, вдвое. Энергосистема реализовала наше предложение, и з последующие годы общее число отключений упомянутых линий уменьшилось более, чем втрое.

В процессе предварительной обработки -эксплуатационных данных все автоматические отключения линий в период грозового сезона сопоставлялись с данными ближайших метеостанций. При этом учитывалось направление перемещения гроз, что позволяло путем интерполяции оценивать время грозы в промежуточных точках. При такой проверке некоторую долю автоматических отключений по неизвестным причинам мы относили к грозовым. С другой стороны, если в диспетчерских журналах было отмечено грозовое отключение, а метеостанции грозы не зафиксировали, то проводилась дополнительная проверка (фактически прогноз грозы) по приземным синоптическим картам и картам барической топографии. В отдельных случаях, когда установление причины отключения было особенно важным, привлекались снимки облачности со спутников.

1.2. Методика расчета числа грозовых отключений.

Расчет ожидаемого числа грозовых отключений линий 110 кВ и более производился по методике, разработанной Д.В.Разевигом и модифицированной и НИИ ПТ . Неоднородные по длине линии для расчета разбивались на примерно однородные участки. На линиях с деревянными опорами учитывались дополнительные отключения, обусловленные ослабленными точками.

При подготовке исходных данных для расчета ожидаемого числа грозовых отключений и последующего сопоставления их с чистом отключений в эксплуатации особое внимание уделялось учету изменений конструкции линий за период эксплуатации.

Для расчета чиста грозовых отключений ВЛ 6-10 кВ нами на основе вышеупомянутой была разработана методика, учитывающая особенности этих линий, главной из которых является то, что они работают с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью. Невысокий уровень изоляции и небольшие длины пролетов приводят к тому, что доля дополнительных перекрытий на соседних с точкой разряда молнии опорах при ПУМ в линию может достигать 40% (для ВЛ на железобетонных опорах). Кроме того, значительный вклад в число грозовых отключений этих линий вносят индуктированные перенапряжения.

Перекрытие линейной изоляции от индуктированных перенапряжений происходит при выполнении условия ин(1,а,Г,г)>ир(ГЗ, где I и а - амплитуда и крутизна фронта тока молнии, Т - время с момента возникновения на ВЛ индуктированного перенапряжения, 2 - расстояние от точки разряда молнии до линии, УрЮ - импульсное разрядное напряжение изоляции фазы на землю.

По аналогии с известным понятием кривой опасных параметров нами введено понятие объема опасных параметров, определяющего область, ограниченную трехмерной поверхностью сочетаний значений амплитуд и крутизн токов молнии и соответсвующих им расстояний от точки разряда молнии до линии, при которых происходит перекрытие линейной изоляции. С учетом законов распределения вероятностей амплитуд и крутизн токов молнии, принимая равновероятным любое расстояние до разряда молнии в землю за пределами полосы, с которой линия собирает прямые удары молнии, можем определить вероятность перекрытия изоляции от индуктированных перенапряжений

1.3. Анализ грозовых отключений В Л

Для анализа были собраны и обработаны конструктивные и эксплуатационные данные по 165 ВЛ 110-500 кВ и 450 ВЛ 6-10 кВ ряда энергосистем Сибири и Казахстана.

* Разевиг Д.В. Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи. М.:

Госэнергоиздэт, 1959.

** Корсунцев A.B., Кузнецова Я.Е. Известия НИИ ПТ. 10, ГЭИ, 1965.

Р =

- 1 тел)

i а

П во-

£0

о о

Î • S

о оЗоо^зо о $о

о gojoo

/2

st

Рис. 1

se г

о %

Связь отключений с интенсивностью грозовой деятельности. При анализе опыта эксплуатации грозозащиты ВЛ и сопоставлении с данными других авторов требуется приведение его к одинаковому уровню грозовой деятельности. Даже, если не учитывать широтный ход амплитуд токов молнии, остается вопрос о плотности разрядов молнии на 1 км2 земной поверхности. Такие данные только начинают появляться в ряде стран. Это вынуждает опираться пока на традиционные характеристики - среднее число грозовых дней (Т) и грозовых часов (П). Для единичной метеостанции корреляция между ними достаточно велика. Для примера на Рис.1 представлены значения Т и П для 40-летнего ряда наблюдений метеостанции Гурьевск (коэф. корр. 0,87). Хорошо коррелируют и временные ряды Т и 11, усредненных по всем метеостанциям на территории энергосистемы. На Рис.2 представлены данные по "Кузбассэнерго" (21 метеостанция) за 15 лет (коэф. корр. 0,9). Временной ход грозовой активности (много- . летний, годовой и суточный) удовлетворительно согласуется с ходом числа грозовых отключений, хотя имеются и некоторые особенности. К примеру, в Кузбассе на июль приходится около 50% грозовых отключений и только 35% грозовых часов. В остальные месяцы, наоборот, доля грозовых часов превышает долю грозовых отключений. Регистрация разрядов молнии с помощью счетчиков показала, что на один грозовой час в июле приходится большее число

разрядов молнии, чем в другие месяцы.

Заметно слабее связь Т и П, если их брать не во временном ходе в одной точке, а в пространстве. Данные по 24 метеостанциям Кемеровской области в 1979 г. представлены на Рис.3 (коэф. корр. 0,68). Существенно хуже и соответствие числа грозовых отключений (п) и числа грозовых часов для

—г— ВЛ, проходящих в разных районах. Так, для № ' 56 линий 110 и 220 кВ нами не было обнаружено явной связи между П за период их эксплуатации и п ( коэф. корр. 0,155 и незначим). После исключения коротких линий коэф. корреляции для остающихся 39 линий возрос, хотя и не столь существенно (0,30). На Рис.4 приведены данные для 18 примерно одинаковых по конструции линий НО кВ, из которых видно, что зависимость а как от Т, так и от 11 выражена слабо.

Л

S3-

63

33

л

Si

¡S г

Рис.2

а №

se

% °

û

го

за

Рис. з

30

а-

00

№

ш

150

:со-

¡50

а)

2-

/У

ООО

3

Из сказанного следует, что использование б качестве характеристики гро- /I зовой деятельности числа грозовых ча- 4-сов вместо грозовых дней явных преимуществ не дает.

Избирательная грозопоражаемость ВЛ. Вопрос о ее существовании до снх пор остается ¿д спорним.Строгое доказательство ее наличия " (отсутствия) получить ■ весьма сложно.Причин здесь несколько. Если факт поражения молнией фиксируется по факту отключения ВЛ или повреждения ее изоляции, проводов, либо ' '' тросов, то возникает

вопрос о констуктивной Рис. 4

однородности линии, а

строго однородных линий не бывает. Если же факт поражения фиксируется с помощью датчиков, установленных на каждой опоре, то значительные ошибки возникают в связи с утерей части датчиков, причем в населенных районах мы порой не находили . и половины установленных датчиков. Нами рассмотрена грозопоражаемость одной из ВЛ 110 кВ Кузбассэперго за 30 лет (Рис. 5). В табл.1 сопоставлено фактическое .число поражений опор с теоретическим, которое при равной вероятности поражения любой опоры диктуется законом Пуассона. Для уровня значимости 0,05 гипотеза о равной вероятности поражения любой опоры отвергается только для 30-летнего срока наблюдений. Наличие такого ряда наблюдений является редчайшим исключением. Несколько проще решается вопрос, если в качестве - единицы избирательности рассматривать не отдельную опору, а участок ВЛ. Для рассматриваемой линии с помощью дисперсионного анализа достаточно надежно выделяются участки с повышенной грозопоражзаемостыо ( участки, ограниченные опорами 112-123, 151-171, 299-329, 287-427) и участок с пониженной поражаемостыо (опоры 220-272). Даже 10-летний срок наблюдений позволил бы выделить эти участки.

В то же время достаточно двух ударов молнии в одну опору, чтобы эксплуатационный персонал твердо уверился в особой (избирательной) ее поражаемости. Следствием этого психологического эффекта является проведение в энергосистемах в доста-

Ш

1/50

Ы'омрЫ

Рис. 5 Распределение ударов молнии вдоль ВЛ НО КВ.

Таблица 1

Срок наблюдения, лет Число ударов в одну опору Число пораженных опор

факт. расчет.

0 273 273

1 124 126

20 2 33 29

3 3 5

4 - -

0 244 214

1 104 151

30 2 60 52

3 ■ 19 12

4 6 2

точно широком масштабе совершенно ненужных и порой вредных мероприятий - уменьшения сопротивления заземления опор до единиц Ом, усиления изоляции, шунтирования деревянных опор.

Заманчиво было бы уметь априорно определять избирательно поражаемые участки. Сопоставление трассы вышеупомянутой ВЛ с геологической картой показало, что участки с повышенной поражаемосгью приурочиваются к сводовым частям антихлиналей и зонам дизъюнктивов. Однако чисто качественное сопоставление нельзя признать достаточным для выработки практических рекомендаций для проектировщиков, но и собрать необходимый для обобщения материал, как видно из приведенных результатов, почти нереально.

Влияние высоты опор (Н) и угла защиты тросов (об) на число грозовых отключении п. Для этого исследования кроме наших данных были привлечены также материалы СИГРЭ Для анализируемых линий 110-500 кВ Л меняется от -19° до 34° , Н от 19,6 до 50 м. Получена значимая статистическая зависимость между п и 11 для ВЛ 220 кВ и более (коэф. корр. 0,73-0,99). Для ВЛ 110 кВ коэф. корреляции равен 0,35 и незначим. При исследовании зависимости п от коэф. корреляции во всех случаях оказался незначимым, а его величина по модулю не превысила 0,41. Для анализа зависимости п от совокупности сразу нескольких факторов был выбран параметр <2 = Н" II50 о/. Коэффициент корреляции оказался равным 0,52 и является значимым при вероятности ошибки 0.05. Параметр 0 должен быть связан прежде всего с числом отключений от прорыва молнии на провода сквозь тросовую защиту. Поэтому можно ожидать, что связь пер станет более тесной, если исключить из рассмотрения ВЛ с поминальным напряжением 110-275 кВ. Проверка сделанного предположения

Whitehead E.R.. Electra. - 1974. - N 33. - pp. 63-89.

- Il -

дала положительные результаты. Для ВЛ 315-500 кВ коэф. корреляции значим и равен 0,71, а уравнение регрессии имеет вид: п=4,34*0-0,76.

Роль сопротивления заземления 1?3. Влияние 1?3 опор ВЛ 110-500 кВ на п нами подробно рассмотрено в . Главный результат этих исследований заключается в том, что для ВЛ напряжением 110 кВ и более п не зависит от средней величины И3, измеренного на переменном токе (коэф. корр. 0,02-0,04 и незначим). Для линий высших классов напряжения это в значительной степени может быть объяснено тем, что основная доля отключений связана с ударами молнии в провода. Что касается линий 110 к В, для которых основная доля отключений связана с разрядами молнии в опоры, то надо иметь в виду, что высокое значение связано либо с высоким удельным сопротивлением грунта, либо с малыми геометрическими размерами заземлителя, либо с тем и другим одновременно. Но эти же факторы приводят к существенному снижению К3 при протекании тока молнии за счет высокой напряженности поля в грунте. К примеру, для железобетонных одностоечных опор ВЛ 110 кВ без искусственных заземлителей, К3, которое при переменном токе составляет порядка 170 Ом, при токах молнии, вызывающих перекрытие изоляции, снижается в 2-3 раза и соответственно снижается расчетное число грозовых отключений. При очень больших сопротивлениях (сотни Ом), как показали эксперименты на аналоговой модели молнии, можно ожидать также заметного снижения амплитуды тока молнии (Рис.6). Интересно отметить, что авторы также не обнаружили явной связи-грозоупорности ВЛ с Г53, хотя и не попытались этот факт обьяс-нить.

% M

Та /в* ¡а' /а' зд'Дй

Рис. 6

Ю

Грозовые отключения ВЛ 10 кВ. Анализ показал, что удельное число отключений линии на деревянных опорах выше, чем на железобетонных. Такое противоречие объясняется тем, что на линиях с деревянными опорами имеются опоры с ослабленной изоляцией. Это приводит к тому, что такие линии отключаются не только от прямых ударов молнии, но и от индуктированных перенапряжений. Устранение ослабленных точек, в принципе, позволило бы в среднем вдвое уменьшить п для ВЛ на деревянных опорах.

* Ажермачева В.П.. Дульзон A.A.. Есипенко Р.Ф.//Сб."Заземление а районах с высоким уд. сопр. грунта". -Апатиты: АН СССР. - 1981. - с.35-40.

** Kawa J.M., Kodama N., Mlnemura S.: IEEE Trans., PAS, 87, N1, 13-21 (1967)

/О

Рис. 7

flfae.aa

Сравнение расчетного числа грозовых отключений с эксплуатационным. Расчетное число грозовых отключений в среднем в 2-2,5 раза превышает число отключений в эксплуатации, однако коэф. корреляции между ними достигает 0,6-0,9 для различных групп линий, за исключением коротких, для которых он равен 0,16 и незначим. Для примера на Рис.7 представлены данные для линий 110 кВ на металлических, железобетонных и деревянных опорах длиной более 20 км с общим объемом эксплуатации около 16 тыс. кмлет (коэф. корр. 0,62). Следует подчеркнуть, что при анализах грозовой аварийности ВЛ разного конструктивного исполнения, но расположенных в одном районе, имеет место очень хорошее качественное согласие расчетных и эксплуатационных данных. Большие отклонения в ту или иную сторону всегда были для нас поводом для более детального изучения и, как правило, находились особые причины расхождений: не отраженная в паспорте линии реконструкция, сильное экранирование линии за счет рельефа местности или других линий и др. Примечателен факт, когда но расхождению расчетного и эксплуатационного чисел отключний мм сделали вывод о том, что на линии, вероятно есть бестросовый участок. Службы грозозащиты и линий это отрицали, а на месте выяснилось, что в связи с сильной коррозиен на участке линии трос был снят и несколько лет отсутствовал.

При переходе от одного района к другому в ряде случаев существенно меняется соотношение расчетных и эксплуатационных чисел отключений. Полевые эксперименты в Кемеровской области показали, что основной причиной этого является отличие плотности разрядов молнии на землю. В связи с этим изучение пространственно-временного распределения грозовой активности имеет первостепенное значение.

2.Разработка аппаратуры и методики для инструментального исследования интенсивности грозовой деятельности и параметров молнии.

2.1. Модель возвратного разряда молнии.

Пакет требований к аппаратуре может быть сформирован на основе анализа пространственно-временных характеристик электромагнитного поля молнии. Существовавшие модели молнии нас не удовлетворяли, т.к. результаты расчетов по ним противоречили ряду экспериментальных данных о параметрах молнии и, прежде всего, о параметрах ее электромагнитного поля, накопленных исследователями к этому времени. Весьма перспективной представлялась наиболее физнчная, на наш взгляд, модель, в которой главный разряд рассматривался как переходный процесс, возбуждаемый в заряженной линии при ее замыкании на землю. Однако уровень знаний о количественных характеристиках канала молнии не позволял принять достаточно определенные значения для 1?-Ь-С элементов этой длинной линии. К примеру, определение емкости требует описания динамики коронного разряда. Но, даже временная шкала процесса возвратной короны в литературе обсуждается на уровне от наносекунд до секунд. В связи с этим, при определении параметров 1?-Ь-С приходится делать допущения, недостаточно подкрепленные результатами полевых исследований молнии. В итоге К-Ь-С модель не позволяет получить хорошего согласия между рассчитанными и наблюденными электромагнитными полями . Поэтому мы пошли по пути усовершенствования модели Юмана-Маклейна , введя на основании известных полевых экспериментальных результатов линейное уменьшение амплитуды тока с высотой. Главный разряд представляется в виде прямой вертикальной линии, перпендикулярной плоскости земли с идеальной проводимостью. Вдоль канала распространяется без искажения импульс тока, амплитуда которого уменьшается с.высотой по закону ¡(2,1) = Р(г)*и0,1-12), где Р(г) -коэффициент уменьшения амплитуды тока с высотой, зависящий только от координаты г\ ¡(0,1) - форма импульса тока на уровне земли; 12 - время, учитывающее запаздывание импульса тока по высоте канала. Скорость главного разряда принята уменьшающейся с высотой по закону у(0=у0*ехр(-^0 , где v 0 - скорость главного разряда в основании канала, а^- постоянный коэффициент. При этом 1=-1 ¡р*\п (1-г*\I \ д), а в случае ■р =0 1=гНа. Заряд лидера, нейтрализуемый возвратным разрядом, располагается вдоль канала высотой Н (в основном в коронном чехле). Через данное сечение канала на высоте г стекает к-земле только та часть заряда, которая расположена выше данного сечения. Соответственно, при неизменной форме импульса тока по высоте канала коэффициент уменьшения амплитуды тока -удет определяться отношением заряда лидера, расположенного выше сечения, к общему заряду лидера длнной И. Очевидно, что Р(г) меняется от 1 при г=0 до 0 при г=Н. При равномерном распределении заряда вдоль канала лидера Р(г) = 1-г/И.

* Следует отметить, что за последние годы большого прогресса в развитии

модели достиг Б.Н.Горин (ЭНИН). " Цтап М.А., Мс 1а1п О.К.: и. СеорИуг. Иез.. 74, 6899-6910(1969)

Форма импульса тока на уровне земли первоначально аппроксимировалась нами в виде разности двух экспонент Ц0,О=1о(ехр(-о<<О-ехр(-./30). При этом закон изменения тока во времени вдоль канала молнии имеет вид

¡(г11)=1о<1-г/Н){ехр[-сС(1-1г)Ьехр[-/(1-11)1}.

На Рис.8 показано распределение тока воззратного разряда молнии вдоль канала молнии для различных моментов времени, а на Рис.9 - формы импульса

тока на различных высотах.

Параметры принятой аппроксимации тока сложным образом связаны с общепринятыми' характеристиками тока молнии (амплитудой, крутизной переднего фронта, длиной волны), что не позволило варьировать, например, крутизну переднего фронта при неизменной амплитуде и длине волны. Кроме того, биэкспоненциальная форма импульса тока имеет выпуклый фронт, что противоречит экспериментальным данным, полученным посредством прямых измерений Бергером к Швейцарии и Эрикссоком в ЮАР. В случае выпуклого фронта его крутизна

максимальна в начальный момент времени и уменьшается до нуля в момент достижения амплитудного значения. В действительности же, в начальный момент времени крутизна минимальна и достигает максимума вблизи амплитуды тока. В свази с этим была подобрана формула, лучше отражающая экспериментальные данные. Поскольку имеются основания полагать, что амплитуда тока молнии уменьшается с высотой быстрее, чем по линейному закону, то были рассмотрены также случаи, когда заряд лидера уменьшается с высотой линейно и экспоненциально.

Следует отметить, что предложенная модель, как и все существующие мплсли, непригодна для описания начальной и конечной стадий главного разряда молнии. Очевидно, что начальная стадия главного разряда должна рассматриваться как процесс коммутации длинной заряженной линии на землю. Подробно .ног процесс по аналогии с финальной стадией длинной искры рассмотрен

Рис. 9

Б.Н.Гориным*. Без учета этого процесса всякие попытки описания и сопоставления с экспериментом фронта тока возвратного разряда молнии беспочвенны. Что касается поздних стадий главного разряда, когда фронт в облаке достигает чрезвычайно разветвленной системы каналов, по которым заряд собирается в канал лидера с отдельных гидрометеоров, то для них в литературе отсутствуют даже попытки математического описания процесса.

2.2. Электромагнитное поле молнии.

Расчеты электромагнитных полей (напряженности электростатической, индукционной и радиационной составляющих электрического поля, машитоста-тической и радиационной составляющих магнитного поля, результирующих электрического и магнитного полей) проводились на основе общих уравнений электродинамики с использованием вышеприведенных зависимостей для тока и скорости возвратного разряда молнии.

^¡и^ - г-']■ >

С' ¿""'-Л** И*''

сг

о

№ Ы, л -1

о

где 1[=(1-К/с)-12, 11(0=11; при Ь,<Н и Ь(1)=Н при И^Н, а Ь,

вычисляется из равенства

г-\Лч2 + 02/с'+ =0.

* Горин Б.Н. Электричество.- 1936. - N4. - с.10-16.

В/п

40

за

В целях выявления влияния различных параметров на импульс электромагнитного излучения расчеты производились при широкой вариации параметров (в пределах физически допустимых).

Наряду с расчетом напряженно-стей составляющих электромапштно-.го поля выполнены также расчеты их спектральных характеристик на разных расстояниях от разряда. В качестве примера на Рис. 10-11 приведены временные зависимости составляющих электрического поля, а также их спектральные плотности для расстояния 10 км от разряда молнии с параметрами ¡о=30 кА,.

1-х'

¿,О № Рис. 10

<60

Р «>2*1 В5 у0=4,ед' га./с, . ]Т =И„£*1О4 с"1.

Ш-. особенностей поведения от- ' дельных составляющих поля интересно отметить следующие. При малых расстояниях до разряда молнии модуль спектральной плотности электростатической составляющей на всех частотах превосходит модули спектральных плотностей индукционной и радиационной составляющих. Это означает, что при расстояниях до Л-6 км возможна регистрация, в основном, электростатического компонента независимо от диапазона регистрируемых частот. При расстояниях до грозового разряда, превышающих 10 км, возможна раздельная регистрация электростатической и радиационной составляющих электрического поля. При этом электростатический компонент следует регистрировать в области очень низких частот (от нуля до не-скпльких сотен Гц), а радиационной - в области более высоких частот (от 4 к 1 и до нескольких сотен кГц). Т.к. электростатическая и радиационная состав-лииииие по разному изменяются в зависимости от расстояния до разряда, то раздельна« регистрация этих компонентов может дать информацию о расстоянии

\

г- ч К

\ V \ Ч гч

\ \

\ \ \ \

«Й

Рис. 11

МО

¿.¿Гц

до молнии,что использовано нами при разработке устройства для определения этого расстояния.

Расчеты показали также, что в результате взамодействия трех компонентов электрического поля н их различного изменения с расстоянием модуль спектральной плотности суммарного электрического поля на расстояниях до разряда, превышающих !0 км, имеет минимум, величина и положение которого на оси частот зависит от расстояния. Ранее этот факт был обнаружен экспериментально .

Из результатов расчетов также следует* что нельзя приводить (как это нередко ранее делалось) спектральные плотности электрического и магнитного поля, полученные на определенном расстоянии от разряда, к некоторому фиксированному расстоянию (обычно 10 или 100 хм). При таком приведении возникают значительные ошибхи, особенно в области низких частот (до несхолких кГц), величина которых возрастает при уменьшении расстояния до разряда.

В целом результаты расчетов хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными для соответствующих расстояний до разряда. В частности, электрические ноля на расстоянии 10 км дают характерный минимум, а на расстоянии 100 км электрические и магнитные поля имеют биполярную форму.

2.3. Разработка приборов и методик.

На сегодняшний день в мире известны десятки модификаций счетчиков молний, первым из которых был проработавший около' 10 лет грозоотметчик Попова. Целый ряд приборов' и методик разработай в ГГО им А.И.Воейкова, Э11ИН, Иркутском госуниверситете, КирНИОЭ, АзНИИЭ. В НИИ ВН под руководством автора в течение 20 лет разрабатывались и изготавливались различные модификации счетчиков разрядов мслнин и решались методические вопросы, связанные с их применением.

С целью унификации инструментального определения плотности разрядов молнии на землю СИГРЭ рекомендует к применению два вида счетчика, фильтр одного из них имеет максимум амплитудно-частотной характеристики в области 10 кГц (СИГРЗ 10 кГц), а другого в области 500 Гц (СИГРЭ 500 Гц).

Вообще говоря, безразлично, какой счетчик применяется для определения плотности разрядов молнии на землю. Важно, чтобы были достаточно надежно определены эффективный радиус действия для наземных разрядов R и коэффициент селекции у , который определяет долю наземных разрядов в общем числе регистрации счетчика. Принципиальна также проблема помехоустойчивости прибора, т.к. энергия полезных сигналов может быть на несколько порядков меньше энергии помех из сети питания и окружающего прс ,транстна.

Наиболее достоверно эффективный радиус действия счетчика определяется но экспериментально полученной рабочей характеристике. При этом необходимы многопунктные синхронные наблюдения за типом разрядов, расстоянием до них от каждого из пунктов и фактами регистрации или нерегистрации этих разрядов счетчиками, причем для обеспечения статистической надежности

Dermis A.S., Pierce Е.Т.: Radio Science, GSD, 777-794 (1964).

наблюдения должны проводиться в течение длительного времени. Поскольку рабочая характеристика зависит от параметров молнии, которые могут меняться при переходе от одного региона к другому, то проведение таких трудоемких наблюдений требуется в каждом новом регионе.

Нами предложена методика расчета характеристик счетчика СИГРЭ на основе исследований, выполненных в ЮАР с 1971 по 1981 гг. с использованием пяти оснащенных счетчиками автоматизированных станций, имеющих привязку к единому времени. Для идентификации типа разряда и определения его удаленности на станциях были установлены охватывающие все небо пеленгующие фотокамеры, а также телевизионные камеры с записью на видеомагнитофон. Эти обширные исследования позволили получить для счетчица СИГРЭ 10 кГц Я = 19,9 км и у = 0,93, а для счетчика СИГРЭ 500 Гц - И = 36,8 км и у = 0,80. Приведенные характеристики счетчиков можно считать вполне надежными, причем они неплохо согласуются с полученными в других странах на той же широте.

Полагая, что вариация амплитуд атмосфериков при фиксированном расстоянии х до разрядов определяется в основном изменением амплитуд токов молнии б'[1пЕ]= (? [1п1], при одинаковом для всех разрядов (при данном х) коэффициенте (2(х) между I и Е М[1пЕ]=М[1п1]-1пО(х) и, полагая на основе известных литературных данных распределение амплитуд атмосфериков логарифмически нормальным, можем, используя полученную нами широтную зависимость амплитуд токов молнии (см.3.4), определить радиусы действия счетичика СИГРЭ 10 кГц

К=1,69*1,0,594*ехрС!?2 [1п1]/1,б83)

и счетчика СИГРЭ 500 Гц .

Л=7,95*1,0'386*ехр(£2 [1п1]/2,592), •

где 11 - медианное значение амплитуды тока молнии.

Для случая, когда б" [1п1] для данной местности неизвестно, можно использовать определенное нами на основе результатов измерений в различных странах среднее взвешенное значение, равное 0,86 (7дБ). Оно хорошо согласуется с диапазоном значений 7-8 дБ, который считается устойчивой характеристикой распределения амплитуд атмосфериков.

При определении широтного хода коэффициента селекции предполагалось, что по мере удаления от экватора амплитуды тока молнии снижаются как для наземных, так и для облачных разрядов и, вследствие этого отношение радиусов действия для облачных и наземных разрядов остается более или менее постоянным. С учетом этого допущения можно получитьу =1/(1+0,029г), где г -отношение плотности облачных и наземных разрядов. Используя приведенные выражения для Я и , а также полученное нами на основе обработки экспериментальных данных исследователей разных стран уравнение регрессии г=5,13-0,04 у , где у - географическая широта, мы получили широтную

* Апбеггоп Я.В., ет зН: 1ЕЕ Ргос., у.131, Р1.А. N2,118-124 (1984).

нн~г

/

jy /

2 t —

/о

30

SO

If,

зависимость коэффициента пересчета показаний счетчиков СИГРЭ в плотность разрядов молнии в землю (Рис.12). Из рисунка видно, что в умеренных широтах интерпретация показаний счетчика может существенно отличаться от принятой для тропических широт. Например, тысяче регистрации счетчика СИГРЭ 10 кГц в районе Томска (57 с.ш.) соответствует 1,92 разр./км2, а для такого асе счетчика в районе Ханоя (21 с.ш.) -0,78 разр./км2.

Необходимость введения целого ряда допущений при расчете характеристик приборов для регистрации разрядов молнии всегда вызывает у исследователей сомнения в объективности полученных результатов. Б этой связи важны сравнительные испытания приборов, разработанных в разных лабораториях,

а также их комплексные испытания с использованием различных аппаратурных средств, позволяющих эффективно выявлять и устранять причины несоответствий и противоречий в результатах измерений. Наиболее полный комплекс сравнительных испытаний был проведен с модификацией счетчика, рекомендованного нами к широкому применению (СМ-б). В СССР полевые испытания счетчика СМ-6 проводились в 1985-86 гг. на полевой станции НИИ ВН "Киреевск", в 1986-87 гг. на полевой базе ГГО "Тургош" и в 19S7 г. на полевой станции КирНИОЭ "Пржевальск". В СРВ полевые испытания проводились на станции "Зашанг". Отдельные эксперименты проводились также на полигонах Высокогорного геофизического института (ВГИ). На базе "Тургош" счетчик СМ-б работал совместно с комплексом ГГО, который включал в себя наряду с прочими радиотехническими средствами радиолокаторы сантиметрового и метрового диапазона волн и грозопеленгатор - дальномер "Очаг-2П". В результате испытаний была проверена и подтверждена расчетная рабочая характеристика счетчика, а также выполнены исследования помехозащшценнс сти и стабильности порога срабатывания. Использован целый ряд известных путей борьбы с помехами, а также предложены некоторые оригинальные решения.

Из других разработанных в НИИ ВН приборов для регистрации разрядов молнии следует упомянуть счетчик для автоматизации выявления грозовых отключений ВЛ, а тахже ряд многоканальных устройств, с помощью которых . были проведены исследования соотношения наземных и облачных разрядов, зависимости интенсивности потока разрядов от синоптической ситуации, пол-

Рис. 12

Широтная зависимость коэффициента пересчета показаний счетчиков СИГРЭ 10кГц(1) и СИГРЭ 500 Гц(2) в плотность разрядов молнии в землю.

учены вероятностные кривые числа компонентов разряда молнии и временных интервалов между ними в районе г.Томска.

2.4. Измерение амплитуд токов молнии.

Амплитуда тока молнии 1м является одним из важнейших параметров, используемых в расчетах молниезащиты. Экспериментальные данные, полученные в различных регионах, а также физические соображения дают основания полагать, что статистическое распределение !м существенно изменяется от региона к региону. Изменения обычно связывают с его зависимостью от географической широты и высоты местности над уровнем моря, а также от типа грозы. Следует также отметить, что имеющиеся экспериментальные данные вследствие недостаточного объема выборок не позволяют надежно определять 1М в области их больших значений, представляющих большой интерес с точки зрения молниезащиты. Для этого требуются тысячи-десятки тысяч измерений. К примеру, для оценки вероятности тока молнии с амплитудой 150 кА и более с точностью ±20% при надежности 0,95, даже при нулевой ошибке измерений, требуется 33 тысячи измерений.Таким образом, задача измерения амплитуды токов молнии остается актуальной, особенно в тех районах, где эти измерения ранее не производились. При этом на первый план выдвигаются требования высокой производительности, простоты и дешевизны метода даже в ущерб точности измерений. С этой .точки зрения прямые методы, хотя они и дают наиболее высокую точность, отпадают.

Наиболее распространенным косвенным методом измерения амплитуды тока молнии является метод магнктозаписи. Нами выполнены детальные исследования погрешностей измерения токов молнии с помощью ферромагнитных регистраторов заводского изготовления. Б результате установлено, что даисе на опорах простой конструкции погрешность измерения (при доверительной вероятности 0,95) амплитуды тока молнии методом магшггозаписи находится в пределах ±90%.

Дистанционные методы основаны на определении параметров источника электрического и магнитного поля молнии по измеренным характеристикам этих полей. Для рассмотренной выше модели параметрами являются 10, оL, , fi ,VD, f и L. Для определения амплитуды тока молнии необходимо иметь, как минимум, шесть одновременных независимых измерений напряженности поля (при условии, чТо расстояние до разряда определяется каким-либо иным методом). Выполнение одновременных измерений в нескольких точках представляет собой сложную задачу. Кроме того, получение амплитуды тока молнии требует больших затрат машинного времени, что существенно при обработке тысяч измерений.

Анализ погрешностей определения амплитуды тока молнии часто применяющимся методом рамочной антенны с использованием простейших моделей молнии показал, что при некоторых сочетаниях вышеуказанных параметров результирующая погрешность измерения может превышать 100% уже при расстояниях до разряда в сотни метров.

Нориндер X. Исследования грозовых разрядов. М.-Л.: ГЭИ,- 1956.

/00

о

•00

а/

Нам:: предложено компромиссное реше- : ние, позволяющее получить простые расчетные выражения, связывающие амплитуду тока молнии с измеренным максимальным зна- , чением напряженности ее электрического или магнитного поля только через дальность до разряда. При этом результирующая погрешность оказывается пе выше, чем при использовании метода магнатозаписк. Для этого в формулы, полученные в для модели главного разряда в виде линии без затухания, введены поправочные коэффициенты К! и КЗ, определяемые из условия симметричности (относительно нуля) границ результирующей погрешности, рассчитанных по эталонной модели, при широкой вариации (в физически допустимых пределах) параметров разряда молнии. В качестве эталонной модели молнии принята описанная выше модель. В результате, как видно из Рис.13 погрешность измерения амплитуды тока молнии в этом случае не выходит за пределы ±85% при любых рассмотренных расстояниях до разряда, т.е. по крайней мере не превышает погрешности метода магиитозаписи. Аппроксимировав зависимости коэффициентов К1 и К2 от расстояния до разряда экспоненциальными функциями, получим следующие расчетные выражения для определения тока молпяк:

/

Рис. 13

¡0 ¿,г>и

1п,= |27,0-26,5*ехр(-0,07<Л)]*с!еЕш*1(Г2; 1т=[88,6-69,7*ехр(-0,15(1)1 *с$*К„.

Смысл этих выражений можно пояснить следующим образом. Измеренным значениям Ет или Нт и с) соответствует множество значений амплитуды тока, причем границы множества могут быть определены на основе выбранной эталонной модели главного разряда. При этом в качестве применяется среднее арифметическое этих границ. Такое решение является наилучшим с точки зрения критериев оптимальности выбора решений в условиях недостатка исходной информации.

С помощью описанной методики в 1930-82 гт. на полигоне НИИ ВН "Киреевск" получено 643 значения амплитуд токоз молнии и 24 грозах.Обработка показала, что распределение 1гп удовлетворительно описывается логарифмически нормальным законом с К [1§1т]=1,2 и 6 [Е^Хпп53 (медианное знеачение тока молнии - около 16 кА, а среднее - около 30 кА).

Поскольку при решении поставленных задач информация о каждой отдельно взятой молнии нам не требовалась, возникла идея обойтись без единичных измерений амплитуды тока молнии и попытаться сразу получить параметры распределения. Если соотношение между 1т н Ет задать в виде 1т = Ет(0х), то можно получить

игпап М„ ее а11, J. СеорЬуз. Р?ез.: у.80, N3, 373-375 (1975).

MIInj]-Q(M[x])*M[Ein],

6llglm1- UA/TJS) «VlgM(Im)-MHElra]'.

При этом M[Eml и M[lgEra] могут быть определены из распределения амплитуд атмосфериков, a M[lgQ(x)J и М[х] можно получить либо путем использования совместно с установкой для измерения распределения амплитуд атмосфериков далъно.черных устройств, либо путем регистрации разрядов с территории заданной формы (внутри круга заданного радиуса, за пределами этого круга, либо в пределах кольца).

Для измерения параметров распределения амплитуд токов молнии были разработаны и изготовлены установки с использованием стандартного многоканального амплитудного анализатора АИ-256-б. Одна из них используется на полигоне НИИ ВН "Киреевск" , одна поставлена по контракту в СРВ и одна передана ВГИ. Эти установхи позволили в значительной мере автоматизировать процесс получения параметров закона распределения амплитуд токов молнии.

3. Пространственно-временные вой деятельности.

характеристики грозо-

га

Годы Рис. 14а

3.1. Характеристика исходных данных.

В качестве материала для исследования использованы многолетние данные метеослужбы, полученные примерно на 300 метеостанциях Зап.Снбира и Казахстана, аэросиноптические материалы, фотографии облачности с метеорологических спутников, индексы солнечной активности, а также результаты экспериментальной регистрации с помощью вышеупомянутой аппаратуры. Большое внимание было уделено проверке качества исходных данных и методике работы с метеорологическими материалами. Детально рассмотрен вопрос о выборе необходимой и рациональной длины ряда наблюдений. В качестве приемлемого компромисса нами принято использование 20-30-летних рядов. За этот период достигается относительная стабилизация Т и П. Здесь уместно отметить, что эти характеристика в определенной степени условны, т.к. их значения меняются в зависимости от периода усред- П нения. На Рис.14а приведено П на ВО метеостанции Колпашево для периодов от 1 до 50 лет, а на Рис 146 П для той же станции при постоянном 20-летнем объеме выборки и смещении ее начала от 1936 до 1966 гг. Изменения, возможно, объясняются вековым циклом грозовой активности (если он действительно существует) или трендом.

Нередко приходится сталкиваться, особенно среди энергетиков, с мнением, что результаты наблюдений за грозовой деятельностью на метеостанциях субъективны и не могут быть основой для расчетов. С этим мнением согласиться нельзя. Действительно, визуально-слуховой метод регистрации грозовой деятельности воспринимается анахронизмом. Однако эти многолетние наблюдения проводятся большим числом в подавляю-

Рпс. 14б

Годы : 0 - 1936-1955,1 - 1942-1961, ...5- 1966-1985.'

щем сбоем большинстве добросовестных людей под постоянным методичесхим контролем по строго оговоренным правилам. Хотя единичное наблюдение имеет субъективный аспект, результаты массовых наблюдений дают объективную временную и пространственную картину.

3.2. Временно;") ход грозами деятельности.

Суточный, годовой и многолетний ход грозовой деятельности анализировался вами на примере ряда наиболее представительных метеостанций каждого региона. В связи с колоссальным объемом обрабатываемой метеорологической

£0

/а

о

О ¡г 5 4 е £ 7 в ЙглУ Рис. 15

информации неизбежна необходимость ее сжатия, и, чаще всего, исследователи оперируют с параметрами законов распределения. Однако, учитывать особенности временного хода полезно. Для ряда метеостанций нами обнаружена значительная разница в распределении продолжительности гроз в годы со слабой и сильной грозовой активностью (Рнс.15), что весьма существенно сказывается на числе разрядов молнии (Рис.16). Спектральный анализ временного хода числа дней с грозой позволил выделить гармоники, соответствующие трем, пяти к тринадцати годам. Наибольшую надежность (87%) имеет хвазипячи-летний (4-6 лет) цикл. Анализ повторяемости числа дней с грозой на метеостанциях Томск, Барнаул, Тайга с 1905 г. позволил сделать вывод о наличии цикла более высокого ранга, возможно векового. Установлена связь циклов с солнечной активностью. Исследование квазипериодических колебаний в грозовой деятельности и их связи с особенностями атмосферной циркуляции и солнечной активностью подтвердило возможность использования 4-6-летних циклов в сверхдолгосрочном прогнозе экстремальных грозовых лет.

и

/03

I ---■ ...........................

№5 Цаш 5

Рис. 16.

3.3. Некоторые особенности фронтальных и внутримассовых гроз. Поскольку массовые измерения плотности разрядов и параметров молнии

в разных регионах стоили бы очень дорого, то перспективным путем их определения представляется поиск их зависимостей от региональных особенности процесса грозообразования. Характеристики грозовой деятельности и параметры молнии могут различаться для различных типов гроз и, следовательно, могут зависеть от их соотношения в каждом конкретном регионе.

Сравнение распределений lglm, отношения числа облачных и наземный разрядов, среднего за грозу числа компонентой в разряде, а также логарифкгз> интерпалов времени меясду ними, соответствующих фронтальным и внутримас^ совым грозам показало, что фронтальные грозы, по-видимому, характеризуются большим количеством отдельных заряженных областей в облаке и меньшим расстоянием между ними по сравнению с внутримзссовыми. Это приводит г. тому, что при фронтальных грозах более вероятны облачные разряды, чем наземные, наблюдается большее число компонентов (каждый из которых связан с отдельной заряженной областью) и меньшие временные интервалы между ними (за счет их большей близости). Однако заряды, переносимые первыми компонентами разрядов молнии, по-видимому, примерно одинаковы, поскольку соответствующие амплитуды токов, которые хорошо коррелируют с этими зарядами, отличаются несущественно.

3.4. Зависимость амплитуд токоз молнии от географической широты и высоты над уровнем моря.

Для исследования широтной зависимости амплитуды тока молнии нами использована 21 выборка объемом от 140 до 14 тысяч регистрации, полученных разными авторами. Коэффициент корреляции оказался равным -0,64. Уравнение регрессии имеет вид M[lgIB1] = l,74--7,18*"1 0г3 tf. Поле, корреляции и соответствующая- лини» psrpecciiic (а) показаны на ; Ркс. 1.7а.

М'окно предположить, что одной

ИЗ' причин- наблюдаемого снижения амплитуды тока молшш- по мере удаления от экватора является изменение-бксоги: центра зоны отрицательных зарядов грозовых- облаков. На Рис.17б представлены широтные зависимости! средней' высоты верхней границы облаков 2ГВ, изотер№0рС (2Э) и-15°С (Z_15). Согласно существующим-представлениям между изотермами 0°С и -15°С расположена зона отрицательных зарядов облака. Если высоту центра зонм отрицательных зарядов 2определить как среднез ариф-сметическое границ этой зоны то, как видно из Рис.176, с увеличением географической широты (начиная примерно с 15°с.ш.) 2Ц будет уменьшаться,

H^Je..^ i

i^'J/tU*

ю

£0 Сt*

Рис. 17а

SO ifi

что согласуется с имеющимися экспериментальными данными. От 0° до 25°с.ш. высота центра зоны отрицательных зарядов (хах и мощность вертикалльного развития) облаков меняется очень незначительно, после чего начинает заметно уменышааться. Исключив из рассмотрения данные, полученные в тропичесхих широтах, мы получила существенно более ярко выраженную зависимость М[123т1 от широты. Коэффициент корреляции возрос до -0,74 и оказался весьма значимым, а уравнение регрессии имеет вид

10-14,6М0*3у . Соответствующая линия регрессии (б) показана на Рис. 17а. Таким образом, для учета широтной зависимости амплитуды тока молнии при у > 35°, на наш взгляд, следует пользоваться последним выражением, а в тропических широтах МПе1а] можно считать не зависящим от широты.

Для оценки высотной зависимости амплитуды тока молнии использованы литературные данные и результаты наших измерений в Киреевске. Поле

, корреляции показано на Рис.18. Коэф. корреляции оказался незначимым. Ограничившись данными, полученными в достаточно узком диапазона широт (40° - 46°), можно обнаружить некоторую тенденцию к снижению М[1в1га] по мере увеличения высоты местности (коэф.

" 0 ш ^_" корр. -0,18). Полученные ре-

■ зультаты, свидетельствуют о Рис. 18 том, что высотная зависи-

мость М [ 1Е1 ] существенно меньше, чем рекомендуемая Руководящими указаниями * (приведена на Рис.18). • Многолетние измерения АзНИИЭ также показали, что в диапазоне высот от 350 до 750 м М Пе1ш] практически не меняется.

Установленный В.Б.Бургсдорфом факт снижения в два раза амплитуды тока молнии в горах нет оснований связывать тольхо с увеличением высоты местности над уровнем моря. Не исключено, что это в значительно большей степени определяется другими факторами, например, высоким удельным сопротивлением грунта (см. Рис.б) или особенностями горного рельефа, о наиболее вероятной причиной снижения амплитуд тока молнии в горах является увеличение дат восходящих молний в горной местности со сравнению с равнинной.

В соответствии с вышеприведенными результатами нами предложено откорректировать рекомендованное проектом Руководящих указаний распределение амплитуд токов молнии, принимая для равнинной местности

1е10=2,06-14,б*10"3У и для горной местности

^1ов1,7б-14,6*10*3у . На Рис.19 представлены распределения токов молнии для у = 40°, 50° и 60° (кривые 1,2,3 соответственно).

* Руководящие указания по защите от внутренних и грозовых перенапряжений сетей 3-750 кВ (проект)///!.:Труды НИИ ПТ. - 1975. - вып.21-22. -283 с.

3.5. Пространственное \ деятельности.

гхпределсикг шгггисшшасгк гроговои

При построении карт Т и П встает вопрос об определении этих характеристик на "неосвещенных" территориях. При этом интересно отметить, что карты Т на территории Зап.Сибири, построенные разными авторами по данным метеостанций даже за одни и те же годы, существенно различаются по конфигурации изолиний, что сзззаяо с субъективностью их проведения при редкой сети метеостанций.

Р.'А

11 £0 ИЗ ИЗ Зи,еЯ Рис. 19

Махро-, мезо- и микроклиматическая неоднородность прострднстсекиого распределения грозовой деятельности. В НИИ ВН в течение ряда лет строятся карты грозовой деятельности по данным метеостанций, сети счетчиков молнкй, а также по грозовой аварийности ВЛ всех классов напряжения. Даже на территориях' с весьма однородным рельефом четко выявляется очаговость грозоЕш"! деятельности. Гкпоте;а о се случайносгл (по дням, часам и разрядам ка землю) неизменно отвергается для всех ксследоЕгдных нами территорий. К примеру, попарное сравнение показало, что только в 23% из 406 пар метеостанций Южного Казахстана разница между распределениями 'Г является случайной. Таким образом, как на территориях со сложзкм рельефо?г (Южкыц Казахстан), так и на равнинных территориях (Томская область) мезоклккатн-ческая неоднородность Т я II реально существует. Из этого, между прочим, следует вывод о том, что простое интерполирование количественных характеристик грозовой активности на метеостанциях на территории между ними неправомочно.

Поиск причин неоднородности имеет смысл как с точки зрения более обоснованного построения карт грозовой деятельности, так я из общих природоведческих соображений, так как нахождение 'их позволило бы углубить понимание физики грозовых явлений. Влияние рельефа, водных прострзнстз, характера растительности на грозовую деятельность широко обсужается з литературе, хотя в большинстве случаев на чисто качественном, оппсателыюм уровне. Не отрицая большого вклада орографических возмущений з создание неоднородности грозовой деятельности, в особенности, в горных условиях, обратим внимание на наличие очаговости а в районах с весьма спокойным рельефом.

Необходимым условием возникновения грозы ¡шляется развитие мощной кучево-дождевой облачности. Однако это условие не является достаточным. Известно, что такие облака могут существовать часами, не генерируя разрядов и имея умеренные электрические поля. Для превращения таких облаков в грозовые требуется включение интенсивных процессов электризации. Поэтому при рассмотрении причин очаговости грозовой деятельности надо рассматривать как факторы, способствующие образованию и развитию кучево-дождевых облаков, так и факторы, которые могут способствовать зарядке грозового облака. Перефразируя это в терминах энергетики, т.е. рассматривая-облако как элект-

ротепловой генератор, следует учитывать как факторы, обеспечивающие набор термодинамической мощности этого генератора, так и факторы, приводящие к "включению" его возбуждения.

Основные факторы, влияющие на пространственное распределение грозовой деятельности. Для выявления причин неоднородности грозовой деятельности в пространстве нами проведен анализ влияния на грозовую активность следующих факторов:

-особенности атмосферной циркуляции над исследуемым районом,

-географического положения района,

-орографических характеристик района,

-термогигрометрических характеристик атмосферы,

-свойств подстилающей поверхности,

-аномалий геофизических полей,

-геоэлектричсской неоднородности грунта.

Наличие взаимосвязи между грозовой активностью и вышеуказанными факторами и ее степень оценивалась с помощью коэффициентов корреляции. Вид зависимости и возможность оценки значений характеристик грозовой активности по значениям факторов определялись с помощью регрессионного анализа.

При выборе факторов следует учитывать ряд моментов. Во-первых, желательно, чтобы прослеживалась физическая связь между вероятностью возникновения и развития грозы и конкретным фактором, хотя не исключается использование факторов, для которых прямая связь отсутствует. В последнем случае на основании математической модели не следует делать слишком широких обобщений. К примеру, из обнаруженной нами корреляции между грозовой активностью и плотностью населения в Казахстане не следует вывод о влиянии биомассы на грозовую деятельность. Просто природные условия, благоприятные для развития грозовой деятельности (тепло, вода), благоприятны и для хозяйственной деятельности. Во-вторых, численные многолетние значения фактора должны быть доступны, причем желательно, чтобы они были известны не только для мест расположения метеостанций, но и для территорий между ними, либо должны быть известны соответствующие пространственные закономерности.

Особенности атмосферной циркуляции. Попытка использовать численные значения индексов циркуляции при моделировании грозовой деятельности положительных результатов не дала. В дальнейшем нами использовались лишь соотношения ведущих воздушных потоков в дни с грозой, которые над территориями Томской области и Казахстана составляют, соответственно: юго-западные - 56 и 35%, западные 21 и 34%, северо-западные 23 и 30%.

Географическое положение района. По данным 28 метеостанций Западной Сибири и Казахстана и 14 станций СРВ получены макромасштабные зависимости Т и П от долготы (1} и широты (у) в виде уравнений линейной регрессии:

Т-1,1 *(Ь-(/ )-4,6 и П=3,"7(1-2,1\) )-98. Множественные коэффициенты корреляции составляют 0,85 и 0,94. В мезомасштабе роль широты и долготы (как и ожидалось) меньше, чем в макромасштабе, хотя учет этих факторов все равно необходим.

Орографические характеристики. В качестве характеристик орографии нами приняты высота местности над уровнем моря (Ь), а также условные высоты превышений перед и за (¡12) станцией, вычисленные с учетом доли каждого из воздушных потоков. Корреляционные зависимости проанализированы для ряда существенно отличающихся по физико-географическому расположению территорий: Томской и Кемеровской областей, Центрального и Южного Казахстана и СРВ. Влияние упомянутых орографических параметров на грозовую деятельность неоднозначно, хотя в большинстве случаев существенно.

Термогигрометрическне характеристики атмосферы. При исследовании влияния на грозовую активность температуры воздуха и упругости водяного пара получено, что при доверительной вероятности 95% значимы коэффициенты корреляции только для территории Казахстана. Территориальная неоднородность грозовой активности на отдельных территориях может до 30% и более объясняться вариациями по территории термогигрометрических характеристик.

Свойства подстилающей поверхности. Поскольку на формирование климата над то й или иной территорией решающее значение оказывает радиационный баланс подстилающей поверхности, то нами рассмотрено влияние на грозовую активность температуры поверхности почвы, испарения с ее поверхности, характеристик увлажненности почв, альбедо подстилающей поверхности. В результате получено, что коэффициенты корреляции между характеристиками грозовой активности и температурой поверхности почзы, а также суммарным испарением с поверхности почвы для Центрального Казахстана намного выше, чем для Томской области. Вариации Т на территории Джезказганской и Томской областей можно объяснить влиянием температуры почв на 45 и 11%, влиянием суммарного испарения с поверхности почвы - на 36 и 19%, соответственно. В то же время все характеристики увлажненности почв для территории Томской области имеют значимые коэффициенты корреляции со значениями Т, и территориальные изменения любой из них могут быть использованы при построении модели интенсивности грозовой деятельности.

Для учета влияния альбедо в связи с тем,что в грозовой период территория Джезказганской области представляет собой щебенисто-каменнстое плато с разнеженным растительным покровом, а территория Томской области сплошь покрыта растительностью, оказалось целесообразным в-первом случае использование почвенной карты, а во втором - карты растительного покрова.

Аномалии магнитного и гравитационного поля. Коэффициенты корреляции характеристик грозовой активности со значениями изостатаческих аномалий и аномалий магнитного поля для территории Джезказганской области высоки и значимы с доверительной вероятностью более 95%. Для Томской области они несколько меньше, гричем с изостатическими аномалиями значимы коэффициенты корреляции только продолжительности гроз.

Аномалии радиоактивного поля земли. В связи с недоступностью соответствующих карт содержание радона в приземном слое воздуха нами определялось расчетным путем. Для этого по геологическим картам определялись площади, запятые разными типами пород и с учетом среднего содержания радиоактивных элементов в них определялось количество образующегося радона. Далее на

основании коэффициентов эманирования и диффузии определялось среднее содержание радона в приземном слое воздуха. Несмотря на сглаживание разницы в активности, эманировании и диффузии, связанное с усреднением по площади, отличие в содержании радона в воздухе для различных районов получилось весьма значительным ( до 30 раз ). Разница в концентрации радона в подпочвенном воздухе от 3 до 90 эман дает на высоте 1000 м активность от 0,7*10"16 до 2,2*10"'^ Ки/см3. При этом интенсивность ионизации изменяется примерно от 1,5 до 45 пар ионов в 1 см3 в секунду. Ионизация в таких пределах сама по себе неспособна генерировать заряды в количестве, сравнимом с зарядами грозового облака, однако, если рассматривать облако как систему с сильной положительной обратной связью, то такие скачки ионизации могут оказаться существенными.

Районам с повышенной радиоактивностью в основном соответствуют повышенные значения Т и П, а также повышенная грозовая аварийность распределительных сетей. Уверенные цифровые оценки получить не удалось в связи с высокой трудоемкостью работы, весьма ограниченными финансовыми и техническим)! возможностями и, соответственно, малым объемом выборок. В качестве экспериментального подтверждения нашей гипотезы о возможном влиянии радиоактивности земли на пространственное распределение грозовой деятельности можно рассматривать результаты исследований в Швеции вдоль радиоактивного следа Чернобыльской аварии, где обнаружена и статистически надежно подтверждена увеличенная плотность разрядов молний.

Гсоэлектрическая неоднородность грунта. Наряду с зонами повышенной радиоактивности аналогичную роль "системы возбуждения" грозового генератора могут играть геоэлектрические неоднородности. Нами сделана попытка с помощью предельно упрощенной расчетной модели аналитически исследовать взаимосвязь неоднородности грунта с усилением поля вблизи облака для слоистого и секториального распределения неоднородных областей грунта .

(Рис.20). Для примера на Рис.21 представлено изменение напряженности поля для точки А, лежащей на поверхности облака, а также у земли для частного случая II = 1,5 км, Ъ-аЮ,1 км. За Е0 принята напряженность поля в тех же точках и для такого же заряда (тока) при идеально проводящей поверхности земли. Результаты расчетов указывают на принципиальную возможность заметного усиления напряженности поля на границе облака - до 1,3 раза при слоистой неоднородности грунта и более, чем на порядок, при секториальной неоднородности. Увеличение напряженности поля

Рис. 20

* Israelsson S„ et all: Proc. Int. Conf. Atm. Electricity, Uppsala, 1988, pp.416-419.

<1

0

О,Л 0,6

¡1,0 3,3

¿,а (0

и и

г / 1

и \ 1\

N

>к й % -й 4 т

в кучевом облаке от ■ величины порядка 103 В/м, еще не ц обеспечивающей достаточно быстрого коагуляционного роста гидрометеоров и эффективного функционирования производительных механизмов электризации, до 104 В/м может привести к существенному ускорению "созревания" грозового облака и, соответственно, к включению автоколебательного процесса заряда-разряда гро^

зовой ячейки. Сопоставляя геологические карты с данными о грозовой активности мы обнаружили, что, чем сложнее геологическое строение, тем больше отмечается число дней с грозой. К сожалению, сопоставление выполнено только на качественном уровне, т.к. мы не сумели подобрать соответствующих цифровых критериев. По этой же причине указанный фактор не удалось включить в уравнение множественной регресиц.

Статистические модели пространственного распределения грозовой деятельности.

Результаты исследования влияния перечисленных выше факторов позволяют утверждать, что практически все рассмотренные характеристики системы атмосфера-литосфера оказывают влияние на пространственное распределение ип. енсивности грозовой деятельности, хотя степень влияния отдельных факторов для различных территорий далеко не одинакова. Совокупное воздействие на грозовую активность всех доступных для рассмотрения факторов и степень влияния каждого из них можно оценить, построив уравнения множественной регрессии. Для построения использовался шаговый регрессионный метод.

В результате регрессионного анализа получены следующие статистические модели 1-го порядка для Томской области:

Рис. 21

Изменение напряженности поля в случае слоистой (слева) и сехториальной неоднородности грунта: 1-у облака, 2-у земли..

Т=0,574+0,5921-0,252а+0,087Ь2; ТТ-0,892+0,831 ¡-0,908а+0,184Н2;

и для Джезказганской области:

Т-12,6+8,29у +0,56^l2+0,s3c+0,29g+3,161р5-3,42(р7+3,8б1р8, П=-18,3+1 1,8^-1,01 Ь+М3112+0,4(^+0,085т+6,62(р5

где:

! - среднегодовое испарение с поверхности почв; а - альбедо подстилающей поверхности;

I], М и - высота над уровнем моря и условные высоты превышений перед и за рассматриваемой точкой;

Лига - величина аномалии силы тяжести и магнитной аномалии;

!р>и - среднемноголетние значения температуры поверхности почвы по

месяцам грозового сезона.

Приведенные регрессионные модели физичны, однако не полностью соответствуют принятым критериям оценки моделей (низки коэффициенты детерминации - 44%,59%,75%, и 69%, для четырех уравнений, соответственно; часть единичных нормализованных остатков регрессии превышает критические значения).

Для улучшения моделей в уравнения были включены все возможные члены второго порядка без исключения. Это целесообразно, т.к.' пропуск членов предполагает наличие определенной информации (которой у нас нет) о том , что не мотут встретиться некоторые типы поверхностей отклика. После процедуры улучшения получены модели, которые хотя и трудно интерпретировать физически, но хорошо_описывают весь фактический материал, объясняют 80-90% общего разброса П и 'Г и удовлетворяют всем критериям оценки модслей.Для примера приведено уравнение для Томской области:

Т«1,1 1-2,451-Н,59|/112-0,481112/а-0,241р8*п1^+0,4451р8*

Мр6/е-0,02Пр8*1р6/т+0,664у2*|12-4,64У/|12-0,4191рв/д+

. - +1,34|/а+3,16</2 /113+0,7261*а .

Пригодность полученных моделей для расчетов значений П и Т в промежуточных между метеостанциями точках была подтверждена с помощью контрольной выборки. Сравнение расчетных и фактических значений подтвердило пригодность моделей для расчета значений Т и П на неосвещенных наблюдателями территориях (см. Рис.22). Результаты исследований неоднородности грозовой активности использованы нами при создании карт грозовой деятельности ио заказам энергосистем.

Методика построения карт плотности разрядов молнии на землю. Во всех инженерных "методиках расчета надежности молниезащиты^ объектов плотность разрядов молнии 1т землю определяется на основе'Г или П. Но как отмечалось выше, при равном Т (Ш плотность разрядов молнии на землю может отличаться в несколько раз. Имеющиеся в литературе универсальные расчетные формулы, связывающие Т и II с числом разрядов плохо отражают местные условия. К

примеру, плотность разрядов на территории Томской области по трем картам СССР, построенным в ГГО, составляет 0,5-2, 10 и 15-20 разр./км2. Ясно, что проектировщиков такой диапазон удовлетворить не может.

Существующие инструментальные средства позволяют на современном уровне получить пространственно-временную картину грозовой активности. Однако, в связи с отсутствием в стране их серийного выпуска, а также по экономическим причинам на огромных территориях Сибири л Казахстана в ближайшие годы они не получат большого распространения. Даже, если выпуск этих приборов будет налажен, потребуется, по крайней мерс, 10-15 лет для накопления необходимого минимума статистики. В качестве одного из вариантов решения этой проблемы нами рассмотрено использование данных о грозовых отключениях • ВЛ 6-10 кВ. Эти лннин имеют низкий уровень изоляции и во многих районах образуют довольно густую сеть. Таким способом нам удалось построить карты относительной плотности разрядов молнии на землю для территорий Кустанайэнерго и Кузбассэнерго. Однако, чрезвычайная трудоемкость этой работы, а главное, отсутствие надежных данных о ширине полосы земли, с которой ВЛ собирает разряды, а также достоверных сведений о степени экранирования ВЛ от ударов молнии деревьями и сооружениями, не позволяют получить абсолютные цифры плотности разрядов молнии на землю. Поэтому нами было предложено более реалистичное решение, которое не требует больших затрат и в то же время позволяет обеспечить учет мезомасштабных особенностй распределения плотности разрядов молнии на землю. Сущность этого решения заключается в следующем.

Представим число разрядов молнии в землю за год (на 1 км2) в виде произведения двух независимых случайных величин - числа грозовых дней в году (Т) и числа грозовых разрядов в землю (на 1 км2) за один грозовой день (п) (их статистическая независимость подтверждается 13-летними наблюдениями, произведенными в ЮАР). Распределение п должно бить получено экспериментально с помощью счетчиков разрядов молнии на некотором числе базовых ■ метеостанций. Имея два распределения Т и п, аналитически или методом Монте-Карло нетрудно получить распределение N3. Указанный подход дает ряд очень существенных преимуществ. Прежде всего за один год вместо одного значения случайной величины Н3 мы получаем выборку (размером Т) случайных величин п. Кроме того, если по каким-либо причинам (например, отказ счетчика) имеются пропуски в регистрации, то при регистрации Ка мы имеем брак, а в нашем случае просто уменьшается объем выборки. Достоинством является также возможность увязать богатейший многолетний материал метеорологических наблюдений за грозами с результатами инструментальной регистрации. Этот подход мы реализовали для Томской области, где нами создана и в течение 8 лет поддерживается сеть счетчиков разрядов молнии.

Оснозные результаты диссертации сводятся к следующему:

1. Разработана новая более реалистичная модель главного разряда молнии, учитывающая уменьшение его скорости и тока с высотой и обеспечивающая существенно лучшее, чем предыдущие модели, соответствие рассчитанной пространственно-временной картины электромагнитного поля с результатами регистрации атмосферикоз. Модель послужила основой для разработки комплекса аппаратуры для исследования пространственно-временных характеристик грозовой деятельности и параметров молнии.

2. На основе полевых измерений характеристик грозовой деятельности и параметров молнии установлен ряд новых закономерностей их изменения во времени и пространстве.

3. Изучены факторы, определяющие неоднородность грозозой деятельности в пространстве, к установлено, что основными из них являются географическая широта и долгота, термогигрометрические характеристики, свойства подстилающей поверхности, аномалии геофизических полей.

4. Созданы дзе группы статистических регрессионных моделей, описывающих пространственное распределение грозовой активности: линейные, хорошо интерпретируемые физически, модели, и усложненные модели второго порядка для практического использования при построении карт грозовой активности. Созданы карты интенсивности грозорон деятельности для ряда энергосистем, утвержденные Минэнерго в качестве нормативных.

5. Создана методика построения карт плотности разрядов молкли на землю па основе инструментальных измерений с помощью счетчиков разрядов молнии на базовых метеостанциях, а также результатов многолетних наблюдений за грозами на существующей метеосети. Создана п поддерживается в рабочем состоянии в течение 8 лет сеть счетчиков разрядов молнии в Томской области.

6. Изучена фактическая надежность грозозащиты ВЛ 6-500 кВ в ряде энергосистем Сибири и Казахстана. Установлена практическая назависн-мость числа грозовых отключений от величины сопротивления заземления, измеренного на переменном токе, в широком диапазоне изменения его величины и выяснены причины к этому приводящие. Доказано существование избирательной грозопоражаемости участков ВЛ и предлоюкены гипотезы для ее объяснения. Разработана методика расчета ожидаемого числа грозовых отключений ВЛ б-10 кВ от прямых удароз молнии и индуктированных перенапряжений.

Основные публикации по теме диссертации

1. Дульзон A.A., Куртенков Т.Е., Разин С.А., Яворопский H.A. Исследование погрешностей измерения токов молнии с помощью ферромагнитных регистраторов //Электричество. - 1975. - N 12. - с.20-24.

2. Домашенко В.Г., Дульзон A.A., Сараев В.А. Избирательная грозопоража-емость линий электропередачи//Элсктричество. - 1976. - N 6. - с.77.

3. Гиндуллин Ф.А., Дульзон A.A., Лычаганз Л.С. Грозовые отключения ЛЭП 10 кВ в Кустанайэнерго//Изв. ВУЗов. Энергетика. - 1977. - N 7. - с.22-28.

4. Дульзон A.A., Потапкин В.И. Счетчик молний//Изв. ВУЗов. Энергетика. - 1978. - N 5. - с.119-120.

5. Бахметьева Г.В., Вишневедхая Н.Б., Есипенко Р.Ф., Дульзон A.A. Опыт эксплуатации грозозащиты ЛЭП 110-500 кВ//Электричество. - 1978. -N 12. - с.57-59.

6. Алехина Н.М., Дульзон A.A., Потапкин В.И. Доля наземных разрядов в грозах при различных синоптических условиях//Тр. Зап.Сиб. регион, гидрометинститута. -М., Л.: Гидрометеоиздат. _ 1978. - N 36. - с.89-94.

7. Дульзон A.A., Раков В.А. Результаты измерения амплитуд токов молнии //Электричество. - 1982. - N 9. - с.53-54.

8. Дульзон A.A., Раков В.А. Оценка зависимости амплитуды тока молнии от географической широты//Изв. ВУЗов. Энергетика. - 1982. - N 9. - с.98-100.

9. Домашенко В.Г., Дульзон A.A., Иванова Н.Г. О связи грозовой деятельности с физико-географическими особенностями территорин//"Атмосферное электричество". - Л.: Гидрометеоиздат. - 1984. - с.217-221.

10. Гиндуллин Ф.А., Дульзон A.A. О качестве исходной информации об аварийных отключениях ВЛ 10 кВ//Изв. ВУЗов. Энергетика. - 1984. -N 5. - с.41-43.

11. Дульзон A.A., Раков В.А. О широтных особенностях грозовой деятельности// Метеорология, и гидрология. - 1984. - N 1. - с.52-57.

12. Дульзон A.A., Раков В.А. О зависимости распределения амплитуд токов молнии от высоты местности над уровнем морг//Изб.ВУЗов.Энергетика. -19S6. - N 4. - с.24-28.

13. Дульзон A.A., Раков ВЛ. Исследование некоторых особенностей фронтальных и внутримассовых гроз//Метеорология н гидрология. - 1986. - N 9. с .59-63.

14. Гиндуллин Ф.А., Дульзон A.A. Методика расчета ожидаемого числа отключений ВЛ 10 кВ, вызванных перекрытиями изоляции на соседних с точкой разряда молнии опорах//Изв.ВУЗов.Энергетика. - 1987. - N 2. - с.28-31.

15. Дульзон A.A., Раков В.А. Результаты расчета электромагнитных полей грозовых разрядов//Техннческая электродинамика. - 1987. - N 1. - с.87-89.

16. Есипенко Р.Ф., Дульзон A.A., Раков В.А. Исследование грозопоражаемости территории Кемеровской области//Изв.ВУЗов.Энергетиха. - 1987. - N 11. с. 29-32.

17. Гиндуллин Ф.А., Дульзоп A.A., Халилов Ф.Х. Повышение надежности молниезащиты электрических сетей 6-35 кВ//Энергетич. строительство. -1988. - N 9. - с. 19-22.

18. Гиндуллин Ф.А., Гольдштейн В.Т., Дульзоп A.A., Халилов Ф.Х. Перенапряжения в сетях 6-35 kB. М.: Энергоатомиздат. - 1989. - 192 с.

19. Дульзон A.A., Раков В.А., Шелухин Д.В., Шойвацов Ю.Р. Методические вопросы построения региональных карт плотности разрядов молнии в землю// Электрич. станции. - 1990. - N 3. - с.бЗ-бб.

20. A.C. N 558240 от 3.12.1975 г.Щульзон A.A., Потапкин. В.А.).

21. A.C. N 648925 от 27.10.1978 г.Щульзон A.A., Потапкин В.И.).

22. A.C. N 1000985 от 2.09.1980 г.(Дульзон A.A., Есипенко Р.Ф., Пегов A.A., Потапкин В.И.).

23. A.C. N 993181 от 24.11.1980 г. (Дульзон A.A., Есипенко Р.Ф., Женихов Э.Ф., Пегов A.A., Потапкин В.И.).

24. A.C. N 1309053 от 1.10.1985 г. (Дульзон A.A., Женихов Э.Ф., Раков В.А.).

25. Dulson A.A., Potapkin W.I., Razin S.A. Das Frequenzspektrum des elektrischen Feldes einer Blitzentladung bei verschiedenen Entfernungen vom Einschlagsort//19 Intern. Wiss. Kolloq. Ilmenau. - 1974. - s.19-23.

26. Dulson A.A., Rakov V.A. Lightning Research in Western Siberia//Proc. 8th Int. Conf. of Atmospheric Electricity, Uppsala, Sweden. - 1988.- pp.766- 769.

27. Dulson A.A., Rakov V.A. Spatial inhomogenity in Thunderstorm activity: some possible explanations //Proc. 20th ICLP, Interlaken, Switzerland. - 1990 - 1.6 pl-p3.

28. A modified transmission line model for lightning return stroke field calculations//Proc. 9th Int. Symp. on electromagnetic compatibility, Zurich. -1991. - pp. 229-234.

29. Dulson A.A., Rakov V.A. A study of Power line lightning performance//Proc. 7th Int. Symp. on High Voltage Engineering, Dresden. -1991. - Dresden. -1991. - 82.03 pp. 1-4.

30. Dulson A.A., Luz A.O., Schelukhin D.V. Meteorological observations are never old//Proc. 9th Int. Conf. Atmosph. Electricity, S.Peterburg. - 1992. - pp.966969. • j.

31. Dulson A.A. Lightning performance of Power lines - comparison of calculated and observed data//Proc. 21th Int. Conf. lightning Protection, Berlin. - 1992. -pp.1-4.

Формат 60x84 1/16. Объем 2, 25 печ. л. Звхоэ 295. Бесплатно» Тираж ЮО экз.

Малое предприятие 'Попягрефвст'

634055, Тшсв-55, пр. АгадеыичесхвЛ, 2/8