Блискавка зблизька. Система локації блискавок на території України - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

43
Блискавка зблизька. Система локації блискавок на території України

Небезпечні фактори блискавки.

Блискавка являє собою грізне природне явище, яке людство не є в стані відвернути. Під дією енергії, першоджерелом якої є сонячне випромінювання, тучі накопичують потужний заряд у численних грозових комірках. За спалаху блискавки та енергія вивільняється у дуже концентрованій формі–десятки тисяч ампер, десятки тисяч градусів у каналі блискавки, який має кілька сантиметрів у діаметрі. Рух блискавки зі швидкістю у 300 км на секунду не залишає шансів на втечу, тому людство виробило інші способи порятунку. На українських теренах головним у сонмі древніх богів був Перун – володар блискавок. Він мав своє дерево – дуб, рослину – папороть, тварину – кабана. Серед експонатів київського музею архітектури і побуту можна побачити вийнятий колись з Дніпра стовбур з вирубаними у ньому нішами – туди вставлялися кабанячі черепи. Такі тотеми стояли на перехрестях великих шляхів предків нинішніх українців, які донесли до наших часів вислів «Після дощичка у четвер» - адже саме цей день належав Перунові. Тож, зачувши у небі грозу, наш предок рисував пучкою у повітрі хрест у вигляді літери «Х» – у сподіванні на заступництво Хорса, наступного божества у небесній ієрархії.

Винахід громовідхильника суттєво поліпшив захищеність споруд від фізичних пошкоджень (запалювання, розколювання, розтріскування) у порівнянні з технологіями часів Перуна і Хорса. Та лише з розвитком електротехніки та розповсюдженням цих технологій у виробництві й побуті прийшло розуміння таких небезпек блискавки для живих істот, як напруга дотику та крокова напруга. Технології блискавкозахисту було доповнено системами еквіпотенційних сполучень (ЕВ) й вирівнювання потенціалу поверхонь тваринницьких комплексів, на яких знаходяться свійські тварини.

Стрімкий прогрес електроніки, від вакуумних радіоламп (робоча напруга 240…600В та білье) до чипів, що живляться від 2.5 В, покликав до життя вимоги щодо електромагнетної сумісності (ЕМС), частину яких відображено у сучасних стандартах з блискавкозахисту будівель і споруд. В Україні розуміння необхідності захисту сучасних комп’ютеризованих технологій робить перші кроки. За даними технічного комітету стандартизації МЕК (TC 81 – Lightning protection), з тих коштів, які йдуть у світі щороку на блискавкозахист, 75% витрачається на захист від перенапруг. Причому, переважно, на такі пристрої, що підключаються споживачем самостійно до живильних та інформаційних розеток.

 

Вплив блискавки на роботу електричних/електронних систем.

Найкраще знають про небезпечну дію блискавок на електричні та електронні пристрої ті, хто відшкодовує постраждалим збитки від пошкодження цієї техніки. За даними страхових компаній, саме імпульси грозового та комутаційного походження становлять найбільшу загрозу Розподіл коштів, відшкодованих за пошкодження електричних та електронних пристроїв (за даними страхових фірм, Німеччини) наведено у табл.1.

На відміну від розхожої причини «блискавка влучила у лінію живлення (у антену, інформаційну лінію) існує кілька джерел появи небезпечних імпульсів всередині будівель (споруд). У стандартах їх чотири види та вони позначені літерою S (source):

- S1 – спалах блискавки до будівлі (споруди) – нехай і обладнаної системою захисту;

- S2 - спалах блискавки поблизу будівлі (споруди);

- S3 – спалах блискавки до лінії, яку приєднано до будівлі (споруди) – будь яка, надземна або підземна, електрична чи ні, аби спроможна була проводити електричний струм;

- S4 – спалах блискавки поблизу лінії, яку приєднано до будівлі (споруди).

Адже пряме влучення до лінії живлення (антени) зазвичай тягне за собою пожежу або значні механічні руйнування. Натомість, близький спалах супроводжується розтіканням струму блискавки у землі. Падіння напруги, що виникає на шляхах, якими тече струм, може бути передано до системи уземлення електроустановки споживача. Потенціал у кілька десятків кіловольт виходить на всі корпуси обладнання, які підключено до уземлення електробезпеки, внаслідок чого виникає загроза переходу високої напруги на «живі» провідники – живлення та передачі даних.

За випадку S2 можливий також згубний вплив електромагнетного імпульсу блискавки (LEMP), який індукує перенапруги й струми у електричних колах всередині будівель (споруд). Зарадити цьому може екранування, яке полягає у тому, аби використати струмопровідні огороджувальні конструкції для гамування імпульсного поля. У сучасних житлових спорудах за екрани може правити сталевий риштунок залізобетонного каркасу та металеві рами вітражних й фасадних елементів. У промислових – профнастил і сандвіч-панелі покрівлі та стін.

 

Стійкість електроустановок споживача за дії блискавки

Суттєвого зниження впливу LEMP можна досягти вдумливим прокладенням внутрішньої електропровідні – подалі від провідників системи блискавкозахисту (LPS). Бажано також не утворювати петель з ліній різного призначення, приміром, прокладаючи їх у подвійних кабель-каналах (див. рис.1), де вони знаходяться на оптимальній відстані одна від одної. У всякому разі не обійтися без встановлення координованої системи пристроїв захисту від імпульсних перенапруг (SPD). Нескладний підрахунок (див. Таблицю 2) нагадує про ціну, яку доводиться платити за життя у інформаційному суспільстві. Від 2015 р. ПУЕ (який грає у нас ролю того, що у більшості країн світу називається «електричний код») подає такі межі стійкості

подає такі межі стійкості електрообладнання до дії імпульсів у 3-фазних мережах 230/400 В:

- 6 кВ – вимірювальні прилади, первинні засоби захисту від надструмів, пристрої згладжування пульсацій;

- 4 кВ – розподільні, «автомати», електропровідня, шини, з’єднувальні коробки, вимикачі, штепсельні розетки, електродвигуни;

- 2.5 кВ – обладнання стаціонарних електроустановок (електропобутові прилади, тощо);

- комп’ютери, побутові прилади з електронним управлінням.

Збитки, пов’язані з дією блискавки, перелічені у табл.2.

 

Критерії необхідності у протиімпульсному захисті електроустановок споживача

То як бути, коли йдеться про інвестування хоча б кількох тисяч євро у протиімпульсний захист? Чи не є то зайвою витратою, вигаданою продавцями SPD? Вдамося до міжнародних стандартів, гармонізація з якими є на часі для України. Ось той [1], у якому йдеться про захист від перенапруг електроустановок НН. Ним рекомендується обчислювати показник ризику CRL та порівнювати отримане значення з припускним рівнем, який дорівнює 1000. Якщо CRL < 1000, захист від перенапруг є зайвим. Цей показник розраховується за формулою

 

(1)

 

де:

-         fenv- коефіцієнт, який залежить від оточення (визначається за табл.3);

-         Lp– довжина оцінки ризику;

-         Ng - густина блискавок «туча-земля» (спалахів на км2 у рік).

-          

Значення коефіцієнта оточення fenv наведено у табл.3

Однак, Національні Комітети МЕК можуть змінювати коефіцієнт F від 1 до 3 для житла. Довжина оцінки ризику LP розраховується наступним чином:

 

(2)

 

де:

-         LPALє довжиною (км) повітряної лінії НН;

-         LPCLє довжиною (км) підземного кабелю НН;

-         LPAHє довжиною (км) повітряної лінії ВН;

-         LPCHє довжиною (км) підземного кабелю ВН.

Якщо решту даних для обчислення ризику CRL можна взяти з відомостей про конфігурацію розподільчих ліній у тій чи іншій місцевості, то показник Ng потребує даних від національної системи грозопеленгації (LLS). Спостереження, проведені останніми роками, показали, що за одного спалаху блискавки мають місце не одна, а кілька точок контакту з землею. Відстань між ними може становити від кількох метрів до 8 км. Цей факт знайшов відображення у стандарті МЕК [2] введенням співвідношення:

 

Nsg = 2 x Ng,

 

де Nsg - число точок контакту спалахів блискавки на 1 км2 земної поверхні (об’єктами на ній) протягом року.

Після того, як цей стандарт буде визнано національною нормою України (що стає звичайною практикою), нашим проектувальникам доведеться оперувати з величинами Nsg = 11-12 1/км2 у рік замість вживаних тепер Ng= 5.5-6 1/км2.

Поки що можемо скористатися даними LLS, зібраними протягом 2008–2012 років [3] . За віддаленості України від місць розташування локаційних станцій, якими користувалися автори, можемо бачити лише ту її частину (близько 80%) на захід від Полтави. Найбільше блискавок у липні (максимум гроз) спостерігається навколо ЧАЕС та на лінії Ужгород-Мукачеве-Хуст-Тячів. На цих 3% території України показник Nsg становить 50-32 1/км2 у рік. Та якщо на Заході країни грози збирають на себе хребти Карпат, то Прип’ять – це ліси, озера й болота. Чи не є причиною такої концентрації радіаційне забруднення, внаслідок якого відбувається додаткова іонізація повітря, що полегшує його електричний пробій? Ще близько 6% території навколо вищезазначених місць характеризуються Nsg=32-20 1/км2 у рік. Така ж густина точок контакту блискавок з поверхнею землі має місце від кордону з Молдовою й до лінії Крижополь-Бершадь-Балта (15% території). Менш відвідувані блискавками терени рівномірно вкривають решту нашої країни: Nsg=20-13 1/км2 у рік – 40%; Nsg=13-8 1/км2 у рік – 15%; Nsg=8-5 1/км2 у рік – 3%. Спитаймо себе – чи враховується на сьогоднішній день ця статистика для вирішення питання про доцільність захисту від блискавки та імпульсів. Аби зрозуміти важливість національної LLS, поглянемо, як то виглядає у решті світу.

 

Національні системи грозопеленгації знижують збитки від дії блискавок

Людство стає щодня більш динамічним, мобільним, все більше залежить від надійної роботи складових ноосфери, 12 умов розвитку якої сформулював минулого століття відомий вчений В.І. Вернадський. У попередніх розділах вже йшлося про численні електронні системи та прилади, до послуг яких ми так швидко звикаємо. То чи здатні вони ще й вчасно попереджати нас про небезпеки блискавок? Чи можна очікувати на їхню допомогу у знаходженні безпечного місця, якщо повідомлення про грозу захопить десь у дорозі? У всякому разі тут не обійтися без систем грозопеленгації.

Схема розміщення давачів українського сегменту глобальної системи грозопеленгації американської компанії «Earth Networks» наведена на рис.2.

Аналізу історії та прогнозів грозової активності, разом із рештою особливо небезпечних явищ погоди та їх впливу, потребують буквально усі галузі економіки та щоденне життя громадян. Саме тому створенню та розбудові подібних систем приділяється все більше уваги у різних кінцях світу. Сьогодні по всій земній кулі можемо нарахувати понад 60 систем LLS.

В Україні до останнього часу не було таких сучасних систем, які б дозволяли отримувати більш точну і повну інформацію про грозову активність. Саме тому 2016 року Український гідрометеорологічний інститут (УкрГМІ) та Український гідрометцентр (УкрГМЦ) ініціювали створення подібної системи. Її компоненти вирішили розмістити на визначених метеорологічних станціях (див. рис.2) за принципом отримання первинних даних з розподіленої мережі датчиків. Подальше опрацювання та аналіз, відповідно до сучасних тенденцій, відбувається у децентралізованій («хмарній») інфраструктурі, що полегшує розподіл готових результатів між споживачами. Українська LLS є сегментом глобальної системи грозопеленгації американської компанії Earth Networks. Вона використовує давачі, які реєструють електромагнітні сигнали блискавок (LEMP) у діапазоні 1 Гц - 12 МГц. Саме це становить істотну перевагу системи, оскільки уможливлює більш точне визначати положення спалахів блискавок у просторі.

Приклад візуалізації результатів грозолокації, отриманих 04.06.2018 зображено на рис.3.

Адже гроза зазвичай починається зі спалахів «туча-туча» (CC) – позначено як риска на рис.3. Чим більше спалахів CC, чим довшими вони стають, тим більшає вірогідність появи блискавок CG – «туча-земля». Цей факт наочно підтверджують результати, подані на рис.4 та рис.5.

Приклад детальної візуалізації результатів локації спалахів блискавки зафіксованих на заході Україні 04.06.2018 наведено на рис.4.

Розробники кожної LLS намагаються відрізняти CC від CG з точністю не гірше, ніж у 80%. З цією метою спеціалісти «Earth Networks» обрали вищезазначений діяпазон частот для аналізу спектра LEMP. Оскільки фіксуються електричні параметрів спалахів, виникає можливість визначення їхньої полярності. Нарис.4 їх зображено жовтими прямокутниками. Там же показано приклад доступу до зафіксованих електричних характеристик однієї з блискавок у трикутнику Сатанів-Закупне-Гусятин. Видно, що його позицію обчислено за даними, отриманими від 8 давачів, а амплітуда від’ємного струму становила близько 11 кА. Належить розуміти, що GPS-координати цього та інших спалахів визначено з певною похибкою. Вона є важливою характеристикою кожної LLS й залежить переважно від числа давачів, розташованих на території. Для українського сегменту, за даними [4] вона становить близько 200 м. Підрахунок числа спалахів (рис.4 та рис.5) дає відоме співвідношення – 1 додатний на 10 від’ємних (Захід - 16/1, Південь 43/4) – ще одне підтвердження якості роботи української LLS.

Нашому споживачу ще належить «відчути смак» використання даних від системи грозопеленгації, адже це сприятиме вирішенню наступних завдань:

- уточнення середніх багаторічних показників інтенсивності грози для розрахунку одиничного числа відключення ліній через блискавки;

- визначення інтенсивності грозової діяльності у певний проміжок часу або на визначеній території для достовірної діагностики причин аварій;

- випереджальна передача попереджень про виникнення небезпеки грози та про закінчення грозової діяльності у певних зонах та коридорах (аеропорти, залізниці, траси проходження ЛЕП та трубопровідного транспорту, шляхи переміщення небезпечних речовин тощо), зокрема, для повідомлення та мобілізації ремонтних та аварійних бригад;

- накопичення даних про час, місце та параметри спалахів для ідентифікації грозових відключень ЛЕП та визначення ділянок, які потребують вдосконалення грозозахисту;

- деталізація оцінювання електричних параметрів блискавок з метою обґрунтованого вибору засобів захисту будівель і споруд, виходячи з техніко-економічних міркувань;

- врахування територій з аномально високою густиною спалахів блискавки у процесах мікропроектування таких чутливих об’єктів, як: ЛЕП, сонячні та вітрові електростанції, ЦОД, базові станції мобільного зв’язку, склади та майданчики, на яких зберігаються та (чи) переробляються вибухові, легкозаймисті і небезпечні речовини;

- аналіз ефективності засобів захисту будівель і споруд від блискавок та опрацювання рекомендацій щодо їх вдосконалення.

Приклад детальної візуалізації результатів локації спалахів блискавки зафіксованих на півдні Україні 04.06.2018. Міжнародний аеропорт «Херсон», який опинився між двома кластерами під час цієї грози, цілком може стати одним з перших споживачів результатів роботи нашої LLS наведено на рис.5.

Зарубіжний досвід вже дозволяє оцінити економічну доцільність побудови та розвитку систем грозопеленгації. У попередніх розділах вже йшлося про критерії необхідності протиімпульсного захисту у мережах НН. Такі заходи вживаються також у мережах ВН, але вартість пристроїв (ОПН), які застосовуються на повітряних лініях, є набагато вищою. Та й замінювати ОПН доводиться після першого їх спрацювання – на відміну від варисторних SPD, які є пристроями багаторазової дії. Відчутне заощадження коштів можливе за рахунок встановлення ОПН лише на критичних (за даними грозолокації) ділянках ЛЕП - замість розміщувати їх усією трасою (як це робилося дотепер). Розбудова інтелектуальних енергетичних мереж (Smart Grid) вже покликала до життя «активний» блискавкозахист [5]. Він полягає у перерозподілі шляхів передавання електроенергії з урахуванням ризику грозових відключень певних ділянок мережі. За даними науково-дослідного інституту електроенергетики США, АЕС «Grand Gulf» заощадила понад 11 млн. USDза ті 11 років, коли почала використовувати відомості про блискавки. Енергетична компанія «Consolidated Edison Company of New York», спираючись на дані системи грозопеленгації, змогла попередити ряд аварійних ситуацій, внаслідок чого скоротила в середньому на 68 хвилин стан підвищеної готовності персоналу під час грози. Ці вдосконалення дозволили зекономити значні кошти вже у перший грозовий сезон. Енергетичний сектор України перебуває у процесі впровадження засад енергоринку, де перерви у постачанні електроенергії (показник SAIDI) боляче відбиватимуться на фінансових результатах підприємств ПЕК.

 

Автоматизовані системи контролю за станом протиімпульсного захисту

В Україні системи координованого протиімпульсного захисту електроустановок споживача є прерогативою радше тих об’єктів, де втілено сучасні технологічні комплекси – переважно з обробки інформації. Тоді як у світі такі системи мають ще й функцію дистанційного контролю стану SPD – переважно для тих з них які мають нелінійні елементи на базі варисторів. Відомо, що варистори SPD характеризуються поступовою деградацією (старінням) під дією потужних імпульсів грозового та комутаційного походження. Це обумовлює необхідність контролю для вчасної заміни. Виробники цих пристроїв пропонують свої рішення для своєчасного повідомлення про необхідність їх обслужити – оптичні, світлові, акустичні та електричні сигнали.

Розвиток систем попередження про наближення грози (TWS) [6] покликав до життя організаційний захист від блискавки – вжиття певних заходів зі зменшення ризику грозових пошкоджень за отримання повідомлення про ризик появи спалахів блискавки. Серед них – системи автоматизованого моніторингу стану SPD таких об’єктів критичної інфраструктури, як: центри обробки та передачі даних, авіаційний, залізничний та трубопровідний транспорт, критичні елементи комунальної інфраструктури мегаполісів й т. ін. Стрімкий розвиток Інтернету речей (IoT) призводить до збільшення потоків даних від пристроїв фіксації подій прямого ураження наземних об’єктів блискавкою. За наявності відповідного програмного забезпечення, співставлення цих відомостей із даними від LLS дозволить відчутно підвищити точність грозопеленгації. Також і планування витрат на захист від небезпек блискавки може будуватися не лише на вимогах нормативних документів, але враховувати реально спостережені рівні кераунічних загроз. Що є прикладом ризик-орієнтованого підходу до вирішення питань безпеки взагалі – сучасної тенденції, яка вже обіймає міцні позиції у царині охорони праці. Адже у найбільш розвинених країнах саме люди є найвищою цінністю, запорукою прогресу та процвітання.

 

Література:

1. IEC 60364-4-44:2007 - Low-voltage electrical installations - Part 4-44: Protection for safety - Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances.

2. IEC 62858:2015 Edition 1.0 (2015-08-05) Lightning density based on lightning location systems (LLS) - General principles.

3. A European lightning density analysis using 5 years of ATDnet data G. Anderson and D. Klugmann Met Office, FitzRoy Road, Exeter, EX1 2HR, UK

4. Кривобок А. А., Кривошеин А. О.,Коман М. М., Крупа Е. О. Украинский сегмент системы грозопеленгации ENTLN, Український гідрометеорологічний журнал, 2018, №21

5. Coordination of Dynamic Lightning Protection and Smart Grids State Estimation, Chong Tong, Yuan Gao, Qing Wang, Dan Yu, Junping Luo, Jingru Li, Bo Wei, Jian Xu, Chengxue Zhang, International Conference on Lightning Protection (ICLP-2014), Shanghai, China

6. IEC 62793:2016 Edition 1.0 (2016-05-12) Protection against lightning - Thunderstorm warning systems

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus