DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2020.02.20

Статистичне моделювання просування блискавки в напрямку наземних об’єктів

Svitlana Lytvynenko

Анотація


Запропоновано огляд методів фізичного та математичного моделювання процесу просування лідера блискавки з метою порівняння ефективності їхнього застосування при обранні засобу блискавкозахисту наземного об’єкта: дослідження фізичних процесів з використанням тригерної блискавки, запущеної ракетою, моделювання з використанням електро-геометричних методів та фрактальних моделей, та ін. Докладно розглянуте статистичне моделювання, яке описує процес просування лідера блискавки на останній фазі в напрямку наземного об’єкта, з урахуванням стохастичного характеру просування лідера на попередньому етапі. За використання статистичного моделювання є можливим обчислення часу просування низхідного лідера блискавки з висоти, на якій відбувається орієнтування на об’єкт, з урахуванням можливості виникнення від об’єкту зустрічного лідера протилежної полярності. Обчислений масив часу просування каналу лідера від кожної точки грозової хмари використаний при обчисленні ймовірності прикріплення низхідного лідера до наземного об’єкта за використання критерію «найбільший час-найменша ймовірність». Моделювання виконується з використанням систематизованих експериментальних даних, отриманих при численних дослідженнях тих електрофізичних процесів, які визначають напрямок просування лідерного каналу блискавки та визначають момент та місце в просторі початку орієнтування лідера на об’єкт: розподіл напруженості електричного поля навколо верхівки лідера та у повітряному проміжку, струм зворотного удару, рівень потенціалу верхівки каналу лідера, зміна швидкості просування лідерного каналу та ін. Використання інформації про статистичний розподіл величин струмів та потенціалів дозволило обчислити ймовірність ураження кожної ділянки об’єкту, враховуючи також і бічні удари. Розрахунки показали можливість використання запропонованої методики для оцінки ефективності системи блискавкозахисту при проектуванні через порівняння ймовірності ураження наземного об’єкта та середньорічної кількості прогнозованих ударів для різних систем блискавкозахисту.


Ключові слова


статистичне моделювання; електрофізичні процеси; лідерний канал блискавки; блискавкозахист; ймовірність ураження блискавкою; прогнозована кількість ударів

Повний текст:

PDF

Посилання


Schoene J., Uman M. A., Rakov V. A., Rambo K. J., Jerauld J., Mata C. T., Mata A. G., Jordan D. M., and Schnetzer G. H. Characterization of return-stroke currents in rocket-triggered lightning. Journal of geophysical research, 2009. vol. 114, D03106, doi:10.1029/2008JD009873.

Wang D., Gamerota W. R., Uman M. A., Takagi N., Hill J. D., Pilkey J., Ngin T., Jordan D. M., Mallick S., Rakov V. A. Lightning attachment processes of an “anomalous” triggered lightning discharge. J. Geophys. Res. Atmos., 2014, vol. 119, pp. 1524–1533, doi:10.1002/2013JD020787.

Tran M. D., and Rakov V. A. Initiation and propagation of cloud-to-ground lightning observed with a high-speed video camera. Sci. Rep., 2016, vol. 6, 39521, doi: 10.1038/srep39521.

DSTU EN 62305:2012 “Blyskavkozakhyst” (ІЕС 62305:2011, IDT) Kyiv, Derzhstandart Ukrainy, 2012, 419 р.

IEC 62305-3. International standard “Protection against lightning – Part 3: Physical damage and life hazard”, Geneva: IEC, 2010. 160 р.

Arevalo L., Cooray V. The mesh method’ in lightning protection standards – Revisited. Journal of Electrostatics, 2010, vol. 68, pp.311-314, doi 10.1016/j.elstat.2010.03.003

D'Alessandro F., Gumley J.R., A “Collection Volume Method” for the placement of air terminals for the protection of structures against lightning, Journal of Electrostatics, 2001, vol. 50, Issue 4, pp. 279-302

Lalande P., Bondiou-Clergerie A., Laroche P., Bacchiega G. L., Bonamy A., Gallimberti I., Eybert-Berard A., Berlandis J. P., Bador B. Modelling of the lightning connection process to a ground structure. Int. Conf. on Lightning Protection Florence (Italy), 23-27 sept. 1996.

Petrov N. I., Petrova G. N., D'Alessandro F. Quantification of the probability of lightning strikes to structures using a fractal approach. Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on. 2003, vol. 10, pp. 641 – 654, doi 10.1109/TDEI.2003.1219649.

Rezinkina M. M., Knjazev V. V., Kravchenko V. I. Statisticheskaja model' processa orientirovki lidera molnii na nazemnye ob’ekty. Zhurnal tehnicheskoj fiziki, 2005, Vol. 75, vyp. 9, pp. 44-51.

Sokol E. I., Rezinkina M. M., Rezinkin O. L., Grib O. G., Svetlichnaja E. E. Statisticheskaja model' dlja opredelenija verojatnosti porazhenija molniej nazemnyh ob’ektov. Tehn. elektrodinamіka. 2016, № 2, pp. 11-18.

Cooray V. Lightning Protection. London: The Institution of Engineering and Technology, 2010, 1036 р.

Bazelyan E. M., Raizer Yu. P. Lightning physics and lightning protection. Bristol: Institute of Physics, 2000, 325 р.

Uman M. A. The Art and Science of Lightning Protection. New York: Cambridge University Press, 2008, 240 p.

Rezinkina M., Rezinkin O. and Lytvynenko S. Simulation of Electrical Physical Processes in Electro-Energetic Systems at Thunderstorm Conditions, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET): Proceedings of the 15th International Conference (Lviv-Slavske, Ukraine, 25–29 February 2020). IEEE, 2020, pp. 106-108.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Schoene J., Uman M. A., Rakov V. A., Rambo K. J., Jerauld J., Mata C. T., Mata A. G., Jordan D. M., and Schnetzer G. H. Characterization of return-stroke currents in rocket-triggered lightning, Journal of geophysical research. 2009. vol. 114, D03106. doi:10.1029/2008JD009873.
  2. Wang D., Gamerota W. R., Uman M. A., Takagi N., Hill J. D., Pilkey J., Ngin T., Jordan D. M., Mallick S., Rakov V. A. Lightning attachment processes of an “anomalous” triggered lightning discharge. J. Geophys. Res. Atmos. 2014. vol. 119. P. 1524–1533. doi:10.1002/2013JD020787.
  3. Tran M. D., and Rakov V. A. Initiation and propagation of cloud-to-ground lightning observed with a high-speed video camera. Sci. Rep. 2016. vol. 6. P. 39521. doi: 10.1038/srep39521.
  4. ДСТУ EN 62305:2012 Блискавкозахист (ІЕС 62305:2011, IDT). Київ, Держстандарт України, 2012, 419 с.
  5. IEC 62305-3. International standard “Protection against lightning – Part 3: Physical damage and life hazard”, Geneva: IEC, 2010. 160 р.
  6. Arevalo L., Cooray V. The mesh method’ in lightning protection standards – Revisited. Journal of Electrostatics. 2010. Vol. 68. P. 311-314. doi 10.1016/j.elstat.2010.03.003.
  7. D'Alessandro F., Gumley J. R. A “Collection Volume Method” for the placement of air terminals for the protection of structures against lightning. Journal of Electrostatics. 2001. vol. 50, Issue 4. P. 279-302
  8. Lalande P., Bondiou-Clergerie A., Laroche P., Bacchiega G. L., Bonamy A., Gallimberti I., Eybert-Berard A., Berlandis J. P., Bador B. Modelling of the lightning connection process to a ground structure. Int. Conf. on Lightning Protection Florence (Italy). 23-27 sept. 1996.
  9. Petrov N. I., Petrova G. N., D'Alessandro F. Quantification of the probability of lightning strikes to structures using a fractal approach. Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on. 2003. Vol. 10. P. 641 - 654. doi: 10.1109/TDEI.2003.1219649.
  10. Резинкина М. М., Князев В. В., Кравченко В. И. Статистическая модель процесса ориентировки лидера молнии на наземные объекты. Журнал технической физики. 2005. Т. 75, вып. 9. С. 44-51.
  11. Сокол Е. И., Резинкина М. М., Резинкин О. Л., Гриб О. Г., Светличная Е. Е. Статистическая модель для определения вероятности поражения молнией наземных объектов. Техн. електродинаміка. 2016. № 2. С. 11-18.
  12. Cooray V. Lightning Protection. London: The Institution of Engineering and Technology. 2010. 1036 р.
  13. Bazelyan E. M., Yu. P. Raizer. Lightning physics and lightning protection. Bristol: Institute of Physics. 2000. 325 р.
  14. Uman M. A. The Art and Science of Lightning Protection. New York: Cambridge University Press, 2008. 240 p.
  15. Rezinkina M., Rezinkin O. and Lytvynenko S. Simulation of Electrical Physical Processes in Electro-Energetic Systems at Thunderstorm Conditions. Telecommunications and Computer Engineering (TCSET): Proceedings of the 15th International Conference, (25–29 February 2020, Lviv-Slavske, Ukraine). IEEE, 2020. P. 106-108.