SYSTEMY REJESTRACJI WYŁADOWAŃ ATMOSFERYCZNYCH

(1)

__________________________________________

* Politechnika Białostocka.

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. Zwróco- no 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 jednocze- śnie 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 ge- nerowanego na różnych etapach jego rozwoju. Wyładowania piorunowe w za- leżności 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 ograni- czony zasięg wykorzystywane były tylko w przypadku lokalnych systemów badawczych o krótkim zasięgu.

(2)

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 często- tliwości 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 elektromagne- tycznego, które emitowane jest przez kanał wyładowania oraz analizy nume- rycznej przebiegów czasowych i amplitudy natężenia tego pola. Lata 90 rozpo- czynają 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 elek- tromagnetycznego wysokiej częstotliwości (VHF), następnie podczas wyładowa- nia głównego emitowana jest największa energia w paśmie małych (LF) i bardzo małych częstotliwości (VLF). Zależenie od częstotliwości sygnałów wykorzysty- wanych przez detektor stosowane są różne techniki lokalizacji wyładowań [6].

Systemy rejestracji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych, obecnie użyt- kowane na świecie opierają się na technikach [3]:

– metoda MDF (ang. Magnetic Direction Finding) – polegająca na magnetycz- nym 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 elektroma-

gnetycznej mierzonej za pomocą dwóch anten.

Najstarszą metodą lokalizacji wyładowań atmosferycznych, używaną po- wszechnie do tej pory, jest technika MDF. Metoda ta wykorzystuje co najmniej dwie anteny kierunkowe rozmieszczone w różnych miejscach. Lokalizacja źródła

(3)

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 porówny- wane, na podstawie tego wyznaczany jest azymut kąta określający kierunek z którego przychodzi fala. Każda z anten wyposażona jest w mikrokomputer, któ- ry koduje sygnały, określa czas i kąt wyładowania amplitudę sygnału oraz liczbę wyładowań w jednym uderzeniu pioruna. Poprzez Internet lub inne łącze komuni- kacyjne dane migrują do centralnego analizatora. Ten przetwarza otrzymane wy- niki i udostępnia ja w formie wydruku lub wizualizacji na tle mapy obserwowane- go obszaru. Anteny powinny być oddalone o ok 200–300 km od siebie aby uzy- skać 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 ante- nach. 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 niemiec- kim 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 wyli- czenia azymutów propagacji sygnału i co za tym idzie, miejsca wystąpienia wy- ładowania. Lokalizacja wyładowania odbywa się za pomocą co najmniej dwóch par anten na podstawie sygnałów rejestrowanych w paśmie LF i umożliwia wy- krywanie 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. Jedno- czesna rejestracja azymutu oraz czasu wyładowania pozwala na uzyskanie bardzo dobrej dokładności lokalizacji nawet w przypadku uzyskania danych tylko

(4)

z dwóch anten. Systemy IMPCT wykorzystywane są obecnie w większości kra- jów 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, bieguno- wość prądu, współrzędne geograficzne miejsca wystąpienia wyładowania oferu- ją również obróbkę statystyczną i archiwizacje danych [3].

3. SYSTEMY REJESTRACJI WYŁADOWAŃ ATMOSFERYCZNYCH W POLSCE

Do roku 2000 dane statystyczne dotyczące wyładowań piorunowych w Pol- sce 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 jedno- cześnie 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 rozmiesz- czonych w: Białymstoku, Kaliszu, Olsztynie, Gorzowie Wlkp., Włodawie, To- runiu, Sandomierzu, Częstochowie i Warszawie (rys. 1).

Rys. 1. Rozmieszczenie stacji pomiarowych systemu PERUN [7]

(5)

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 Warsza- wie, 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 do- kładnością 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 Uniwer- sytetu 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]

(6)

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 dokład- nością parametrów wyładowań. System zapewnia rejestracje wszystkich wyła- dowań, 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 ante- nom 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 reje- struje i lokalizuje wyładowania zarówno o małych (ok. 2 kA) jak i dużych war- tościach szczytowych prądów. W Polsce średni błąd lokalizacji miejsca wyła- dowania 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].

(7)

Poza wyżej opisanymi najpopularniejszymi systemami detekcji wyładowań atmosferycznych na terenie Polski, występuje również system CELDN obejmu- jący 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 Light- ning 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 elektroenerge- tyczne 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 obiek- tów na otwartym terenie, prowadzić w sposób racjonalny działania prewen- cyjne na wypadek wystąpienia burzy z piorunami nad obiektami z wrażli- wymi urządzeniami elektronicznymi.

Zarchiwizowane dane pochodzące z systemów rejestracji wyładowań atmosferycznych, z kolei, są niezbędne do określenia miejsc wystąpienia i liczby wy- ładowań 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,

(8)

– 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 wyła- dowań 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 pro- jektowania systemów ochrony odgromowej [6].

Podczas podejmowania decyzji o konieczności stosowania urządzenia pioru- nochronnego i wyboru jego rodzaju należy uwzględnić miedzy innymi gęstość wyładowań atmosferycznych w miejscu lokalizacji rozważanego obiektu. Za- znaczona 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 rów- noleżnika 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

(9)

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 projek- tantów, w dalszym ciągu używa klasycznych wytycznych w procesie projekto- wania 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 wyła- dowań doziemnych i dokładnością wyznaczanej lokalizacji, w porównaniu do systemu PERUN. System LINET dostarcza również dane o wysokości wyłado- wań 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] Bodzak P., System detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych, Gazeta Obserwatora IMGW nr 5, 2004.

[2] 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.

[3] Łoboda M., Detekcja wyładowań atmosferycznych na obszarze Polski, Przegląd Elektrotechniczny nr 9, 2009.

[4] Łoboda M., Porażenia piorunem ludzi w Polsce, Elektro–Info, nr 5, 2009.

[5] Wiater J., Pożary spowodowane wyładowaniami piorunowymi, Wiadomości Elektrotechniczne nr 6, 2012.

[6] Wojtas S, Olesz M., Wpływ wyników rejestracji wyładowań atmosferycznych na projektowanie ochrony odgromowej, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechni- ki i Automatyki Politechniki Gdańskiej nr 27, 2010.

[7] www.imgw.pl [8] www.nowcast.pl

(10)

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)