ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 3, с. 81-85
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
УДК 621.3:537.3
ГЕНЕРАТОР ТОКА ИСКУССТВЕННОЙ МОЛНИИ ДЛЯ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
© 2008 г. М. И. Баранов, Г. М. Колиушко, В. И. Кравченко, О. С. Недзельский, В. Н. Дныщенко
Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт "Молния" Национального технического университета "Харьковский политехнический институт"
Украина, 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47 Поступила в редакцию 20.08.2007 г.
Описан мощный генератор тока молнии, формирующий как в отдельности его импульсную (А), промежуточную (B), длительную (С или С*) и повторную импульсную (D) компоненты отрицательной (положительной) полярности, так и их совместные комбинации в различном сочетании. Приведены описания схемных и конструктивных решений, позволяющих обеспечить получение на общей активно-индуктивной нагрузке компоненты А амплитудой не менее 200 кА при длительности до 500 мкс, его компоненты B со средним током не менее 2 кА и длительностью до 5 мс, компоненты С амплитудой не менее 800 А и длительностью до 1000 мс, компоненты С* со средним током 400 А и длительностью до 50 мс и компоненты D амплитудой не менее 100 кА при длительности до 0.5 мс.
PACS: 84.30.Jc, 84.30.Hg, 84.70.+p
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время повышенную актуальность в мире приобрела проблема обеспечения стойкости объектов электроэнергетических систем, электросвязи, транспорта, летательных аппаратов к воздействию грозовых электрических разрядов (молний) в земной атмосфере. Вызвано это, в частности, широким использованием больших объемов микроэлектроники и новых искусственно созданных материалов. Для достоверной оценки количественных показателей стойкости технических объектов к действию молнии используют, как правило, методы физического моделирования в них электромагнитных, электротепловых и электромеханических процессов, обусловленных воздействиями грозовых разрядов. Наиболее достоверные данные по исследованию влияния молнии на объекты получают при натурных испытаниях. В первую очередь, это касается электромагнитных испытаний летательных аппаратов, так как связано с обеспечением безопасности их полетов. Требования к этим испытаниям наиболее жесткие и при создании данного генератора тока искусственных молний разработчики ориентировались на требования действующих международных и государственных стандартов и технических норм для летательных аппаратов [1-4].
На рис. 1 приведена схематическая диаграмма испытательного импульса тока молнии гм(0. Ток молнии гм(0 включает 5 токовых стадий: начальный импульс А, промежуточную стадию В, длительную стадию С (либо С*) и финальный им-
пульсный выброс В. В подавляющем большинстве случаев технические объекты проходят испытания импульсом тока гм(0, содержащим в своем составе компоненты А, В и С. Иногда испытания проводятся с использованием токовой компоненты В вместо компоненты А, а также компоненты С* вместо компоненты С. Параметры всех составляющих компонент тока молнии гм(0, соответствующие требованиям [1-4], приведены в таблице.
Рис. 1. Испытательный импульс тока молнии гм(Г).
Амплитудно-временные параметры компонент тока молнии
Компонента тока Максимальный ток 1т, кА Средний ток /Ср, кА Заряд Q, Кл Интеграл действия 1л, А2 ■ с Длительность фронта Тф, мкс Длительность компоненты 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
в 100 ± 10% - - 0.25 ■ 106 ± 20% <25 <500
Интеграл действия Jd для компонент тока молнии гм(г) определяется из выражения вида Jd =
Гг 2
= I/ (г) йг, где г2-г1 - интервал времени, соответствующий нормам для длительности компонент тока молнии. Электрический заряд Q, переносимый за время соответствующей компоненты, находится в виде Q = ^ г'м( г) йг.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА ТОКА МОЛНИИ
В 2007 году нами был создан и введен в эксплуатацию генератор тока молнии (г.т.м.), позволяющий проводить натурные электромагнитные испытания технических объектов на воздействие сильноточного грозового разряда. Для его создания были использованы существующие мощные
генераторы импульсных токов экспериментальной базы НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ". Данный г.т.м., общий вид которого приведен на рис. 2, содержит в своем составе пять генераторов импульсов тока (г.и.т.), позволяющих реализовать любые в отдельности или в совместной комбинации любые три на выбор компоненты тока молнии (А, В, С, С* и Д). Отметим, что при формировании токовых компонент А или С токовые компоненты Д или С* в г.т.м. не формируются, и наоборот, при создании компонент Д или С* не формируются компоненты А или С. При этом все характеристики генерируемых компонент тока молнии гм(г) соответствуют амплитудно-временным параметрам, приведенным в таблице.
На рис. 3 представлена электрическая схема замещения разрядных цепей отдельных г.и.т. и г.т.м. в целом, имитирующего на эквиваленте электрической нагрузки ток молнии гм(г). Пере-
Рис. 2. Общий вид мощного г.т.м.: на переднем плане находится рабочий стол с разрядником испытываемым образцом алюминиевой обшивки летательного аппарата и системой воздушной вытяжки, а на заднем плане - отдельные высоковольтные г.и.т. для соответствующих компонент: А, В, С, С* и Д.
«—»-
I 2 мк
Ой
076
С1 228
Г.и.т.-А
/ч
\Ь2
I 1.5 мк
□г?
18
108
Г.и.т.-Б
-> <г
I н 1 мк
ой
05
пг
ш
185 м
Эквивалент -1- нагрузки
¿4
11.43 м
йб 2.74 -СП
I ¿3
. 123 мк
□г.з5
± Сз 2.52 м
Г.и.т.-В
J 1_
Г.и.т.-С*
Хд
«5 2
±С5
45.36 м
Г.и.т.-С
Рис. 3. Электрическая схема замещения разрядных цепей пяти отдельных г.и.т. и полная электрическая схема созданного г.т.м. Обозначения генераторов г.и.т. соответствуют обозначениям стадий импульса тока.
У
У
2
2
ь
С
2
ключая электрические перемычки Х1-Х4 на рис. 3, можно в созданном г.т.м. получать любую требуемую комбинацию составляющих компонент тока молнии гм(0.
Емкостные накопители энергии г.и.т.-А и г.и.т.-0 укомплектованы высоковольтными малоиндуктивными конденсаторами ИК-50-3 (номинальное напряжение 50 кВ, номинальная емкость 3 мкФ), а г.и.т.-В, г.и.т.-С и г.и.т.-С* - высоковольтными конденсаторами ИМ2-5-140 (номинальное напряжение 5 кВ, номинальная емкость 140 мкФ) [5]. При этом г.и.т.-А (г.и.т.- Б) содержит 112 (36) параллельно соединенных конденсаторов на зарядное напряжение ±50 кВ с суммарной номинальной запасаемой энергией 420 кДж (135 кДж), а г.и.т.-В (г.и.т.-С и г.и.т.-С*) - 18 (324 и 34) параллельно включенных конденсаторов на зарядное напряжение ±5 кВ с общей номинальной запасаемой энергией 31.5 кДж (567 и 59.5 кДж).
Формирующие электрические цепи г.и.т.-В (элементы Я3, Ь3), г.и.т.-С и г.и.т.-С* (элементы Я6, Ь4) в их разрядных контурах выполнены на графито-керамических объемных высоковольтных постоянных резисторах ТВ0-60-24 Ом - активные сопротивления, а индуктивности - в виде однослойных катушек с намоткой медным проводом на изоляционных стеклопластиковых цилиндрах. Коммутация в сильноточных разрядных цепях г.и.т.-А (г.и.т.-О) осуществляется воздушным трехэлектродным высоковольтным разрядником каскадного типа который управляется при подаче на его средний электрод высоковольтного микросекундного импульса напряжения амплитудой до 100 кВ от высоковольтного пускового генератора ГВПИ-100 [6] либо аналогичного управля-
ющего импульса напряжения амплитудой до 50 кВ от генератора БП-50 [7]. Оба генератора пусковых импульсов напряжения разработаны в НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ".
Воздушный двухэлектродный высоковольтный разрядник предназначенный для коммутации разрядных цепей г.и.т.-В, г.и.т.-С и г.и.т.-С*, состоит из двух графитовых эрозионно-стойких электродов с плоскими рабочими поверхностями, зазор между которыми регулируется в необходимых пределах. Запускается разрядник импульсным напряжением, возникающим на элементах электрической нагрузки Ьн, при срабатывании разрядника ^ и протекании импульсного разрядного тока от г.и.т.-А (либо г.и.т.-Б). Если нет необходимости в создании компоненты А или В тока молнии, то разрядник срабатывает от генератора ГВПИ-100 (или БП-50) при специальной настройке воздушных зазоров разрядника
Практическая реализация амплитудно-временных параметров компонент тока молнии, приведенных в таблице, осуществляется при зарядном напряжении г.и.т.-А, г.и.т.-Б в диапазоне ±(26-28) кВ, а г.и.т.-В, г.и.т.-С и г.и.т.-С* - ±(4.0-4.2) кВ. Во избежание разрушительных последствий в г.т.м., при аварийном пробое на стадии заряда (разряда) одного из его высоковольтных конденсаторов, в каждом из используемых г.и.т. на высоковольтных выводах их конденсаторов установлены защитные резисторы, набранные из графито-керамических объемных высоковольтных постоянных резисторов ТВО-60-24 Ом.
В непотенциальную ("земляную") электрическую цепь разрядного контура г.т.м. последователь-
Рис. 4. Осциллограмма компоненты А тока молнии отрицательной полярности на активно-индуктивной нагрузке, формируемой в г.т.м. Масштаб по вертикали 56.3 кА/клетка, по горизонтали - 50 мкс/клетка.
но с электрической нагрузкой включен прошедший государственную метрологическую аттестацию измерительный коаксиальный малоиндуктивный шунт ШК-300, имеющий активное сопротивление Яш = 0.185 мОм и два согласованных выхода с коэффициентами преобразования 5642 и 11261 А/В (соответственно на первом и втором выходах) [8]. Время нарастания переходной характеристики шунта составляет не более 50 нс. Шунт способен пропускать импульсные токи микросекундного диапазона амплитудой до 250 кА и электрический заряд до 250 Кл при рассеиваемой на нем энергии до 650 Дж.
Рис. 5. Осциллограмма в режиме совместного формирования на общей активно-индуктивной нагрузке г.т.м. компонент А и В тока молнии отрицательной полярности. Масштаб по вертикали 1.13 кА/клетка, по горизонтали - 1 мс/клетка.
Одновременная регистрация любой комбинации из трех токовых компонент (например, A, B, C* или A, B, C, или D, B, C) тока молнии достигается синхронным запуском трех цифровых осциллографов (например, Tektronix TDS 1012)
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.