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.