УДК 621.311
НЕЛИНЕЙНОЕ РАСТЕКАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ В ГРУНТЕ © 2014 г. Л. М. Василяк1, С. П. Ветчинин1, В. А. Панов2, В. Я. Печеркин1, Э. Е. Сон1
1 Объединенный институт высоких температур РАН, Москва 2 Московский физико-технический институт (ТУ), г. Долгопрудный E-mail: vasilyak@ihed.ras.ru Поступила в редакцию 30.03.2014 г.
Представлены результаты лабораторных экспериментов по растеканию импульсного тока с шаровых электродов и возникновению электрического пробоя в кварцевом песке различной влажности при импульсных напряжениях 20—40 кВ. Показано, что при плотностях тока на электроде больше критической величины наблюдается резкое нелинейное уменьшение импульсного сопротивления заземления, развивается ионизационно-перегревная неустойчивость, в результате чего происходит контракция тока и образование плазменных каналов в грунте. Предложен метод определения критической напряженности электрического поля ионизации. Установлено, что в длинных промежутках во влажном песке пробой развивается с большим временем задержки, аналогично тепловому пробою.
DOI: 10.7868/S0040364414060180
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к растеканию больших импульсных токов и возникновению электрического пробоя в грунте в настоящее время связан с необходимостью усовершенствования систем молниезащиты в электроэнергетике [1], а также с исследованиями строения земной коры с помощью мощных импульсов тока, например от взрывомагнитных и МГД-генераторов [2, 3]. При ударе молнии быстроменяющийся многокилоамперный ток воздействует на грунт и вызывает искрообразование, в результате чего и свойства грунта, и характеристики заземления могут отличаться в несколько раз от величин, полученных при протекании слабого стационарного тока. В настоящее время при проектировании и эксплуатации систем молние-защиты передающих линий и подстанций за базовые значения принимаются расчетные и опытные данные по сопротивлению заземления, полученные для низкочастотных воздействий, и применяются не зависящие от времени коэффициенты для случая импульсного воздействия. Кроме того используется модель однородного распределения протекающих токов в земле, а искрообразование учитывается по простейшей модели увеличения эффективного размера заземлителя. Оценка параметров перенапряжений по известным методикам во многих случаях не дает приемлемой для практики точности результатов и не позволяет выработать технические решения оптимизации конструкций заземляющих устройств. При возникновении в грунте плазменных каналов ток на защищаемые элементы может многократно превышать значения, рассчитанные по модели одно-
родного растекания тока. Особенно остро эта проблема стоит в регионах с высоким удельным сопротивлением грунта. Величина перенапряжения напрямую зависит от сопротивления заземления. Предельно допустимые значения сопротивлений заземления в нормативной документации по молниезащите не упоминаются, а предельные величины сопротивления для импульсных быстроменяющихся токов вообще не нормируются.
С помощью тока, в той или иной степени имитирующего ток молнии, проводятся только натурные испытания заземлителей в различных грунтах [4—9], как правило, на специальных полигонах. Импульсные сопротивления заземлите-лей при реальных токах молнии до настоящего времени надежно не определены. Возможен пересчет импульсного сопротивления заземления на большие токи с помощью критериев подобия [10, 11], пределы применимости которых не известны. В зависимости от типа грунта при росте тока наблюдается заметное снижение удельного сопротивления грунта р, а следовательно, и импульсного сопротивления заземления по сравнению с его стационарным значением р0 [10, 12]. При увеличении импульсного тока начинается ионизация вблизи заземлителя, переходящая в искрообразование. Причиной ионизации является достаточно сильное электрическое поле Е = ру, которое возникает при растекании в грунте импульсного тока с плотностью тока у. При больших токах вдоль поверхности грунта может развиваться плазменный канал, который с большой скоростью распространяется в воздухе в виде скользя-
щего разряда [1, 4, 13]. Канал высоковольтного импульсного разряда может распространяться и над поверхностью воды [14]. В основном поверхностный разряд возникает над слабопроводящи-ми грунтами и его длина может достигать нескольких сотен метров. До сих пор нет понимания физики процессов пробоя и формирования плазменных каналов в грунте при растекании больших импульсных токов.
Отношение сопротивлений заземления при сильном импульсном и слабом постоянном токах а = Z/R0 называют импульсным коэффициентом заземлителя. Импульсный коэффициент заземления а степенным образом зависит от параметра р01т/Ь [10, 11], где Ь — длина заземлителя, 1т — максимальное значение импульсного тока. Импульсное сопротивление заземления в слабопро-водящих грунтах при килоамперных токах может уменьшаться больше чем на порядок. Упрощенная модель связывает уменьшение сопротивления заземлителя с увеличением его эффективного радиуса из-за процессов ионизации в грунте [10, 15]. Параметр р0/т/Ь имеет условный смысл и не отражает физику процесса. Такой подход используется в настоящее время при расчете сопротивления заземления различных устройств [10, 11, 15, 16]. В лабораторных и натурных испытаниях импульсное сопротивление обычно определяют как отношение максимума напряжения на зазем-лителе к максимуму тока через него. В общем случае эти максимумы не совпадают во времени, причем реальный временной сдвиг может быть весьма существенным в микросекундном диапазоне, который свойственен грозовым перенапряжениям. Задача о растекании импульсного тока аналитически решена только для линейных сред и электродов простейшей конфигурации. Изменение характеристик заземлителей в зависимости от величины импульсного растекающегося тока на нелинейной стадии зависит от плотности тока, что объясняется процессами ионизации в грунте [15, 17].
Лабораторные исследования процессов растекания импульсных токов в грунте, характерных для токов молнии, возможны в случае сохранения плотности тока у поверхности заземлителя. Это позволяет при существенно меньших токах изучить физические процессы, происходящие при реальном растекании тока молнии в грунте. В настоящее время исследовано изменение удельного сопротивления при искрообразовании в грунте вблизи заземлителя. Определены критическая напряженность поля и ток, при которых начинается ионизация. В существующей теории им в соответствие ставится радиус ионизации почвы. Современные представления о режимах работы заземляющих устройств, как отмечалось в [17],
более чем скромные. Теория не может объяснить несоответствие между теоретическими значениями импульсных сопротивлений, вычисленных на основе радиуса ионизации, и опытными данными. Одной из причин является нелинейная зависимость напряженности электрического поля в грунте от плотности тока, даже в том случае, когда искрообразование не наблюдается. Этот эффект наиболее выражен в глинистых грунтах. В песчаных грунтах начальная вольтамперная характеристика почти линейна, что позволяет изучить непосредственно влияние ионизации на импульсное сопротивление заземления.
Целью настоящей работы являются экспериментальные исследования в лабораторных условиях растекания импульсного тока с шаровых электродов и возникновения электрического пробоя в кварцевом песке различной влажности при импульсных напряжениях 20—40 кВ.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Для исследования растекания тока в песке и развития пробоя использовались импульсы напряжения с коротким фронтом при скорости нарастания напряжения около 100 кВ/мкс и временем спада на полувысоте 5 мс. Исследования проводились в диэлектрическом баке диаметром б0 см, стенки которого изнутри были покрыты латунной сеткой, заземленной через токовый шунт Rш = 0.2—4 Ом. Напряжение на заземлителе измерялось омическим делителем. Исследовалось растекание тока с электрода в виде металлического стержня диаметром l см с шаром на конце. Диаметры шаров изменялись от l до б см. Металлические шары погружались в песок на половину диаметра для исследования растекания тока с полусферы и на глубину 4—6 см. Импульсное напряжение подавалось на электрод через балластное сопротивление Rg для ограничения тока. Для устранения влияния стержня на растекание тока с шара металлический стержень помещался в кварцевую трубку. Процесс растекания импульсного тока и процесс пробоя изучались в песке различной влажности при разной амплитуде прикладываемых импульсов и при различной длине разрядного промежутка. Влажность песка изменялась от 3 до 20%, чему соответствовало изменение удельного сопротивления в диапазоне от 4000 до 200 Ом/м. Импульсный ток и напряжение регистрировались четырехканальным осциллографом Tektronix DPO 7054.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В предпробойной стадии, начиная с некоторого момента времени, на осциллограммах фикси-
U, кВ
20 10 0
2 /
1 —Li. -
Jp M
I, A 3.00 2.25 1.50 0.75 0
U, кВ
?, мс
Рис. 1. Осциллограммы напряжения и тока при растекании тока со сферического электрода диаметром 4 см без пробоя: {7д = 27 кВ, 1т = 3.4 А, Яб = 24 Ом; влажность песка — 10%.
40 30 20 10
0
/
I / •
0.2
0.4
0.6
I, A
165 110 55
0
0.8
t, мс
Рис. 2. Осциллограммы напряжения и тока при пробое разрядного промежутка 12 см: &0 = 32 кВ, 1т = 80 А, Яб = 24 Ом; Диаметр сферы 4 см, влажность песка — 10%.
руется появление максимума тока. Максимальный импульсный ток всегда сдвинут относительно максимума напряжения в сторону больших времен. С увеличением влажности песка временной сдвиг возрастает. По этим осциллограммам были вычислены динамические сопротивления заземления R(t) во время протекания импульса тока. При пробое по осциллограммам определялись пробойный ток, пороговое напряжения пробоя Ub (минимальное напряжение, при котором происходит пробой промежутка) и время задержки пробоя ть. Типичные осциллограммы импульсов напряжения и тока при растекании тока без пробоя и при возникновении пробоя приведены на рис. 1 и 2.
Использование длинных миллисекундных импульсов позволяет пр
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.