научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТОКОВОГО ИМПУЛЬСА МОЛНИИ С ПОМОЩЬЮ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Физика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТОКОВОГО ИМПУЛЬСА МОЛНИИ С ПОМОЩЬЮ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 3, с. 88-97

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 551.594:621.3.027.89

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТОКОВОГО ИМПУЛЬСА МОЛНИИ С ПОМОЩЬЮ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

© 2011 г. Ю. В. Вилков, А. С. Кравченко, В. Д. Селемир, В. А. Терёхин

РФЯЦ "ВНИИэкспериментальной физики" Россия, 607188, Саров Нижегородской обл., ул. Мира, 37 Поступила в редакцию 29.10.2010 г.

Приведены результаты испытаний источников энергии на основе магнитокумулятивных генераторов при моделировании воздействия токового импульса молнии на типовую систему заземления. Предложены численная модель работы таких источников энергии, а также модели импульсного сопротивления стержневого заземлителя, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными результатами. В проведенных экспериментах амплитуда токового импульса на стержневом заземли-теле достигала 90 кА.

ВВЕДЕНИЕ

Магнитокумулятивные генераторы (м.к.г.), появившиеся в середине прошлого века [1, 2], в настоящее время широко используются при проведении научных исследований в физике высоких плотностей энергии. Результаты исследований этих генераторов и источников сверхмощных импульсов энергии, созданных на их основе, представлены в материалах тринадцати Международных конференций по сверхсильным магнитным полям и родственным экспериментам (MEGAGAUSS).

В магнитокумулятивных генераторах химическая энергия мощных взрывчатых веществ эффективно преобразуется в энергию магнитного поля, а реализуемая электрическая мощность сравнима с механической мощностью взрывчатого вещества. Удельная электрическая мощность современных м.к.г. достигает 10 ГВт/кг [3, 4], максимальная мощность превышает 10 ТВт, что сравнимо с электрической мощностью, выделяемой на системах заземления наиболее энергоемкими разрядами молнии.

Высокая удельная мощность магнитокумулятивных генераторов позволяет создавать на их основе транспортабельные источники энергии для проведения испытаний на грозобезопасность и грозозащищенность крупногабаритных промышленных и энергетических объектов в местах их расположения и функционирования.

Источники энергии на основе м.к.г. являются эффективным инструментом для исследования защитных свойств систем заземления. С их помощью в системах заземления могут быть созданы импульсы тока с параметрами, превышающими параметры 98% молниевых разрядов.

Разработанный в РФЯЦ—ВНИИЭФ имитатор мощного разряда молнии на основе каскадного генератора ВМГ-320 [5] позволил провести серию экспериментов по исследованию воздействия токового импульса на стержневой заземлитель в грунте с удельным сопротивлением 100—200 Ом • м.

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ НА СТЕРЖНЕВОМ

ЗАЗЕМЛИТЕЛЕ ТОКОВОГО ИМПУЛЬСА МОЛНИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ПОЛЯРНОСТИ

Импульс тока молнии положительной полярности вызван нейтрализацией положительного заряда облака. Это, как правило, единичный импульс, амплитуда которого может достигать 200 кА, а длительность на полувысоте — 500 мкс. Длительность фронта токового импульса разряда молнии положительной полярности составляет десятки микросекунд [6]. Такие разряды наиболее разрушительны по своим термическому и механическому воздействиям.

Для воспроизведения на системе заземления токового импульса молнии положительной полярности наиболее подходящим в настоящее время является генератор ВМГ-320. Эффективное время нарастания тока в этом генераторе составляет 50—70 мкс, а максимальная электрическая мощность достигает 300 ГВт. Электрическая схема источника энергии на основе каскадного генератора ВМГ-320 приведена на рис. 1. Работа такого источника энергии подробно описана в [7].

I рТ

I—1=1-1—г-уу-^-о-

I I

и

И

Я

т

А

А

-г—II-

• С

\

к,

\

К2

\

Кз

'_ _ _ ^___^___4__^__А. ^ ^

Рис. 1. Принципиальная схема устройства для моделирования токовых импульсов молнии на системе заземления. 1 -высоковольтный источник напряжения; 2 - конденсаторная батарея; 3—5 - каскадный взрывомагнитный генератор ВМГ-320 (3 - КМКГ-80, 4 - КМКГ-160, 5 - СМКГ-320); 6 - трансформаторный узел; 7 - линия передачи энергии от источника к системе заземления; 8 - система заземления.

Зависимость активного сопротивления стержневого заземлителя от величины импульса тока взята из [8]:

/ +

7/47

Я = 1п

2п / г

где р - удельное сопротивление грунта; I - длина стержневого заземлителя в грунте; г - эффективная величина радиуса заземлителя как функция токового импульса /(/).

Эффективный радиус заземлителя определяется критической величиной напряженности электрического поля в грунте Ек, при которой происходит искровой пробой:

г = а

где а

=(^)3/2

\2nNJ

В работе [8] предполагается, что Вкл/г, В • = N« 1.78 • 105.

м-0.5 =

Исследуемый стержневой заземлитель представлял собой металлическую трубу 050 мм, заглубленную в грунт на 2.25 м. Во вспомогательной системе заземления, расположенной на расстоянии 50 м, число заземлителей варьировалось в диапазоне от 10 до 20. Исследуемая почва - болотистая лесная равнина с удельным сопротивлением 100-200 Ом • м.

Получение надежных экспериментальных данных по измерению вольт-амперных характеристик стержневого заземлителя потребовало разработки нескольких вариантов конструкции высоковольтного трансформаторного узла, обеспечивающего высокие параметры импульса тока и напряжения на исследуемом стержневом заземлителе. При использовании в источнике энергии на основе ВМГ-320 трансформаторного узла из кабеля КВИ-300 [9] на

стержневом заземлителе был получен токовый импульс амплитудой 50 кА. На рис. 2 приведены временные зависимости импульса тока, полученные в эксперименте датчиками с разными частотными характеристиками, и расчетная кривая [10]. Резкий спад на экспериментальной кривой тока и ее существенное отличие от расчетной вызваны электрическим пробоем между обмотками трансформаторного узла (рис. 3). На рис. 4 приведены расчетная и экспериментальная временные зависимости активного сопротивления стержневого заземлителя.

Несмотря на преждевременный пробой (за 40 мкс до конца работы генератора), временной ход импульса тока до максимума и изменение активного сопротивления стержневого заземлителя удовлетворительно описываются используемой в расчетах зависимостью. К моменту времени, когда сила тока достигла своего максимума - 50 кА, активное сопротивление стержневого заземлителя уменьшилось с 75 до 8 Ом, т.е. более чем в 9 раз.

400 450 500 550 600 650 700 мкс

Рис. 2. Временная зависимость тока в системе заземления (1-й эксперимент): 1 - расчет; 2, 3 - эксперимент с разными датчиками.

Рис. 4. Временная зависимость активного сопротив-Рис. 3. Трансформаторный узел в момент пробоя ления стержневого заземлителя: 1 — расчет; 2 — экс-

между его обмотками. перимент.

I, кА

90 г

80 - и \

70 - и

60 - /

50 - /

40 - //

30 - /

20

10 -

0 1 1 11111

500 550 600 650 700 750

мкс

Рис. 5. Временная зависимость тока в системе заземления (2-й эксперимент): 1 — расчет; 2 — эксперимент.

400

500

600

700

800

мкс

Рис. 6. Временная зависимость тока в системе заземления (3-й эксперимент): 1, 2, 3 — расчет при удельном сопротивлении грунта р соответственно 100, 140 и 200 Ом • м; 4, 5 — эксперимент с разными датчиками.

Во втором эксперименте электрическая прочность трансформаторного узла была увеличена за счет использования во вторичной высоковольтной обмотке кабеля КВИ-500 [9]. Сравнение временного хода импульса тока в стержневом заземлителе с расчетным представлено на рис. 5. Амплитуда импульса тока, полученного в эксперименте, составила 87 кА, а длительность на полувысоте — 270 мкс. Расчетная величина электрического потенциала на стержневом заземлителе составила 0.5 МВ, а активное сопротивление заземлителя — 5.5 Ом.

В третьем эксперименте кроме вольт-амперной характеристики стержневого заземлителя регистрировалось образование и развитие поверхностных искровых каналов в его окрестности, а

также распределение электрических потенциалов на радиусах 10 и 25 м от него. Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей импульса тока в стержневом заземлителе в этом эксперименте представлено на рис. 6. Три расчетные кривые соответствуют различным значениям удельного сопротивления грунта (100, 140 и 200 Ом • м). При изменении удельного сопротивления грунта в 2 раза расчетные амплитуды импульса тока незначительно отличаются друг от друга и близки к зарегистрированной в эксперименте. Длительность импульса тока при этом отличается примерно на 20%.

На рис. 7 приведены импульсы электрических потенциалов на стержневом заземлителе, полу-

U, кВ

350 300 250 200 150 100 50

300 400 500 600 700 800

t, мкс

Рис. 7. Временная зависимость электрических потенциалов на стержневом заземлителе: 1, 2 - расчет при удельном сопротивлении грунта р соответственно 100 и 140 Ом • м; 3, 4 - эксперимент с разными датчиками.

Фрагмент свечения искровых каналов вокруг заземлителя показан на рис. 9.

Из картины, приведенной на рис. 8, видно, что развитие искровых каналов происходит не в сторону вспомогательной системы заземления, как ожидалось, а под углом примерно 80° к этому направлению. Максимальная длина мощных искровых каналов, как видно из рис. 9, достигает 30 м.

Обнаруженная асимметрия в распределении искровых каналов, а также их большая длина объясняют существенное отличие экспериментальных и расчетных величин амплитуды электрического потенциала стержневого заземлителя. При таком неоднородном распределении импульса тока в грунте и по искровым каналам величина активного сопротивления заземлителя не поддается расчету с требуемой точностью.

ченные в эксперименте с двух датчиков. Там же приведены расчетные зависимости потенциала стержневого заземлителя при различных значениях удельного сопротивления грунта и при условии равномерного распределения тока в окрестности заземлителя. Величина активного сопротивления заземлителя на момент максимума импульса тока (70 кА) лежит в диапазоне 4—5 Ом.

Интегральная картина свечения источника энергии на основе каскадного генератора ВМГ-320 и искровых каналов в окрестности стержневого заземлителя, полученная в ночное время фото

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.

Показать целиком