Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Постановка задачи исследования 12
1.1. Современные представления о развитии коронного разряда на высоких объектах и анализ методов
экспериментальных исследований 12
А. Механизм развития коронного разряда 12
Б. Анализ методов экспериментальных исследований огней св. Эльма на высоких объектах 17
1.2. Обзор исследований электрических и метеорологических параметров нижнего 500-метрового слоя атмосферы 24
А. Исследование электричества атмосферы по токам с острия 24
Б. Метеорологические исследования нижнего слоя атмосферы 29
1.3. Современное состояние вопроса прогноза опасных явлений погоды на высоких объектах 33
А. Особенности грозовой деятельности вблизи высоких сооружений 34
Б. Современное состояние вопроса прогноза опасных явлений погоды 38
ГЛАВА II Разработка методических вопросов экспериментальных исследований коронных токов на высоких сооружениях 44
2.1. Основные принципы исследований 44
А. Задачи исследования 44
Б. Структурно-функциональная схема эксперимента 46
2.2. Вопросы выбора основных параметров системы измерения коронных токов 51
A. Электроды-датчики коронного тока 53
Б. Блоки защиты от пиковых нагрузок 57
B. Регистрирующая аппаратура 60
Г. Кабельные коммуникации 61
2.3. Метеорологическое обеспечение эксперимента . 61
ГЛАВА III Анализ результатов экспериментальных исследований
3.1. Классификация токов с острий высоких объектов . 63
A. Токи группы <Ь 63
Б. Токи группы Р 68
B. Токи группы У 73
3.2. Определение физической природы измеряемых токов . 77
3.3,.Определение метеорологических условий существования коронного тока на высоких объектах 82
A. Исследование реализаций КГ группы Jb , зареги стрированных при негрозовой облачности . 85
Б. Исследование влияния на КТ скорости ветра . 89
B. Исследование влияния на КТ атмосферных осадков . 93
3.4. Исследование эффекта экранирования электродов металлическими конструкциями башни 94
3.5. Пеленгация и определение наличия грозовых очагов вблизи высоких объектов с применением токов короны 105
3.6. Оценка точности определения направления на грозовой очаг по токам короны 112
3.7. Исследование связи коронного тока с распределением зарядов в облаке 115
ГЛАВА ІV. Исследование связи между параметрами грозовой деятельности и коронными токами 122
4.1. Установление связи КГ с наличием, продолжительностью и интенсивностью грозовой деятельности в районе высокого объекта 122
A. Связь КТ с наличием грозовой деятельности , 123
Б. Связь КТ с продолжительностью грозовой деятельности 125
B. Связь КГ с числом разрядов молнии в единицу времени 128
4.2. Оценка вероятностных характеристик краткосрочного локального прогноза грозовой ситуации в районе высокого сооружения по токам коронного разряда 134
4.3. Оценка заблаговременности прогноза ударов молнии в башню 146
Заключение 152
Приложения 155
Литература
- Анализ методов экспериментальных исследований огней св. Эльма на высоких объектах
- Структурно-функциональная схема эксперимента
- Определение физической природы измеряемых токов
- Оценка вероятностных характеристик краткосрочного локального прогноза грозовой ситуации в районе высокого сооружения по токам коронного разряда
Введение к работе
В последние годы в связи с ускоренным развитием областей науки и техники, связанных с летательными аппаратами, распространением радиоволн в атмосфере, изучением природных ресурсов резко повысился интерес к исследованию электрических процессов в атмосфере. С другой стороны увеличение высоты сооружений связи, строительство линий сверхвысокого напряжения с опорами высотой более 100 м поставили практическую задачу разработуи совершенных методов диагностики грозовой опасности с целью обеспечения надежной работы предприятий народного хозяйства страны.
Одним из наиболее перспективных направлений в области разработки методов и 'средств предупреждения о грозовой опасности является использование предразрядных явлений - токов короны /огней св. Эльма/, возникающих на высоких остриях при приближении к ним заряженных облаков. Однако данное природное явление изучено недостаточно полно.
Механизм развития коронного разряда в лабораторных условиях достаточно подробно исследован в работах Капцова Н.А., Леви-това В.И., Попкова В.И., Леда Л. и др. Менее изучены закономерности развития коронного разряда в атмосфере, возникающего на остриях во время гроз, снежных и пылевых бурь. Обзор публикаций в части исследования коронных разрядов на самолетах /Имяни-тов Й.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. и др./, на троссе,вынесенном в облака аэростатом / Комельков B.C. и др./, на заземленных остриях высотой менее 30 м /Колоколов В.П. и Семенов К.А., Шон-ланд Б., Лютц К., Чалмерс Дж. и др./ и на высоких объектах / Бергер К., Гароаняти Е. и Пипаро Г. и др/ позврляет установить, что исследователями не ставилась задача изучения коронного раз-
ряда как весьма важной характеристики состояния атмосферы в предгрозовой, грозовой и послегрозовой периоды.
Таким образом постановка исследований токов короны с ост-рий высоких объектов является актуальной как для изучения электрических явлений в атмосфере, так и для решения задачи грозового оповещения в локальном районе.
Цель работы заключается в исследовании связи между параметрами коронного тока, грозовой деятельности и метеорологическими элементами на основании анализа данных экпериментальных исследований, выполненных на 540-метровой Останкинской башне.
Для решения указанной задачи были проведены многолетние комплексные исследования коронных токов, снимаемых с острий, установленных на Останкинской башне. Синхронно с измерениями токов выполнялась фоторегистрация разрядов молнии в башню и регистрация числа разрядов в башню и окружающее пространство / измерительный комплекс ЭНИН им. Г.М. Кржижиновского/, а также производились измерения скорости и направления ветра, определение вида облаков и высоты нижней и верхней границы, интенсивности осадков и другой метеорологической информации /метеокомплекс ЦВГМО/.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы.
В первой главе на основании анализа работ, посвященных исследованиям коронного разряда в атмосфере и современным мето-дам грозового оповещения^ определены перспективные направления в ооласти исследования электричества атмосферы по токам короны.
Вопросам разработки методики экспериментальных исследований коронных тою в на высоких сооружениях посвящена вторая
Анализ методов экспериментальных исследований огней св. Эльма на высоких объектах
Впервые исследования коронных разрядов в атмосфере были начаты еще в 1826 году Колладоном. Он исследовал токи с острия, установленного на столбе высотой 10 м /Q /. Затем исследования разрядов с острий были продолжены многими известными учеными: Комельковьш /9 /, Уормелем /ю/« Шонландом /ц/, Уипплом и Скрейзом /12/, Михновским /13 Л Чалмерсом /Q /, Лютцем /14/ и многими другими.
Исследованию коронного разряда на высоких объектах посвящены работы Грискома /15 /, Малана /їв /, Стекольникова /17 /, Бергера /18/, Хорвача /is / и др. Метод исследования у перечисленных авторов сводился, в основном, к измерению КТ с острия, заземленного через измерительный прибор.
Однако условия проведения исследований и их методика не обеспечили получения комплексного экспериментального материала, позволяющего с одной стороны, построить представление об огнях св. Эльма как о физическом явлении, а с другой стороны собрать статистический материал о параметрах коронного разряда в атмосфере. При организации комплексных исследований огней св. Эльма, в частности измерений КГ, одна из наиболее сложных задач заключается в обеспечении надежной синхронизации приборов, регистрирующих КТ, с наблюдаемыми атмосферными явлениями и параметрами . Эта задача может быть решена с применением стационарных экспериментальных исследовательских комплексов, расположенных на высоких сооружениях. Остановимся на двух из них.
Станция Бергера. В 1943 году на горе Сан-Сальваторе /Швейцария/ под руководством профессора Бергера была создана полевая лаборатория по исследованию молнии / 20, 21, 22, 23,24/» Токи молнии при разрядах в две радиотелевизионные передающие мачты, установленные на вершине горы, регистрировались с применением осциллографов. При этом вспышки молнии фотографировались на движущуюся пленку. Измерительный комплекс включал в свой состав: две радиотелевизионные мачты высотой 7,5 м и 60 м, на которых были смонтированы молниеприемники высотой 7,5 м, помещение для измерительных приборов и фоторегистраторов. На рис. 1,1.3 показана принципиальная электрическая схема измерений токов молнии и КГ /18 /. Схема функционирует следующим образом: токи коронного разряда /КГ/ и токи смещения, возникающие в мол-ниеприемнике при отдаленных разрядах молнии, регистрировались самопишущим прибором " fj ". Величина регистрируемых токов от 10 мкА до 10 мА, частота до 100 Гц. При превышении током величины ± 10 мА срабатывал разрядник " V " / Up- 5-Ю кВ/, который отсекал измерительную схему прибора " G ". Ток амплитудой более 10 мА поступал на двухкаскадные измерительные шунты Si и S2 и регистрировался с применением шлейфового и электронно-лучевого осциллографов. Вся измерительная аппаратура размещалась в клетке Фарадея в специальном помещении. На рис. І.І.4 показаны примеры регистрации КГ.
Измерительный комплекс Бергера позволял сравнительно несложными средствами производить регистрации оптических и электрических параметров молнии, захватывая все стадии от слабых коронных разрядов до главной стадии молнии, а также период после разряда. Бергера является слабая синхронизация работы оптической и электрической аппаратуры, что сделало невозможным временную привязку полученных осциллограмм тока к фотографиям. Кроме того, слабая автоматизация измерительного комплекса поставила процесс получения данных в зависимость от работы обслуживающего персонала, что привело к потере части информации.
Станция Гарбаняти и Пипаро. Гарбаняти и Пипаро была предложена и смонтирована в Фолинье /Италия/ исследовательская станция, которая позволяла автоматически регистрировать разряды молнии и сопуствующие разряду явления / 25і 26/. В качестве высокого объекта был использован ретранслятор Итальянской радиовещательной корпорации/рис. I.I.5/. Все регистрирующие устройства для измерения и записи, а также блоки питания располагались в сборной металлической кабине,-установленной между стойками башни ретранслятора.
Станция позволяла получать следующие данные: - момент разряда в молниеприемник, амплитуду и форму тока разряда; - количество разрядов молнии в башню, в окрестности башни, длительность грозы в зоне; - фотографии разрядов молнии, ударяющей в молниеприемник; - ток коронного разряда /КТ/.
Следует отметить, что группы Бергера и Гарбаняти не выдвигали в качестве основной задачу исследования коронного разряда и пред-разрядных явлений. Поэтому регистрация КТ использовалась ими исключительно для запуска измерительной аппаратуры для исследования молнии и, как следствие, данные измерений КГ имеют весьма разрозненный характер, малый объем и еатественно отсутствие связи с метеопараметрами.
Для своевременного предупреждения о наступлении опасных явлений погоды вблизи строящихся и эксплуатаруемых высоких сооружений, а также для уточнения краткосрочного прогноза необходима информация о распределении электрических и метеорологических параметров в нижнем слое атмосферы. Рассмотрим далее основные направления и результаты исследований электричества и метеорологии нижнего слоя атмосферы.
Структурно-функциональная схема эксперимента
Для решения поставленных задач нами составлена примерная схема эксперимента, приведенная на рис. 3.1,1. Функциональная схема разделена на - задачи исследования - А, - методические предпосылки, необходимые для решения задач - Б, основные типы измерительных систем, применяемых при эксперименте - в, - основные типы регистрирующей аппаратуры - Г, - основные параметры, получаемые с применением измерительных систем - Д, - основные виды математико-статистической обработки результатов исследований и проверки гипотез, применяемых при решении поставленных задач - Е.
Для получения данных, необходимых для решения поставленных задач, нами применялись измерительные системы и комплексы: - разработанный при нашем участии комплекс измерений КС /B-I/, включающий в свой состав измерительные электроды, электрод -молниеприемник, системы защиты, кабельные линии. Основные особен ности разработки и эксплуатации системы измерения КГ, примененной нами на Останкинской башне, описаны в работах /94 , 95 36, 97» 98, 99 /; - измерительный комплекс для исследования молнии ЭНИН /В-4/, включающий в свой состав счетчики разрядов,/ 66 /, фото-регистрирующую аппаратуру / 100, 65/, электронно-оптические преобразователи / 66 /, пояс Роговского / 65 /; - метеорологический комплекс ЦВГМО /В-3//53- 58/
Для получения необходимой метеорологической информации использовались также визуальные наблюдения метеослужб ЦВГМО и ВДНХ /В-2/ и информация, поступающая в ЦВГМО из Гидрометеоцентра СССР /B-5//I0I, 102, 103/.
Регистрация измеряемых величин выполнялась с применением самопишущих миллиамперметров Н-320/5 /Г-І/, на которые поступала информация с блоков B-I и В-4. Телетайпы метеокомплекса позволяли осуществлять запись на бумажную ленту показаний блока В-З/Г-2/. Сбор данных с блоков В-2 и В-5 производился дежурным метеорологом ЦВГМО на основании сообщений метеостанции ВДНХ, Гидрометеоцентра СССР и других метеорологических служб, а также на основании визуальных наблюдений /Г-В/. На рис. 2.1.2 показана телетайпограмма, полученная с метеокомплекса ЦВГМО.
Системы регистрации "Г" позволяли получать следующие электрические и метеорологические данные, необходимые для решения поставленных задач: - величину амплитуды коронного тока в диапазоне от 0 до IO мА /Д-І/, - время существования тока /Д-2/, - направление тока/положительное или отрицательное/ /Д-3/, - плотность импульсов тока или число бросков /импульсов/ тока за определенный период времени /Д-4/, - момент разряда молнии в башню /Д-5/, синхронизированный по времени с импульсом КГ, - плотность разрядов молнии в окружающее пространство или число разрядов за определенный промежуток времени /Д-б/, синхронизированное с количеством импульсов коронного тока, - метеорологические элементы и атмосферные явления /Д-? - Д-І2/, - штормовые оповещения /ШО/ /Д-ІЗ/. На рис. 2.І.І показаны также основные виды математико-ста-тистической обработки результатов измерений, а именно: - абсолютные и относительные вероятности возникновения случаев./Е-1/, - оценка корреляционной связи с применением способа наименьших квадратов и уравнения регрессии./Е-б/, - оценка средней квадратической погрешности /стандарта/ рассеивания отклонений с? математического ожидания J от измеренных значений J /Е-4/» - проверка гипотезы однородности стандартов с применением критерия Кочреиа (} /Е-5/,
Определение физической природы измеряемых токов
В таблице 3.1.2 на основании данных приложений 4 и 5 приведены основные характеристики реализаций группы Jb \ Л .А ТА А пах, nmut. % /л - значение амплитуды плавного тока в мк, A max, Amin - значение амплитуды броска в мкА, flmt , It МІН, , іь - количество бросков за время существования одной реализации, & - число реализаций с разрядами молнии в башню, м - плотность импульсов, определяемая как число импульсов в минуту, Р - число разрядов молнии в башню в одной реализации. Значения rf, у rate, и "ом. определялись согласно выражениям 3.I.I, 3.1.2 и 3.1.3.
Анализ данных таблицы подтвердил высказанное выше предположение, что все импульсы тока, направленные противоположно плавной составляющей тока, связаны с разрядами молнии в башню. На это указывает также совпадение значений я и Р в приложении 5. При этом разряды могут произойти из негрозовой облачности. Например, 2.0$.74 регистрировался импульс тока, совпавший с разрядом молнии в башню, при высоко-слоистой обланности / /% / среднего яруса. Такой разряд можно объяснить наличием локальной неоднородности у острия высокого объекта. При этом у вершины возникает электрическое поле достаточное не только для возбуждения лидера, но и для удлинения его канала на расстояние, при котором выполняется условие устойчивого развития разряда молнии. Результаты расчета электрического поля облаков о , при котором можно ожидать возникновения молнии в сооружение высотой 500 м, показали, что о — 70 В/см, т.е. соизмерима с Еа негрозовой облачности.
К группе J отнесены многоимпульсные токи с плотностью импульсов не менее 0,20 имп/мин, разделяемые на подгруппы: реализации, которые включают в свой состав один пакет импульсов без предшествующего плавного тока, реализации, которые характеризуются наличием одного пакета импульсов с предшествующи: .плавным током, реализации, представляющие собой несколько следующих друг за другом пакетов импульсов, соединенных плавным током группы oi .
В таблице 3.1.3 на основании данных приложений б, 7 и 8 приведены основные характеристики реализаций группы д Т д, , т;а , - полное время существования реализации, включая импульсную и плавную части; -max тш ) - время существования импульсной части реализации; плотность /частота/ импульсного тока, определяемая как число импульсов в минуту /имп/мин/.
В таблицах приложения б, 7 и 8 приведены также данные о числе разрядов молнии в башню, зафиксированных в течение одной реализации /"Р" в таблицах приложения/. ленными I / // = 0,66/. Они начинаются, как правило, с небольших импульсов тока Д 500 мкА, связанных, по-видимому, с разрядами из удаленных от башни очагов. Через некоторый промежуток времени порядка 20-30 минут может произойти разряд молнии в сооружение с вероятностью PpajpT0»6. В реализациях этой подгруппы не отмечается наличие плавного тока, связанного с высоким градиентом электрического поля у острия. Следовательно, разряд в сооружение не связан с очагами, находящимися непосредственно у острия. Можно предполагать, что разряды возникают благодаря эффекту стягивания молний к высокому объекту. Вследствие большой высоты сооружения может возникнуть значительная горизонтальная составляющая электрического поля при развитии молнии на некотором расстоянии от острия. В результате одна из ветвей лидера может отклониться в направлении сооружения и поразить его.
Подтверждением вышесказанному могут служить реализации Vd , зафиксированные 7.08.72, 13.07.73, 7.05.74 и т.д., на которых отмечены импульсы тока, совпавшие с разрядами в бащню. Метеослужба отмечала при этом удаленную грозу в радиусе более 3-х км от сооружения.
Оценка вероятностных характеристик краткосрочного локального прогноза грозовой ситуации в районе высокого сооружения по токам коронного разряда
Полученное уравнение имеет следующий физический смысл: из теории коронного разряда известно, что при коронировании острия вокруг него создается объемный заряд, который ослабляет поле, вызывающее разряд. Объемный заряд при определенных условиях может даже прекратить коронирование или создать ток, нап равленный против поля. Ветер сносит объемный заряд тем интенсивнее, чем больше скорость ветра. Естественно, ток короны при этом увеличивается.
Очевидно, уравнение /3.3.1/ не совсем корректно, т.к. не учитывает того факта, что даже при однозначных облаках с одной высотой нижней кромки могут возникать различные градиенты потенциала, определяемые как величиной заряда облака, так и расстоянием его от объекта. Тем не менее тенденция к увеличению тока с ростом скорости верра просматривается достаточно четко, что позволяет использовать полученное уравнение регрессии при оценке результатов экспериментальных исследований. Например, при определении с помощью коронных токов направления на заряженный очаг или порогового тока в системах грозооповещения массив исследуемых данных должен быть выбран в соответствии с уравнением 3.3.1.
Для установления связи исследовалось 40 реализаций КТ группы Ь , полученных при облаках /№ и о , при скоростях ветра на Н-503 м от 8 до 10 м/с, при высоте нижней кромки 600м, В таблице 3,9.5 приведены следующие данные: N - число исследованных реализаций с положительным и отрицательным экстремумом амплитудн, средние значения амплитуды КТ при интенсивности осадков соответственно слабой, умеренной и сильной /116/.
Анализ данных таблицы 3.3.5 позволяет установить, что увеличение интенсивности осадков приводит к уменьшению амплитуды положительного тока и к увеличению отрицательных амплитуд при облажных дождях /облака № /. При ливневых дождях / обяа-ка СЬ J наблюдается обратная картина: увеличение интенсивности дождя ведет к увеличению положительных и уменьшению отрицательных амплитуд тока. Естественно предположить, что капли дождя, выпадая из облака, выносяв на себе часть его заряда.
Заряд противоположного знака, остающийся в облаке, создает дополнительный градиент потенциала вблизи острия. С этим связано увеличение или уменьшение амплитуды КТ. Основываясь на данных таблицы 3.3.5 можно предположить, что обложной дождь выносит из облака положительный заряд, а ливневый - отрицательный. Это в свою очередь указывает на возможность выпадения осадков практически из любой части облака.
Полученные результаты необходимо учитывать при оценке результатов исследований тока с острия. Исследуемые массивы данных должны быть получены при условии однозначности осадков.
При анализе записей коронного тока с измерительных электродов, расположенных по круговой схеме /рис.2.2.3/, был обнаружен эффект экранирования коронирующих электродов конструкциями башни. Эффект может быть вызван рядом причин. При расположении облачного заряда ниже вершины башни возникает значительная горизонтальная составляющая электрического поля вблизи электродов. Конструкция башни, расположенная между зарядом и электродом, является электростатическим экраном, ослабляющим поле у экранированного электрода. Кроме того ствол башни является достаточно мощным ветровым экраном. При этом наблюдается значительная разница в скоростях ветра у наветренного и подветренного электродов, что, в свою очередь, приводит к сносу объемного заряда у наветренного электрода и увеличению коронного тока. Эффект может возникать как при близком, так и при удаленном заряженном очаге І На рис. 3.4.1 приведен схематический чертеж экранирующих конструкций башни: А - монтажная площадка диаметром 2,2 м, выполненная из шве-леров, труб диаметром 87 мм, а также арматуры периодического профиля Ф = 14 мм, смонтированной с шагом 100-70 мм; Б - технический балкон диаметром 2,6 м, выполненный из материалов аналогично площадке А; В - ствол башни цилиндрической формы диаметром 720 мм.
Для оценки эффекта экранирования был проведен анализ 54 реализаций, полученных синхронно с трех измерительных электродов одинаковой стержневой формы и электрода-молниепржишшка.
