ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 3, с. 64-71
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
УДК 551.594:621.3.027.89
ФОРМИРОВАНИЕ ТОКОВОГО ИМПУЛЬСА МОЛНИИ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ПОЛЯРНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ВЗРЫВОМАГНИТНОГО ГЕНЕРАТОРА
© 2007 г. Ю. В. Вилков, А. С. Кравченко, М. М. Саиткулов, В. Д. Селемир,
В. А. Терехин, А. А. Тштяев
ФГУП РФЯЦ-ВНИИ экспериментальной физики Россия, 607188, Саров Нижегородской обл., ул. Мира, 37 Поступила в редакцию 12.10.2006 г.
Приведены предварительные результаты по формированию на типовом заземлителе токового импульса с амплитудой более 50 кА и фронтом нарастания 2 мкс, полученные с помощью взрывомаг-нитного генератора ВМГ-160 с устройством обострения на основе электрически взрывающихся медных проводников в дугогасящей среде.
PACS: 84.70.+р
ВВЕДЕНИЕ
Согласно требованиям стандартов Международной электротехнической комиссии максимальная амплитуда импульса тока, моделирующего разряд молнии, в зависимости от уровня защиты лежит в диапазоне от 100 до 200 кА [1].
В РФЯЦ-ВНИИЭФ на основе магнитокумуля-тивных (взрывомагнитных) генераторов (м.к.г.) разработан и испытан источник энергии для воспроизведения на типовой системе заземления токового импульса молнии положительной полярности амплитудой до 90 кА и длительностью импульса на полувысоте более 200 мкс [2, 3]. Такой источник позволяет проверить надежность мол-ниезащиты систем в реальных условиях со всеми связями и взаимодействиями.
Разряд молнии положительной полярности является наиболее разрушительным по механическим и термическим воздействиям. Результаты этих воздействий связаны с максимальным значением амплитуды и большой длительностью импульса тока молнии положительной полярности. В то же время скорость нарастания импульса тока на системе заземления в разряде молнии отрицательной полярности примерно на порядок больше скорости нарастания тока в разряде молнии положительной полярности. Поэтому индуцируемое напряжение и связанные с ним разрушения более опасны при воздействии импульсов тока молнии отрицательной полярности. Число разрядов молнии отрицательной полярности составляет примерно 90% от всех молниевых разрядов, поэтому создание устройств для воспроизведения на системе заземления токовых импульсов с высокой (100 кА/мкс) скоростью нарастания яв-
ляется необходимым условием для подтверждения надежности молниезащитных систем.
Магнитокумулятивные генераторы с максимальной электрической мощностью 1 ТВт и генерируемой магнитной энергией более 10 МДж являются весьма перспективными источниками энергии для воспроизведения токовых импульсов молнии и исследования их воздействия на различные крупногабаритные промышленные объекты.
Время нарастания тока в существующих и проектируемых м.к.г., как правило, больше 10 мкс, следовательно, для формирования на системе заземления токовых импульсов с микросекундным временем нарастания необходимо использование дополнительных формирующих и коммутирующих устройств [4]. Для воспроизведения импульсов тока, моделирующих воздействие молниевого разряда отрицательной полярности, с помощью источников энергии на основе м.к.г. наиболее подходящими, по нашему мнению, являются узлы разрыва токового контура из электрически взрывающихся медных проводников (э.в.п.) в дугогасящей среде.
ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ М.К.Г.
ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТОКОВОГО ИМПУЛЬСА С ФРОНТОМ
МИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ
Время нарастания импульса тока с уровня 0.31т до уровня 0.91т в генераторе ВМГ-320, который используется для формирования на системе заземления токового импульса молнии положительной полярности, составляет примерно 50 мкс [2, 3]. Для существенного уменьшения длительности фронта токового импульса испытываемая си-
стема заземления подсоединяется параллельно узлу разрыва токового контура высоковольтной обмотки трансформаторного узла с помощью высоковольтного газонаполненного разрядника.
Электрическая схема источника энергии на основе м.к.г. для формирования импульсов тока с фронтом микросекундной длительности приведена на рис. 1.
В процессе взрывной деформации токового контура м.к.г. уменьшаются его индуктивность Ь1 и активное сопротивление увеличивается ток в контуре генератора и соответственно увеличивается магнитная энергия в трансформаторном узле, расположенном на выходе генератора. Вторичная высоковольтная обмотка трансформаторного узла подключена к накопительной индуктивности Ьн, последовательно которой подключен узел разрыва из э.в.п. с индуктивностью Ьр и активным сопротивлением Яр. Величина взаимоиндукции между первичной и вторичной обмотками трансформаторного узла равняется Ь12.
Параметры узла разрыва (масса меди и активное сопротивление в начальный момент времени) подбираются такими, чтобы активное сопротивление в процессе нарастания тока во вторичной цепи трансформаторного узла не оказывало сильного влияния на процесс накопления магнитной энергии, а масса меди позволяла достичь максимальной величины сопротивления узла разрыва в конце деформации контура м.к.г. Таким образом в трансформаторном узле накапливается максимально возможная величина магнитной энергии. При электрическом взрыве проводников сопротивление узла разрыва резко увеличивается, соответственно резко увеличивается и уровень напряжения. Возникающий на узле разрыва импульс напряжения мегавольтного диапазона приводит к срабатыванию высоковольтного неуправляемого разрядника Р, и часть магнитной энергии, накопленной в трансформаторном узле и индуктивности Ьн, передается на систему заземления с индуктивностью Ь = Ь31 + Ь32 и активным сопротивлением Я = Я31 + Я32.
Для формирования на системе заземления импульсов тока амплитудой порядка 100 кА и длительностью на полувысоте более 200 мкс использовался каскадный генератор ВМГ-320. Конструктивные характеристики этого генератора описаны в работе [5], а численный расчет уменьшения индуктивности и увеличения тока и магнитной энергии - в [6]. Согласно экспериментальным данным из [7], активное сопротивление узла разрыва из электрически взрывающихся медных проводников в полиэтиленовой изоляции достаточно хорошо описывается зависимостью
(0)Г 2
Яр( х) = Яр (о) + к -т-1 \1\ х) Яр( х) йх,
о
где ДО - ток в узле разрыва; т - масса меди в узле разрыва; к = 9.6 ■ 103 г/Дж, если отношение Яр(х)/Яр(0) < 20, к = 48 ■ 10-3 г/Дж, если отношение <200, и к = 0, если отношение >200.
Зависимость активного сопротивления стержневого заземлителя от силы тока молнии описывается приближенной полуэмпирической зависимостью, полученной из обобщения большого количества экспериментальных данных различных авторов [8]:
Я = -Пь
2 п I
I +л Ц2 +
эф
где р - удельное сопротивление грунта; I - длина стержневого заземлителя в грунте; гэф - эффективный радиус заземлителя как функция токового импульса 1(х).
Эффективный радиус заземлителя определяется критической величиной напряженности электрического поля в грунте Екр, при которой происходит искровой пробой. Если предположить, что
I, кА 80
70
60
50
40
30
20
10
0
400
R, Ом 60
50
40
30
20
10
0 350
500
600
700
800
900
1000
400
450
500 550
t, мкс
600
650
Рис. 2. а - импульс тока, создаваемый источником энергии на основе генератора ВМГ-320 (1, 2, 3 - расчет при удельном сопротивлении грунта р соответственно 100, 140 и 200 Ом • м; 4, 5 - экспериментальные данные, полученные с двух разных датчиков); • -изменение активного сопротивления стержневого за-землителя (1, 2 - расчет при удельном сопротивлении грунта соответственно 140 и 100 Ом • м; 3, 4 - экспериментальные данные, полученные с двух разных датчиков).
произведение гэфЕкр = N - величина постоянная и равная 1.78 • 105 В • м-05, то
гэф Г
/2 + ^4 + 27 (г-) + л|2 ^2 + 27 (г)
, (1)
где г
3(2р^) .
Экспериментальные результаты [2, 3], полученные при воспроизведении токового импульса молнии положительной полярности на стержневом заземлителе, показали, что зависимость (1)
достаточно хорошо описывает вольт-амперную характеристику стержневого заземлителя в грунте с удельным сопротивлением 100-200 Ом • м.
На рис. 2а приведено сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей импульса тока, создаваемого источником энергии на основе генератора ВМГ-320 [2]. Три расчетные кривые соответствуют различным величинам удельного сопротивления грунта (100, 140 и 200 Ом • м). Характер изменения активного сопротивления стержневого заземлителя и его расчетная величина при различных значениях удельного сопротивления грунта приведены на рис. 26. Интегральная картина свечения источника энергии на основе каскадного генератора ВМГ-320 и искровых каналов в окрестности стержневого заземлителя приведена на рис. 3, фрагмент картины в месте свечения искровых каналов - на рис. 4.
Несмотря на то, что длина искровых каналов вдоль поверхности грунта в окрестности стержневого заземлителя достигала 30 м, а распределение искровых каналов имело сильную асимметрию, отклонение экспериментальной зависимости активного сопротивления от рассчитанной по (1) (без учета развития искровых каналов вдоль поверхности грунта и их асимметрии) при большом токе - незначительное. Большое отклонение при малой величине тока и его колебательный характер, скорее всего, связаны с точностью измерений тока и напряжения.
Однако зависимость (1) может оказаться несправедливой для импульсов тока молнии отрицательной полярности, у которых скорость нарастания примерно на порядок больше, чем в приведенных экспериментах.
При длительности фронта токового импульса порядка 1 мкс необходимо учитывать конечную скорость развития искрового разряда как в грунте, так и по его поверхности [9]. Оценка скорости развития искрового разряда приведена в [10]. Обобщение экспериментальных данных при токе через головку лидера до 1 кА дает следующее эмпирическое выражение для скорости лидера:
V = К1а66,
где К = 8600 при I от 1 до 23 А и К = 26500 при I от 85 до 1100 А.
При токе в головке лидера 1 кА скорость распространения лидера искрового канала превышает 2.5 м/мкс, а скорость развития искрового разряда по поверхности грунта при тех же условиях может достигать 10 м/мкс согласно [10].
Для о
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.