SYSTEMY REJESTRACJI WYŁADOWAŃ ATMOSFERYCZNYCH

P O Z N A N UN I VE RS I T Y O F T E C HN O L O G Y ACA D E MI C J O UR N A L S
No 86
Electrical Engineering
2016
Krzysztof MAKAR*
SYSTEMY REJESTRACJI
WYŁADOWAŃ ATMOSFERYCZNYCH
W referacie zostały przedstawione systemy automatycznej detekcji wyładowań atmosferycznych, różnych operatorów, działające na terenie Polski. Opisano podstawowe
parametry tych systemów, możliwości pomiarowe i dokładność uzyskanych danych.
Parametry wyładowań piorunowych otrzymanych za pomocą metod współczesnych,
zostały porównane z rejestracjami przeprowadzonymi metodami klasycznymi. Zwrócono uwagę na znaczącą różnice w obliczeniach powierzchniowej gęstości wyładowań dla
tych samych miejsc, różnymi metodami i ich wpływ na projektowanie ochrony odgromowej obiektów budowlanych.
SŁOWA KLUCZOWE: rejestracja wyładowań atmosferycznych, LINET
1. WSTĘP
Według różnych danych meteorologicznych na świecie występuje jednocześnie od 2 do 5 tys burz, które powodują ok. 100 wyładowań piorunowych na
sekundę z czego 10–20% stanowią wyładowania doziemne [3].
Aktualnie wykorzystywane techniki lokalizacji i detekcji wyładowań atmosferycznych opierają się głównie na wykrywaniu promieniowania przez nie generowanego na różnych etapach jego rozwoju. Wyładowania piorunowe w zależności od typu i fazy rozwoju generują promieniowanie elektromagnetyczne
i fale akustyczne o różnym natężeniu i różnych formach [1]:
– promieniowanie elektromagnetyczne w paśmie częstotliwości widzialnych,
– promieniowanie elektromagnetyczne w paśmie częstotliwości radiowych,
– fale akustyczne.
Obecnie do detekcji i lokalizacji wyładowań najczęściej wykorzystuje się
dwa pierwsze ze skutków wymienionych wyżej. Promieniowanie w paśmie
częstotliwości radiowych wykorzystywane jest głównie w naziemnych systemach wykrywania wyładowań, a promieniowanie w paśmie częstotliwości widzialnych w systemach satelitarnych. Akustyczne fale ze względu na ograniczony zasięg wykorzystywane były tylko w przypadku lokalnych systemów
badawczych o krótkim zasięgu.
__________________________________________
* Politechnika Białostocka.
342
Krzysztof Makar
2. ROZWÓJ METOD REJESTRACJI WYŁADOWAŃ
ATMOSFERYCZNYCH
Pierwsze metody pomiaru parametrów wyładowań atmosferycznych mają
swój początek w XX wieku. Wykorzystywano w tym celu: wolnobieżne aparaty
wirujące (Walter 1902 r.), elektrometry (Wilson 1916 r.), jak również antenowe
metody pelengacyjne (np. Popow na początku XX w.). Duże nasilenie prac nad
technikami obserwacji i rejestracji wyładowań miało miejsce w USA w latach
trzydziestych XX wieku, głównie z zastosowaniem klidonografów i pręcików
magnetycznych (Foust 1931 r. i 1932 r.). Następnie w latach pięćdziesiątych
i sześćdziesiątych w Europie używano liczników wyładowań piorunowych,
zwłaszcza po akceptacji przez CIGRE ich standardowych konstrukcji dla częstotliwości 500 Hz i 10 kHz. Warto przytoczyć również fakt, iż w Polsce w tym
czasie również dokonywano licznych rejestracji wyładowań atmosferycznych
z zastosowaniem pręcików magnetycznych i klidonografów (prof. S. Szpor
w latach 1950–70) [3].
Lata 70 i 80 ubiegłego wieku zapoczątkowały intensywny rozwój metod detekcji wyładowań atmosferycznych, na podstawie rejestracji pola elektromagnetycznego, które emitowane jest przez kanał wyładowania oraz analizy numerycznej przebiegów czasowych i amplitudy natężenia tego pola. Lata 90 rozpoczynają kolejny etap rozwoju technik rejestracji wyładowań piorunowych. Na
całym świecie instalowano rozbudowane systemy anten, oparte na różnych technikach detekcji, które tworzyły sieci lokalizacji wyładowań zarówno doziemnych jak i między chmurami [2].
Podczas wstępnego etapu rozwoju wyładowania następuje emisja pola elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości (VHF), następnie podczas wyładowania głównego emitowana jest największa energia w paśmie małych (LF) i bardzo
małych częstotliwości (VLF). Zależenie od częstotliwości sygnałów wykorzystywanych przez detektor stosowane są różne techniki lokalizacji wyładowań [6].
Systemy rejestracji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych, obecnie użytkowane na świecie opierają się na technikach [3]:
– metoda MDF (ang. Magnetic Direction Finding) – polegająca na magnetycznym wykrywaniu kierunku propagacji fali elektromagnetycznej wytwarzanej
przez wyładowania,
– metoda TOA (ang. Time of Arrival) – polega na pomiarze czasu dotarcia fali
elektromagnetycznej od miejsca wyładowania do sensoru pomiarowego,
– metoda interferometryczna – polega na pomiarze różnicy faz fali elektromagnetycznej mierzonej za pomocą dwóch anten.
Najstarszą metodą lokalizacji wyładowań atmosferycznych, używaną powszechnie do tej pory, jest technika MDF. Metoda ta wykorzystuje co najmniej
dwie anteny kierunkowe rozmieszczone w różnych miejscach. Lokalizacja źródła
Systemy rejestracji wyładowań atmosferycznych
343
sygnału odbywa się za pomocą intersekcji azymutu rejestrowanego za pomocą
anten. Zależnie od kąta rozchodzenia sie fali, w każdej z anten indukuje się sygnał
o różnej polaryzacji i amplitudzie. Odebrane sygnały są próbkowane i porównywane, na podstawie tego wyznaczany jest azymut kąta określający kierunek
z którego przychodzi fala. Każda z anten wyposażona jest w mikrokomputer, który koduje sygnały, określa czas i kąt wyładowania amplitudę sygnału oraz liczbę
wyładowań w jednym uderzeniu pioruna. Poprzez Internet lub inne łącze komunikacyjne dane migrują do centralnego analizatora. Ten przetwarza otrzymane wyniki i udostępnia ja w formie wydruku lub wizualizacji na tle mapy obserwowanego obszaru. Anteny powinny być oddalone o ok 200–300 km od siebie aby uzyskać odpowiednio dużą dokładność i efektywność lokalizacji. Aby lokalizacja
wyładowań piorunowych odbywała sie w prawidłowy sposób należy rozmieścić
co najmniej 3 anteny na danym obszarze i zastosować metodę triangulacji.
Kolejną metodą lokalizacji wyładowań jest technika TOA, która polega na
bardzo dokładnym pomiarze różnicy czasów, w których sygnał wytworzony
przez wyładowanie piorunowe, został zarejestrowany w poszczególnych antenach. Sygnał dociera do każdej z anten w innym czasie zależnie od dystansu
dzielącego miejsce wyładowania a odbiornik. Dzięki wykorzystaniu systemu
GPS (ang. Global Positioning System) czas ten jest mierzony z dokładnością do
100 ns. Dokładna lokalizacja wystąpienia wyładowania jest obliczana na podstawie różnic czasowych z minimum trzech anten na podstawie przecięcia się
hiperbol będących zbiorem punktów o jednakowych różnicach czasu między
poszczególnymi parami sensorów. W niektórych przypadkach niezbędne są dane
z czterech anten. Systemy skonstruowane z wykorzystaniem tej techniki mogą
rejestrować zarówno wyładowania doziemne jak i między chmurami w zakresie
odległości nawet do 1000 km. Metoda ta wykorzystywana jest m.in w niemieckim systemie BLIDS [3].
Inna metodą lokalizacji wyładowań atmosferycznych jest metoda interferometryczna oparta na pomiarze różnicy faz fali elektromagnetycznej odbieranej
przez dwie anteny rozmieszczone w niewielkiej odległości od siebie. Sygnały
rejestrowane przez poszczególne anteny mają równe sobie amplitudy a są
względem siebie przesunięte. Otrzymane różnice fazowe są podstawą do wyliczenia azymutów propagacji sygnału i co za tym idzie, miejsca wystąpienia wyładowania. Lokalizacja wyładowania odbywa się za pomocą co najmniej dwóch
par anten na podstawie sygnałów rejestrowanych w paśmie LF i umożliwia wykrywanie zarówno wyładowań doziemnych jak i między chmurami [3, 6].
Używane są również systemy hybrydowe stanowiące połączenie kilku metod.
Przykładem może być system IMPACT (Improved Accuracy Using Combined
Technology) który powstał na bazie połączenia technik TOA oraz MDF. Jednoczesna rejestracja azymutu oraz czasu wyładowania pozwala na uzyskanie bardzo dobrej dokładności lokalizacji nawet w przypadku uzyskania danych tylko
344
Krzysztof Makar
z dwóch anten. Systemy IMPCT wykorzystywane są obecnie w większości krajów europy [6].
Opisane wyżej techniki detekcji wyładowań piorunowych w ostatnich latach
zostały w istotny sposób rozwinięte i udoskonalone. Obecnie systemy rejestracji
umożliwiają wyznaczanie wartości maksymalnej prądu piorunowego, biegunowość prądu, współrzędne geograficzne miejsca wystąpienia wyładowania oferują również obróbkę statystyczną i archiwizacje danych [3].
3. SYSTEMY REJESTRACJI WYŁADOWAŃ
ATMOSFERYCZNYCH W POLSCE
Do roku 2000 dane statystyczne dotyczące wyładowań piorunowych w Polsce były dostępne w formie zestawienia dni burzowych w poszczególnych latach, pozyskiwanych od obserwatoriów meteorologicznych. Publikowane były
one w postaci map izokeraunicznych.
Obecnie w Polsce funkcjonują dwa systemy lokalizacji wyładowań atmosferycznych. Pierwszym z nich jest system PERUN (SAFIR) którego operatorem
jest Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Warszawie. Drugim systemem jest system LINET którego operatorem jest Uniwersytet w Monachium [5].
Skutki wielkiej powodzi w 1997 r. wpłynęły na przyśpieszenie opracowania
polskiego systemu rejestracji i lokalizacji wyładowań piorunowych, który jednocześnie spełnia funkcje ostrzegania przed niebezpieczeństwem intensywnych
opadów. Od 2002 r. funkcjonuje system detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych PERUN w skład którego wchodzi 9 anten SAFIR 3000 rozmieszczonych w: Białymstoku, Kaliszu, Olsztynie, Gorzowie Wlkp., Włodawie, Toruniu, Sandomierzu, Częstochowie i Warszawie (rys. 1).
Rys. 1. Rozmieszczenie stacji pomiarowych systemu PERUN [7]
Systemy rejestracji wyładowań atmosferycznych
345
System SAFIR opiera się na interferometrycznej technice pomiaru różnicy
fazy fali elektromagnetycznej w paśmie VHF i umożliwia detekcje wyładowań
doziemnych CG i chmurowych CC. Poza siecią detekcji w skład systemu wchodzi również centralny system przetwarzania danych zlokalizowany w Warszawie, terminale użytkowników oraz system przesyłu danych z wykorzystaniem
łączy satelitarnych (w przypadku 7 stacji). Anteny rozmieszczone są co około
200 km, według producenta pozwala to na lokalizacje z jednokilometrową dokładnością i skutecznością na poziomie 95%. Rzeczywista efektywność rejestracji jest znacznie mniejsza i wynosi ok. 60–70% [2].
Mała efektywność systemu spowodowana jest brakami w konfiguracji systemu (anteny nie są rozmieszone w sposób optymalny). Poszczególne sensory
synchronizowane są ze sobą za pomocą sygnału GPS. System PERUN dostarcza
informacje o wyładowaniach takie jak: współrzędne geograficzne, maksymalna
wartość prądu, czasy narastania i zaniku impulsu prądowego oraz polaryzacja
i typ wyładowania.
W 2006 r. w ramach porozumienia pomiędzy Uniwersytetem w Monachium
i Politechnikami Warszawską, Białostocką, Gdańską, Rzeszowską oraz firmą
Galmar, wprowadzono na terenie Polski nowy system lokalizacji wyładowań
piorunowych o nazwie LINET. System został stworzony przez zespół z Uniwersytetu w Monachium i firmy Nowcast. Początkowo system ten składał się
z 5 anten (w Polsce), aktualnie w jego skład wchodzi 14 anten na terenie Polski
(rys. 2).
Rys. 2. Rozmieszczenie sensorów systemu LINET na terenie Polski [8]
346
Krzysztof Makar
System LINET wykorzystuje metodę TOA i opiera swoje działanie na detekcji wyładowań atmosferycznych w paśmie częstotliwości VLF/LF. Rejestracja
odbywa się w czasie rzeczywistym z wysoką precyzją lokalizacji i duża dokładnością parametrów wyładowań. System zapewnia rejestracje wszystkich wyładowań, zarówno wyładowań doziemnych CG jak i wewnątrz chmury IC czy
pomiędzy chmurami CC. Wyładowania IC są rejestrowane w trzech wymiarach
z określeniem ich wysokości od powierzchni ziemi. Możliwe jest to dzięki antenom rejestrującym składową magnetyczną pola i centralnemu systemowi przetwarzania danych. Na rys. 3 widoczna jest antena systemu LINET znajdująca się
na dachu Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej. System ten rejestruje i lokalizuje wyładowania zarówno o małych (ok. 2 kA) jak i dużych wartościach szczytowych prądów. W Polsce średni błąd lokalizacji miejsca wyładowania doziemnego wynosi 100 m.
Rys. 3. Antena detekcyjna systemu LINET zainstalowana na dachu Wydziału Elektrycznego
Politechniki Białostockiej
Głównymi zaletami systemu LINET są:
– zbliżona czułość w wykrywaniu wyładowań doziemnych i między chmurami;
– możliwość wyznaczenia wysokości źródła emisji w przypadku wyładowań
między chmurami;
– bardzo dobra dokładność określenia miejsca lokalizacji wyładowania;
– niskie koszty instalacji i eksploatacji systemu.
Od roku 2009 wszystkie dane z systemu LINET są udostępniane na zasadach
komercyjnych dla wszystkich zainteresowanych na stronie operatora systemu
(firma Nowcast) [3, 4, 6].
Systemy rejestracji wyładowań atmosferycznych
347
Poza wyżej opisanymi najpopularniejszymi systemami detekcji wyładowań
atmosferycznych na terenie Polski, występuje również system CELDN obejmujący swym zasięgiem znaczną cześć kraju. System ten był pierwszym systemem
zainstalowany na obszarze Polski (2000 r.). System składa się z 3 anten i bazuje
na technice TOA. Jest zintegrowany z siecią CELDN (Central European Lightning Detection Network), będącą częścią ogólnoeuropejskiego programu detekcji wyładowań EUCLID. System zbudowany jest z anten typu IMPACT
i LPATS IV. Na obszarze Polski wyładowania doziemne CG lokalizowane są
z dokładnością od 0,5 do 2km. Operator deklaruje również efektywność detekcji
na poziomie od 50% na wschodzie do 90% na zachodzie Polski. Dane z sieci
CELDN są udostępniane na zasadach komercyjnych przez operatora sieci tj.
firmę Simens–BLIDS [3].
4. ZASTOSOWANIE DANYCH POZYSKANYCH Z SYSTEMÓW
DETEKCJI WYŁADOWAŃ ATMOSFERYCZNYCH
Wyładowania atmosferyczne są zjawiskiem, które obecny poziom rozwoju
techniki pozwala skutecznie rejestrować nawet ze znacznych odległości. Burze
i pioruny najczęściej towarzyszą takim zjawiskom atmosferycznym jak ulewne
deszcze czy huragany, co za tym idzie detekcja wyładowań atmosferycznych
może ostrzegać przed nadciągającymi żywiołami [6].
Dane o wyładowaniach piorunowych, pochodzące z systemów rejestracji,
mogą być wykorzystywane w czasie rzeczywistym i w postaci zarchiwizowanej.
Dane w czasie rzeczywistym wykorzystywane są do [2]:
– monitorowania dowolnie wybranych obiektów takich jak linie elektroenergetyczne czy stacje telekomunikacyjne w czasie burzy, co umożliwia szybką
lokalizacje miejsc ich uszkodzenia w wyniku wyładowań piorunowych oraz
ułatwia podejmowanie decyzji operacyjnych,
– śledzenia przemieszczania się wyładowań atmosferycznych, dzięki czemu
można skutecznie ostrzegać ekipy remontowe wykonujące prace na liniach i
stacjach, wprowadzić stan gotowości na wypadek zagrożenia ludzi i obiektów na otwartym terenie, prowadzić w sposób racjonalny działania prewencyjne na wypadek wystąpienia burzy z piorunami nad obiektami z wrażliwymi urządzeniami elektronicznymi.
Zarchiwizowane dane pochodzące z systemów rejestracji wyładowań atmosferycznych, z kolei, są niezbędne do określenia miejsc wystąpienia i liczby wyładowań określonego typu – głównie wyładowań doziemnych. Dane takie wykorzystuje się do [2]:
– optymalizacji metod i środków ochrony odgromowej obiektów,
– rozpoznawania obiektów telekomunikacyjnych i energetycznych szczególnie
podatnych na wyładowania atmosferyczne,
348
Krzysztof Makar
– analizy regionalnych i lokalnych gęstości władowań piorunowych istotnych
w ocenie ryzyka zagrożenia piorunowego,
– analizy czynników oraz parametrów mogących wpłynąć na ekonomiczne
koszty ochrony odgromowej,
– zestawień statystycznych szkód wywołanych przez wyładowania atmosferyczne.
Według meteorologów ocieplenie klimatu prowadzi do wzrostu liczby wyładowań piorunowych. Według szacunków liczba wyładowań rośnie średnio
o 50% na każdy stopień wzrostu temperatury. Przyjmując słuszność tej tezy,
należy się spodziewać znacznego wzrostu wartości wyładowań atmosferycznych. Wzrost liczby wyładowań piorunowych należy uwzględnić podczas projektowania systemów ochrony odgromowej [6].
Podczas podejmowania decyzji o konieczności stosowania urządzenia piorunochronnego i wyboru jego rodzaju należy uwzględnić miedzy innymi gęstość
wyładowań atmosferycznych w miejscu lokalizacji rozważanego obiektu. Zaznaczona na mapie (rys. 4) linia równoleżnikowa 51̊30' pokazuje stosowany
w tradycyjnej metodzie sposób podziału kraju na dwie strefy charakteryzowane
przez średnie roczne liczby wyładowań 1,8/km2 na północ i 2,5/km2 na południe
od tej linii. Rzeczywista gęstość wyładowań może znacząco odbiegać od tego
modelu. Informacje dostępne z systemów rejestracji wyładowań atmosferycznych, dotyczące gęstości wyładowań w strefie na północ od zaznaczonego równoleżnika nie obiegają znacząco od przyjętych, klasycznych wartości. Natomiast
w strefie południowej gęstości wyładowań rejestrowane za pomocą systemów
detekcji i lokalizacji przewyższają przyjęte wartości średnio o 30%, w skrajnych
przypadkach dochodząc nawet do 200%.
Rys. 4. Umowna granica podziału kraju na strefy ze względu na średnie roczne liczby wyładowań
Systemy rejestracji wyładowań atmosferycznych
349
Różnice pomiędzy wynikami uzyskanymi z współczesnych systemów rejestracji, a uzyskanymi metodami klasycznymi dotyczą również wartości szczytowych prądu. Klasyczne metody mówią iż wartość średnia prądu piorunowego
(dla prawdopodobieństwa 50%) wynosi 30 kA, z kolei na podstawie danych
z systemu LINET szacuje się ją na ok. 14 kA. Mimo tego znaczna cześć projektantów, w dalszym ciągu używa klasycznych wytycznych w procesie projektowania ochrony odgromowej [3].
5. PODSUMOWANIE
Na dzień dzisiejszy pełne dane o wyładowaniach atmosferycznych są dostępne
głównie z dwóch systemów automatycznej detekcji – PERUN i LINET. Obydwa
systemy rejestrują wyładowania odziemne, wewnątrz chmury i pomiędzy chmurami.
System LINET charakteryzuje się dużo lepszą efektywnością detekcji wyładowań doziemnych i dokładnością wyznaczanej lokalizacji, w porównaniu do
systemu PERUN. System LINET dostarcza również dane o wysokości wyładowań wewnątrz chmurowych nad poziomem ziemi.
Parametry wyładowań piorunowych uzyskane z współczesnych systemów
detekcji odbiegają od wyników otrzymanych metodami klasycznymi. Przyjecie
większych wartości gęstości wyładowań uzyskanych z systemów rejestracji
może nie tylko, zmienić zaprojektowany pierwotnie poziom ochrony odgromowej, ale w niektórych przypadkach wskazywać konieczność stosowania ochrony
w obiektach pierwotnie jej nie wymagających. Natomiast mniejsze wartości
szczytowe prądów uzyskane za pomocą systemów rejestracji, mogą sugerować
obniżenie poziomu ochrony w porównaniu do otrzymanego metodą klasyczną.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Bodzak P., System detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych, Gazeta
Obserwatora IMGW nr 5, 2004.
Łoboda M., Aktualizacja danych o częstotliwości doziemnych wyładowań atmosferycznych w Polsce do oceny ryzyka zagrożenia piorunowego obiektów
budowlanych, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej z 33, 2013.
Łoboda M., Detekcja wyładowań atmosferycznych na obszarze Polski, Przegląd
Elektrotechniczny nr 9, 2009.
Łoboda M., Porażenia piorunem ludzi w Polsce, Elektro–Info, nr 5, 2009.
Wiater J., Pożary spowodowane wyładowaniami piorunowymi, Wiadomości
Elektrotechniczne nr 6, 2012.
Wojtas S, Olesz M., Wpływ wyników rejestracji wyładowań atmosferycznych na
projektowanie ochrony odgromowej, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej nr 27, 2010.
www.imgw.pl
www.nowcast.pl
350
Krzysztof Makar
AUTOMATIC OPERATED LIGHTNING DETECTION SYSTEMS
In the paper are described automatic operated lightning detection systems, currently
installed in Poland and operated independently by different companies. Some basic
informations related to systems, configurations, their ability of different type of
lightning discharges detection, lay–outs as well assessment of the individual systems
quality of lighting data and exemplary recorded data are presented. Parameters of lightning discharges obtained by the methods of today, were compared with the registrations
made by classical method.
(Received: 26. 02. 2016, revised: 3. 03. 2016)