ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 6, с. 58-62
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.3:537.3
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ СИЛЬНОТОЧНЫЕ ВОЗДУШНЫЕ РАЗРЯДНИКИ ГЕНЕРАТОРА ТОКА ИСКУССТВЕННОЙ МОЛНИИ
© 2008 г. М. И. Баранов, Г. М. Колиушко, В. И. Кравченко, О. С. Недзельский, М. А. Носенко
Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт "Молния" Национального технического университета "Харьковский политехнический институт"
Украина, 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47 Поступила в редакцию 11.02.2008 г. После доработки 22.04.2008 г.
Описаны конструкции и приведены основные коммутационные характеристики и результаты испытаний двух высоковольтных сильноточных воздушных разрядников генератора тока искусственной молнии: двухэлектродного на напряжение до ±5 кВ типа ДМВР-5 с углеграфитовыми электродами и трехэлектродного каскадного на напряжение до ±50 кВ типа ТКВР-50 со стальными электродами. Испытания проводились при коммутации разрядником ДМВР-5 нормированной длительной С-компонен-ты тока молнии амплитудой до 0.85 кА со скоростью нарастания до 0.77 ■ 105 А/с, длительностью до 1000 мс и с переносимым электрическим зарядом до 210 Кл, а разрядником ТКВР-50 нормированной импульсной А-компоненты тока молнии амплитудой до 212 кА со скоростью нарастания до 7 ■ 109 А/с, длительностью до 500 мкс и с интегралом действия до 2.07 ■ 106 А2 ■ с.
РДСБ: 84.30.Jc, 84.30.Ng, 84.70.+р
ВВЕДЕНИЕ
В [1] описаны основные схемные решения и электрические характеристики созданного в 2007 году в НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ" генератора тока искусственной молнии, содержащего в своем составе пять мощных генераторов импульсных токов (г.и.т.) для получения воздействующих на испытываемые объекты авиационно-космической техники токовых компонент грозового электрического разряда (молнии) с нормированными амплитудно-временными параметрами [2-5]: г.и.т.-А для импульсной А-компоненты тока молнии; г.и.т.-В для промежуточной 5-компоненты тока молнии; г.и.т.-С и г.и.т.-С* для длительных С- и С*-компонент тока молнии; г.и.т.-0 для повторной импульсной ^-компоненты тока молнии. Основные параметры указанных компонент тока искусственной молнии, соответствующих требованиям [2-5], приведены в таблице.
В г.и.т.-А и г.и.т.-0 для коммутации их разрядных цепей применен высоковольтный сильноточный трехэлектродный каскадный воздушный разрядник ТКВР-50 со стальными электродами на напряжение ±50 кВ, а в г.и.т.-В, г.и.т.-С и г.и.т.-С* - высоковольтный сильноточный двух-электродный малогабаритный воздушный разрядник ДМВР-5 с углеграфитовыми электродами на напряжение ±5 кВ. Режимы работы этих разрядников в составе мощных г.и.т.-А и г.и.т.-С согласно данным таблицы являются наиболее тяжелыми. Поэтому ограничимся приведением только коммутационных характеристик для разрядников ТКВР-50 и ДМВР-5 при генерировании с их помощью соответственно А- и С-компонент тока искусственной молнии.
Необходимо указать, что даже при испытании технических объектов на совместное воздействие А и С токовых компонент молнии разрядники
Основные параметры компонент тока искусственной молнии
Компонента тока Максимальный ток Im, кА Средний ток 1Ср, кА Заряд qL, Кл Интеграл действия тока J л, А2 ■ с Длительность фронта импульса тока тф, мкс Длительность импульса тока ти, мкс
А 200 ± 10% - - 2 ■ 106 ± 20% <50 <500
В - 2 ± 20% 10 ± 10% - - 5 ■ 103 ± 10%
С 0.2-0.8 - 200 ± 20% - - (0.25-1) ■ 106
С* - 0.4 - - - (20-50) ■ 103
D 100 ± 10% - - 0.25 ■ 106 ± 20% <25 <500
Рис. 1. Электрическая схема подключения разрядника ТКВР-50 (Р1) и разрядника ДМВР-5 (Р2) в разрядных цепях г.и.т.-А и г.и.т.-С для создания А- и С-компонент тока искусственной молнии. изА, изС - зарядные напряжения положительной или отрицательной полярности соответственно для г.и.т.-А и г.и.т.-С (разрядные цепи последних содержат индуктивность, активное сопротивление и емкость); Ср = 180 пФ - разделительная емкость; ДЭС - двухэлектродная система; о.и. - объект испытаний; ИКШ - измерительный коаксиальный шунт; ГВПИ - генератор высоковольтных поджигающих импульсов.
ТКВР-50 и ДМВР-5 и их электроды в схеме описанного в [1] генератора тока искусственной молнии подвергаются действию только соответствующих отдельных компонент тока. В этом случае A- и С-компоненты тока молнии совместно воздействуют лишь на испытываемый технический объект. На электроды разрядника ТКВР-50 согласно [1] и приведенной таблице одновременно могут воздействовать только компоненты A или D тока молнии, а на электроды разрядника ДМВР-5 - только С или С* и B токовые компоненты.
На рис. 1 приведена схема электрического подключения разрядника ТКВР-50 (Fx) и разрядника ДМВР-5 (F2) соответственно в разрядных цепях г.и.т.-А с номинальной запасаемой электрической энергией WA = 420 кДж и г.и.т.-С с номинальной запасаемой электрической энергией Wc = 567 кДж. При получении A и С токовых компонент молнии емкостные накопители энергии в г.и.т.-А и г.и.т.-С разряжаются на общую активно-индуктивную нагрузку, представляющую собой двух-электродную систему (ДЭС) с воздушным искровым промежутком длиной 1э, нижний электрод которой является объектом испытаний (о.и.), а верхний стержневой электрод подсоединен к непотенциальным электродам разрядников F1 и F2. В качестве о.и. могут использоваться фрагменты металлической или композиционной обшивки, а также другие элементы планера, бортовые устройства, узлы и системы летательного аппарата, включая систему его молниезащиты [1]. Регистрация осциллограмм коммутируемых разрядниками F1 (F2) в г.и.т.-А (г.и.т.-С) и воздействующих на о.и. импульсной A- и длительной С-компонент тока молнии осуществлялась одновременно с помощью двух цифровых осциллографов Tektronix TDS 1012 и одного измерительного коаксиального шунта ШК-300 [1, 6], включенного в заземленную токовую цепь о.и.
КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДНИКА ТКВР-50
На рис. 2 показан внешний вид разрядника ТКВР-50 (Р1) с основными электродами полусферической формы 0123 мм из стали Ст. 3. Высоковольтный основной электрод разрядника с помощью осевого латунного стержня 016 мм жестко присоединен к первому дюралюминиевому фланцу 0236 мм, выполняющему функции как элемента крепления основного электрода разрядника, так и коллектора токопроводов разрядного контура г.и.т.-А. Непотенциальный основной электрод разрядника с помощью другого латунного стержня 016 мм присоединен ко второму дюралюминиевому фланцу 0236 мм. Винтовой механизм перемещения непотенциального электрода вдоль продольной оси позволяет плавно регулировать длину рабочего воздушного промежутка 1р между электродами от 30 до 1 мм.
Для уменьшения индуктивности разрядника ТКВР-50 и обеспечения необходимой электроди-
Рис. 2. Внешний вид разрядника ТКВР-50.
Рис. 3. Осциллограмма коммутируемой разрядником ТКВР-50 нормированной импульсной компоненты А тока искусственной молнии отрицательной полярности. Масштаб по вертикали 56.3 кА/клетка, по горизонтали - 50 мкс/клетка.
Рис. 4. Вид рабочих поверхностей стальных электродов разрядника ТКВР-50 с электроэрозионными разрушениями на них после 30 коммутаций нормированной импульсной А-компоненты тока искусственной молнии.
намическои стоикости каждый из его основных электродов соединен с соответствующими фланцами 0236 мм восемью гибкими медными проводниками общим сечением 20 мм2, допускающими осевое перемещение указанных электродов. Фланцы разрядника зафиксированы продольным изолятором длиной 290 мм из тонкостенной стек-лопластиковой трубы 0206 мм и жестко закреплены на массивной стеклотекстолитовой плите, являющейся частью рабочего стола генератора тока искусственной молнии [1].
Поджигающий электрод разрядника ТКВР-50 представляет собой стальной шар 030 мм, закрепленный на металлическом стержне длиной 130 мм. Механическая система поджигающего электрода допускает его плавное продольное и поперечное перемещение. Это позволяет в необходимых пределах регулировать величины воздушных зазоров между поджигающим и основными электродами разрядника. Стержень поджигающего электрода гибким проводником присоединен к двум высоковольтным резисторам КЭВ-5-510 МОм, соединенным с его основными электродами. Указанные резисторы выполняют функцию распределения электрических потенциалов между поджигающим (запускающим) и основными электродами разрядника.
Поджигающий импульс амплитудой до ±100 кВ (его полярность для больших перенапряжений в разряднике выбирается противоположной полярности зарядного напряжения изА г.и.т.-А) подается на поджигающий электрод через разделительный конденсатор Ср (емкость 180 пФ, номинальное напряжение 120 кВ) гибким проводником (жилой радиочастотного кабеля РК с полиэтиленовой изоляцией). Габаритные размеры разрядника ТКВР-50:
длина 430, ширина 250, высота 312 мм; масса его не превышает 40 кг.
На рис. 3 представлена осциллограмма коммутируемой разрядником ^ импульсной А-компоненты тока искусственной молнии отрицательной полярности (изА = -27 кВ, WA = 123 кДж) с параметрами: 1тА = 212 кА, гтА = 32 мкс, тиА = 300 мкс,
= 2.07 • 106 А2 • с (здесь гтА - время, соответствующее на рис. 3 амплитуде 1тА коммутируемого нормированного тока компоненты А). Скорость нарастания импульса токовой компоненты А составляет ~7 • 109 А/с. Коммутируемая средняя импульсная мощность Р^ = WA/тиA достигает значения ~410 МВт.
Локальное воздействие на электроды разрядника ТКВР-50 интенсивного теплового потока от искрового канала вызывает активную электрическую эрозию рабочих поверхностей его стальных электродов. На рис. 4 показана рабочая зона стальных электродов разрядника ТКВР-50 после 30 срабатываний при коммутации им импульсной А-компоненты тока молнии. На рабочих поверхностях его основных электродов образовалась зона электроэрозионного разрушения радиусом гэ около 30 мм с кратерами по ее центру глубиной до 1 мм. Значения радиуса гэ хорошо согласуются с размерами максимального радиуса гт зоны привязки сильноточного канала воздушного искрового электрического разряда, рассчитанного для нормальных атмосферных условий в системе СИ по известной формуле Брагинского [7, 8]: гт =
= 0.093тт. В процессе испытаний разр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.