Ученые из Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН предложили остроумный метод расчета уровня воздействия молнии на воздушные линии электропередач с учетом всей их длины, основанный на расстоянии между разрядами молний и координатами опор ЛЭП с использованием исторических данных о грозах за последние годы.
Молния / ©Getty images
Современный человек не всегда представляет себе, насколько он зависит от электричества. Экономичные фонарики, мощные устройства бесперебойного питания, смартфоны и другие гаджеты с высокой емкостью аккумуляторов создают иллюзию автономности: пропадет электричество, но все приборы будут работать, пока не сядут батарейки, и жизнь не остановится.
Но на самом деле даже кратковременные перерывы в электроснабжении могут привести к катастрофе. Технологические процессы остановятся на фабриках и заводах, экологичный и экономичный электротранспорт перестанет работать, нарушится функционирование коммунальных сетей, пропадет связь, отключатся системы жизнеобеспечения – и все это может случиться из-за того, что в линию электропередач попадет молния.
Разумеется, все системы доставки электроэнергии от производителя к потребителю снабжены устройствами, предотвращающими урон от удара молнии и снижающими время отключения в случае аварии. Однако при большой протяженности линии электропередач время поиска повреждений в случае отказа аварийных систем может оказаться слишком большим, особенно при неблагоприятных метеоусловиях в районах Крайнего Севера.
Конечно, на подстанциях применяются специальные приборы для определения места повреждения, которые продолжают улучшать и дорабатывать. Однако, как показывает опыт, точность этих приборов оставляет желать лучшего. Кроме того, параметры всех аварийных устройств, а также самих линий электропередач необходимо рассчитывать с учетом местных климатических условий, в том числе интенсивности молний.
Сейчас в России оценка уровня воздействия молнии на линии электропередач регламентируется документом «Правила устройства электроустановок», в котором представлены карты плотности молний, построенные более трех десятков лет назад на основе визуальных наблюдений за грозами. При этом в мировой практике достаточно давно используются точные карты плотности молний и грозовых дней, полученные инструментальными методами. Например, при расчете такой карты для Австралии были использованы данные, полученные с помощью наземных систем обнаружения молний и информации со спутников НАСА.
В начале 2000-х годов исследования гроз на юге Европы проводили уже с использованием сети датчиков, в которых применяется метод пеленгатора для обнаружения молнии. Российские исследователи также анализируют грозовую активность современными методами, например, на Северном Кавказе развернута для отслеживания гроз сеть грозопеленгации Vaisala LS8000, в Якутии подобный мониторинг происходит с использованием Всемирной сети определения местоположения молний, а при обнаружении молний над юго-восточной территорией Западной Сибири используется одноточечный детектор молний Boltek LD-250.
Однако «Правила устройства электроустановок», являющиеся основным нормативным документом в области электромонтажных работ, к сожалению, остаются неизменными, несмотря на изменения климата, усложнение и, как следствие, большую требовательность к качеству электроэнергии современного оборудования.
Используемые в настоящее время для расчета воздействия молнии на воздушные линии электропередач квадратные сетки и буферные коридоры вдоль ЛЭП шириной от нескольких сотен метров до нескольких километров дают приблизительную информацию об ожидаемом воздействии, но не предоставляют информации о частоте ударов молнии на конкретных участках и опорах линии электропередачи. Кроме того, принятая для составления карты грозопеленгации сетка не учитывает расстояния между опорами ЛЭП и участки, требующие особого контроля.
Младший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН Антон Бурцев и директор Центра, кандидат технических наук Василий Селиванов предложили остроумный метод расчета уровня воздействия молнии на воздушные линии электропередач с учетом всей их длины, основанный на расстоянии между разрядами молний и координатами опор. Статья об этом методе вышла в журнале Applied Sciences.
Разрабатывали этот метод в Мурманской области. Особенность региона заключается в узком транспортном коридоре, в котором сосредоточены разнородные инфраструктуры: автомобильная и железная дороги, воздушные и кабельные линии электропередач и связи. Такое расположение приводит к интенсивному взаимному электромагнитному влиянию проводных коммуникаций, причем работоспособность их также зависит друг от друга.
Вызванное климатическими изменениями усиление грозовой активности в сочетании с низкой проводимостью грунта делает оборудование, размещенное здесь, более уязвимым к грозам, чем на юге России. Кроме того, в области отсутствуют системы контроля грозопоражаемости оборудования и локализации мест ударов молний и нет достоверной статистики электромагнитных условий эксплуатации оборудования и причин нарушений его работы.
Авторы разработали математическую функцию, используемую для оценки интенсивности ударов молнии на всех опорах ЛЭП. Значение воздействия молнии на опору равно единице, если она непосредственно попадает в опору, и уменьшается до нуля, когда молния приближается к границе буфера линии электропередачи. Входные данные для этой функции — географические координаты молнии в исследуемой области в течение заданного временного интервала, географические координаты всех опор исследуемой ЛЭП и размер буферной зоны.
Для расчетов была создана матрица, в которой число строк соответствует количеству вспышек, а столбцов – числу опор ЛЭП. Следующая матрица отразила разницу между буферной зоной и дистанцией от ударов молний до опор. Путем суммирования строк этой матрицы получили вектор интенсивности молнии. Для получения среднегодового значения этот вектор нужно разделить на количество лет наблюдений за грозой.
Для демонстрации метода его применили к двум ЛЭП Мурманской области: одна расположена на севере региона, а другая — на юге. Для работы использовали полученные за пять лет достоверного функционирования сети Blitzortung в регионе данные о 41656 ударов молнии. Чтобы иметь представление о грозах в изучаемом регионе, были построены соответствующие карты с ячейками, имеющими сторону в 20 километров, и преобразованы данные о молниях и линиях электропередач из исходной географической системы координат Всемирной геодезической системы в систему универсальной поперечной проекции Меркатора. Набор данных по линиям электропередач был получен от поставщиков электроэнергии Мурманской области.
В базу данных ввели координаты опор воздушной линии, координаты ударов молнии и размер буфера линии электропередачи (его приняли в пределах ошибки системы грозопеленгации). За пять лет в буферные зоны ЛЭП «Северная» и «Южная» попало 44 и 175 молний соответственно. Векторы интенсивности среднегодового удара молнии, полученные для буферной зоны в диапазоне от 0,1 до 2,3 километров каждой из линий электропередач, могут быть отображены в виде трехмерной поверхности. Такой визуализации достаточно для выявления наиболее часто затрагиваемых участков линий электропередач.
Таким образом, были выявлены наиболее пострадавшие участки конкретных ЛЭП и построена карта плотности грозовых разрядов. Метод показал важность корректного вычисления буферной зоны для каждого региона и конкретной ЛЭП, а также выявил недостаточность приведенных в «Правилах устройства электроустановок» данных. Полученные результаты важны, прежде всего, для энергоснабжающих организаций. Кроме того, эта методика полезна для людей, выбирающих оптимальный маршрут для линий электропередач на основе плотности и воздействия молний.
Работа, которую провели исследователи, – это часть большого проекта по моделированию состояний энергосистемы Кольского полуострова и информирования о воздействии молний на ЛЭП в режиме реального времени. Авторы хотели бы применить метод к ЛЭП, расположенным в южных широтах с высокой грозовой интенсивностью, однако получить набор данных удалось только для Мурманской области.
В целом открытость и доступность данных для инженеров и ученых всего мира может стимулировать качественное развитие электрических систем. Ученые призывают поставщиков электроэнергии открыто публиковать данные об электрических сетях, поскольку это поможет моделировать реальную энергетическую систему и адекватно оценивать влияние различных воздействий на нее.
