№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 621.316.9
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ АКТИВНОГО МОЛНИЕОТВОДА
© 2015 г. В.М. КУПРИЕНКО1, Г.А. АКОМЁЛКОВ1, В.Н. РОМАНЦОВ1, Н.М. ОРЕХОВ1, А.И. ХЛЕБНИКОВ2
123 Государственный морской проектный институт — филиал открытого акционерного общества "31 Государственный проектный институт специального строительства" 2ОООФПК "Космос-Нефть-Газ" E-mail: v.kuprienko@mail.ru
Разработана методика и приведены результаты исследований по сравнительной оценке эффективности защиты модели объекта с использованием пассивного молниеотвода (ПМ) и активного молниеотвода (АМ) одинаковой высоты. Для исследований был выбран активный молниеотвод типа М-200. Испытания проводились в полевых условиях путем формирования в воздушном промежутке длиной 6—11 м электрических разрядов, моделирующих разряд молнии. Разряд формировался с помощью генератора импульсных напряжений ГИН 6000/960 кДж. Амплитуда импульса напряжения составляла 2,2—3,5 МВ, форма волны напряжения 250/2500 мкс. Испытания проводились на импульсах напряжения положительной и отрицательной полярности. Совместные испытания АМ и ПМ по различным схемам в серии более 1000 воздействий показали, что количество разрядов в активный и пассивный молниеотводы разделились примерно поровну. В результате исследований не выявлено очевидного преимущества АМ перед ПМ.
Ключевые слова: молниезащита, активный молниеотвод, пассивный молниеотвод, испытания, разряд молнии, генератор импульсов, радиус защиты.
TESTTECHNIQUE AND RESULTS OF ACTIVE LIGHTNING-CONDUCTOR
PROTECTIVEACTION
V.M. KUPRIENKO1, G.A. AKOMELKOV1, V.N. ROMANTSOV1, N.M. OREKHOV1, A.I. KHLEBNIKOV2
1 "23rd State Marine Design Institute — Subsidiary of Public Corporation "31st State Design Special Construction Institute" 2LimitedLiability Company "Kosmos—Neft'—Gas" E-mail: v.kuprienko@mail.ru
A technique has been developed and the results of comparative evaluation study of object model protection efficiency with use of identical-height passive lightning-conductor (PLC) and active lightning-conductor (ALC) are presented. The testing object was the М-200 active lightning-conductor. The tests had been conducted in the field through formation of electric discharges in 6—11 meter air interval that simulate lightning discharge. The discharge was formed with the aid of 6000/960 kilojoule pulse voltage generator. Voltage pulse
5 Энергетика, № 3
129
amplitude was 2,2—3,5 Mv, voltage wave form was 250/2500 microseconds. The tests had been conducted on voltage pulses of positive and negative polarity. Joint tests of PLC and ALC according to various approaches in a more than 1000 impacts series had shown, that the amount of discharges into active and passive lightning-conductors were divided approximately fifty-fifty. As a result the study had not revealed any evident ALC advantage over PLC.
Key words: lightning protection, active lightning-conductor, passive lightning-conductor, test, lightning discharge, pulse generator, protectionradius.
При разработке проектов молниезащиты (МЗ) для объектов (в том числе опасных для окружающей среды) российские кампании рекомендуют использовать активные молниеотводы (АМ) типа "Forend-EU", "Pulsar", "Prevectron" и М-200.
Принцип работы АМ основан на более раннем возникновении коронного разряда по сравнению с разрядом, возникающим на обычном пассивном молниеотводе (ПМ) той же высоты. Это, по мнению производителей, обеспечивает опережающее развитие с АМ встречного восходящего лидера и увеличение более, чем на порядок радиуса защиты по сравнению с ПМ. Например, радиус rx зоны защиты ПМ высотой 10 м с надежностью Рн = 0,99 составляет 5,8 м, а АМ типа М-200 — 32м. Безусловно, заказчику интересно малыми средствами обеспечить молниезащиту большого объема.
При этом АМ различных производителей имеют сертификаты соответствия, что позволяет разрабатывать проекты МЗ с применением АМ и согласовывать решения в государственной экспертизе проектов.
Как правило, сертификаты выдаются на основании измерения косвенных параметров АМ. Например, для АМ типа М-200 измеряется пропускная способность по току (до 200 кА), что можно сделать при наличии внешних шунтирующих разрядников [1]. В национальном французском стандарте NFC17-102 [2] измеряется время опережения, восходящего лидерного процесса А Тл, с АМ, что обеспечивает как бы увеличение высоты молниеотвода и его более эффективное защитное действие по сравнению с ПМ той же высоты. Для проверки эффективности защитного действия АМ в стандарте приведена принципиальная схема (рис. 1) для определения АТл при сравнительных испытаниях АМ и ПМ в лабораторных условиях.
К плоскости прикладываются потенциалы отрицательной полярности от установки постоянного тока (УПТ) и генератора импульсных напряжений (ГИН).
Напряжение от УПТ, поданное на плоскость, по аналогии с грозовым облаком обеспечивает в межэлектродном пространстве постоянное электрическое поле со средней напряженностью Е = ?7пост/Н величиной 0,1 — 0,25 кВ/см.
В работе [3] дан исчерпывающий анализ перспективы применения АМ и сформулированы предложения по корректировке методики испытаний. Отмечено, что "проведенный анализ свидетельствует об отсутствии каких-либо обоснованных соображений и достоверных данных, подтверждающих эффективность действия АМ. По мнению ряда зарубежных специалистов, опирающихся на выводы независимых
R
11
H
Рис. 1. Принципиальная схема проведения сравнительных испытаний АМ и ПМ
d
ГИН
Я1 Яп
03800
ИНПГ
н
Рис. 2. Схема сравнительных испытаний эффективности ПМ и АМ типа М-200
к
к
к
ПМ
АМ
Ь
X
исследовательских групп, специально изучавших проблему АМ, у АМ нет никаких преимуществ перед ПМ".
Учитывая противоречивые мнения по вопросу применения АМ, в высоковольтной лаборатории филиала ОАО "31 ГПИСС" были выполнены исследования по сравнительной оценке эффективности пассивного молниеотвода и активного молниеотвода одинаковой высоты. Для исследований был выбран активный молниеотвода типа М-200 (КМЕВ.000000.010), имеющий ряд преимуществ перед другими типами АМ [1].
Особенностью АМ типа М-200 является то, что внутри изолятора установлен ГИН на 250 кВ, собранный по схеме Аркадьева—Маркса. Генератор заряжается током коронного разряда, возникающего на острие АМ под воздействием электростатического поля грозового облака. При приближении к нему лидера разряда молнии напряжение на конденсаторах ГИН достигает критической величины, и он срабатывает, формируя на острие АМ упреждающий стример, что должно инициировать перехват разряда молнии.
Помимо схемы испытаний, приведенной в стандарте МБС17-102 в настоящей работе, использованы другие схемы, в том числе и с учетом рекомендаций, приведенных в работе [3].
Схема с постоянным электрическим полем
Как отмечалось в [3], измерение времени опережения, восходящего лидерного процесса АТл, с АМ, не может быть объективной оценкой его преимущества перед ПМ. Поэтому по схеме, аналогичной приведенной на рис. 1, проводились сравнительные испытания при размещении двух молниеотводов (активного и пассивного) под постоянным электрическим полем, моделирующим грозовое облако. С той лишь разницей, что ГИН разряжался не прямым контактом на плоскость (см. рис. 1), а через воздушный промежуток длиной 6 м. Схема испытаний по сравнительной оценке эффективности работы ПМ и АМ типа М 200 приведена на рис. 2.
Активный и пассивный молниеотводы высотой 2,39 м размещались на открытой площадке и заземлялись на заземлитель (ГИН). Постоянное электрическое поле создавалось тороидальным электростатическим экраном диаметром 3,8 м, повешенным на высоте 5 м над поверхностью земли на изоляционных растяжках. На экран от источника подавалось постоянное напряжение отрицательной полярности амплитудой 100 кВ кабелем с большим омическим сопротивлением (Я = 12 кОм/м) длиной 55 м.
5* 131
с
б
V ч
Рис. 3 Разряд в активный молниеотвод типа М-200 (а), в пассивный молниеотвод (б)
а
Рис. 5. Зарядка ГИН активного молниеотвода
Рис. 6. ГИН и электрод
Напряженность электрического поля в промежутке экран-земля достигала величины до 20 кВ/м, этого достаточно для зарядки конденсаторов, встроенного в АМ накопителя и инициировать его разряд при приближении нисходящего лидера.
Расстояние от задающего электрода ГИН до поверхности земли составляло 11 м. Расстояние между АМ и ПМ—Ьх = 2,39 м.
В результате испытаний при разряде ГИН положительной полярности амплитудой 2,2—3,5 МВ и формой волны напряжения 250/2500 мкс из 100 импульсов, было зафиксировано 50 ударов в АМ, 45 ударов в ПМ и 5 ударов в землю.
На рис. 3 приведены фотографии разрядов в АМ и ПМ.
Из рис. 3б видно, что при разряде ГИН на ПМ наблюдается срабатывание внешнего разрядника АМ (свечение по поверхности) и развитие встречного стримера с острия АМ. Но этого не достаточно для упреждающего разряда в АМ, количество разрядов в АМ и ПМ практически одинаково. Таким образом, преимущества АМ перед ПМ на импульсах положительной полярности по первой схеме не выявлено.
Схема с принудительным инициированием заряда накопителя АМ
Исследования, выполненные по схемам, приведенным на рис. 1, 2, очевидно, не дают ответа о целесообразности применения АМ. Поэтому на следующем этапе работы
а
Рис. 7. Время подъема импульса до максимума (¿Ф = 284 мкс) — а. Типовая осциллограмма импульса отрицательной полярности при разряде в объект (Кмакс = 2880 кВ) — б
ГИН
н
1м
К
Рис. 8. Схема сравнительных испытаний эффективности ПМ и АМ типа М-200
к
к
АМ
ПМ
к
О
Ь
X
Рис. 9. Разряд в ПМ при проведении сравнительных испытаний на отрицательном напряжении
ставилась задача по увеличению разрядного промежутка для проведения сравнительных испытаний на импульсах положительной и отрицательной полярности и определения размеров зоны защиты АМ и ПМ.
Для решения этой задачи была изменена схема проведения испытаний. Наличие электростатического экрана, обеспечивающего зарядку емкостного накопителя АМ,
Рис. 10. Разряд в АМ типа М-200 при проведении сравнительных испытаний на отрицательном напряжении
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.