CC BY
40
TexHiKa сильних електричних та магнтних полiв. Кабельна mexHiKa
УДК 621.3.022:537.311.8 doi: 10.20998/2074-272X.2017.1.06
М.И. Баранов, В.В. Князев, С.В. Рудаков
РАСЧЕТНАЯ И ОПЫТНАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НОРМИРОВАННОГО ПО МЕЖДУНАРОДНОМУ СТАНДАРТУ IEC 62305-1-2010 ИМПУЛЬСА ТОКА КОРОТКОГО УДАРА ИСКУССТВЕННОЙ МОЛНИИ НА ТОНКОСТЕННОЕ ПОКРЫТИЕ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ
Приведет результаты розрахунковоТ i doceidHoï ощнки електротержчноТ cmrnKocmi тонкостнного покриття зовт-шньоТ ^iвл висотноТ техшчноЧ споруди з неiржавiючоï стал мазк 12Х18Н10Т до прямо'1 diï на нього нормованого за мжнародним стандартом IEC 62305-1-2010 аперюдичного Шпульсу струму штучноТ блискавки часово'1 формы 10/350 мкс з амплтудою ait) 100 до 200 кА i заданими допусками на його амплimудно-чаcовi параметри. Показано, що вказа-ний тпульсний струм блискавки викликае лише локальне поверхневе тертчне пошкодження долджуваного стале-вого покриття при радiуci даноï зони пошкодження не бтьше 30 мм i глибин проплавлення його стнки не бтьше 50 мкм. Бiбл. 20, табл. 1, рис. 4.
Ключовi слова: iмпульс струму штучно!" блискавки часово!" форми 10/350 мкс, тонкостшне покриття з неiржавiючоï стал^ електротермiчна дiя струму блискавки на сталеве покриття, радiус i глибина зони проплавлення стшки стале-вого покриття, розрахункова i досввдна оцшка зони пошкодження покриття.
Приведены результаты расчетной и опытной оценки электротермической стойкости тонкостенного покрытия наружной кровли высотного технического сооружения из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т к прямому воздействию на него нормированного по международному стандарту IEC 62305-1-2010 апериодического импульса тока искусственной молнии временной формы 10/350 мкс c амплитудой от 100 до 200 кА и заданными допусками на его амплитудно-временные параметры. Показано, что указанный импульсный ток молнии вызывает лишь локальное поверхностное термическое повреждение исследуемого стального покрытия при радиусе данной зоны повреждения не более 30 мм и глубине проплавления его стенки не более 50 мкм. Библ. 20, табл. 1, рис. 4.
Ключевые слова: импульс тока искусственной молнии временной формы 10/350 мкс, тонкостенное покрытие из нержавеющей стали, электротермическое действие тока молнии на стальное покрытие, радиус и глубина зоны про-плавления стенки стального покрытия, расчетная и опытная оценка зоны повреждения покрытия.
Введение. В [1] авторами были приведены результаты расчетно-экспериментальных исследований электротермической стойкости опытных листовых тонкостенных (толщиной 1 мм и размером в плане 500 х 500 мм) образцов наружной кровли из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т высотных технических сооружений к прямому воздействию на них нормированных А- и С- компонент импульсного тока искусственной молнии, амплитудно-временные параметры (АВП) которых соответствовали действующим техническим требованиям нормативных документов США 8ЛБ ЛИР 5412 и 8ЛБ ЛИР 5416 применительно к летательным аппаратам [2, 3]. Как известно, в указанном случае импульсная затухающая синусоидальная А- компонента тока молнии характеризовалась следующими нормированными АВП [2, 3]: амплитудой тока /тА=±200 кА (при допуске ±10 %); интегралом действия тока ,/А=2-106 А2-с (при допуске ±20 %); временем, соответствующем амплитуде тока /тА, составляющем ^<50 мкс; продолжительностью протекания тока трА<500 мкс. Длительная апериодическая С- компонента тока молнии в этом случае имела следующие нормированные АВП [2, 3]: амплитуду тока /тС=±(200-800) А; переносимый током электрический заряд дС=±200 Кл (при допуске ±20 %); продолжительность протекания тока трС=(0,25-1) с. Отметим, что в [1] соответствующие эксперименты были выполнены на разработанном и созданном в 2007 году на экспериментально-испытательном исследовательском полигоне НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» (в отделе №4 «Электромагнитных исследований и испытаний») мощном высоковольтном генераторе тока
искусственной молнии УИТОМ-1 [4], формирующем на испытываемом техническом объекте (ТО) АВП импульсы тока грозового разряда с описанными А- и С- компонентами по требованиям указанных нормативных документов [2, 3]. Согласно действующим требованиям международного стандарта IEC 62305-12010 [5] при оценке защиты от короткого удара молнии зданий, технических сооружений и их частей, включая находящихся в них людей и инженерных сетей, используется нормированный апериодический импульс тока грозового разряда временной формы T\IT2 = 10 мкс/350 мкс положительной полярности, где Tb T2 — соответственно длительность фронта и длительность полуспада импульса тока молнии. Другие основные АВП такого импульса тока молнии для I уровня молниезащиты ТО характеризуются следующими численными значениями [5]: амплитудой тока /„¿=200 кА (при допуске ±10 %); интегралом действия тока (удельной энергией) JL=10-106 А2-с (при допуске ±35 %); количеством протекшего электрического заряда qL=100 Кл (при допуске ±20 %). Для II уровня молниезащиты ТО рассматриваемые АВП тока молнии имеют нижеследующие численные значения [5]: амплитуду тока /„¿=150 кА (при допуске ±10 %); интеграл действия тока (удельную энергию) JL=5,6-106 А2-с (при допуске ±35 %); количество протекшего электрического заряда qL=75 Кл (при допуске ±20 %). Для наиболее низких III—IV уровней молниезащиты ТО указанные АВП тока грозового разряда должны соответствовать следующим техническим требованиям [5]: амплитуде тока /„¿=100 кА (при допуске
© М.И. Баранов, В.В. Князев, С.В. Рудаков
±10 %); интегралу действия тока (удельной энергии) ./¿=2,5-106 А2-с (при допуске ±35 %); количеству протекшего электрического заряда дь=50 Кл (при допуске ±20 %). В этой связи несомненный практический интерес представляет электрофизическая задача, связанная с оценкой электротермической стойкости тонкостенных листовых покрытий из нержавеющей стали наружной кровли высотных технических сооружений к прямому воздействию на них апериодического импульса тока короткого удара молнии временной формы 10/350 мкс с АВП, представленными в [5].
Целью статьи является определение результатов воздействия на тонкостенное листовое покрытие из нержавеющей стали, установленное на кровле высотного технического сооружения, импульса тока короткого удара молнии с нормированными по требованиям международного стандарта 1ЕС 62305-1-2010 АВП.
1. Постановка задачи исследования электротермической стойкости тонкостенного стального покрытия к импульсу тока молнии 10/350 мкс. В рамках данного прикладного исследования рассмотрим плоское листовое тонкостенное стальное покрытие толщиной к<1 мм, испытывающее в воздушной среде с установившейся температурой в0 прямое воздействие на него сильноточного плазменного цилиндрического канала короткого грозового разряда с импульсным апериодическим током соответствующим техническим требованиям [5]. Пусть канал молнии в зоне его привязки на наружной поверхности стального покрытия, выполненного из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т [1], имеет максимальный радиус г0, удовлетворяющий в системе СИ в месте размещения защищаемого ТО известной формуле Брагинского [6]: г(р0,093-(1тЬ)ю-(ГтЬ)У2, где 1тЬ - амплитуда апериодического импульса тока молнии временной формы 10/350 мкс, а т - время, соответствующее амплитуде тока ¡ть. Примем, что величину т можно приближенно определить из соотношения вида [7]: /„¿~1,6Т1. Полагаем, что плотность импульсного тока дь и плотность теплового потока gL в цилиндрическом плазменном канале молнии практически равномерно распределены по его круглому поперечному сечению >%=пг02 Одним из подтверждений тому является то, что в сильноточном канале электрического газового разряда термодинамические электронные и ионные температуры его низкотемпературной плазмы в первом приближении характеризуются практически однородным распределением по его радиусу г0 [8]. Считаем, что в процессе воздействия канала молнии на рассматриваемое тонкостенное стальное покрытие округлая зона его привязки радиусом г0 остается практически неподвижной относительно стенки покрытия. Принимаем то допущение, что объем У0 расплавленного апериодическим импульсом тока молнии /£,(/) металла покрытия определяет, в конечном счете, объем зоны его повреждения и при соответствующих условиях форму зоны его проплавления. Расчетную оценку результатов электротермического действия указанного сильноточного цилиндрического канала молнии на стальное покрытие ТО выполним в предположении неизменности в процессе короткого удара
грозового разряда основных теплофизических характеристик материала рассматриваемого покрытия ТО.
2. Расчетная оценка результатов электротермического воздействия на тонкостенное стальное покрытие импульса тока молнии 10/350 мкс. Как известно, термическое повреждение металлических и изоляционных (композиционных) элементов ТО в местах прямого удара в них молнии обусловлено наличием интенсивного теплового потока в плазменном канале грозового разряда [9]. Плотность gL теплового потока в канале молнии, воздействующая на исследуемое стальное покрытие ТО, определяется плотностью 4 тока в нем (канале) и падением электрического напряжения иас в приэлектродной зоне плазменного канала рассматриваемого сильноточного разряда. Для оценки величины плотности gL теплового потока, поступающего в стальное покрытие (в один из электродов в расчетной двухэлектродной воздушной системе грозового разряда) ТО, можно воспользоваться следующим приближенным соотношением [10, 11]:
gL = &Ь •иас , (1)
где иас - величина приэлектродного падения напряжения в области стального покрытия, выполняющего в двухэлектродной системе (ДЭС) роль катода при заданной положительной полярности тока молнии.
В соответствии с экспериментальными данными, представленными в [10], величина иас для основных проводниковых материалов расчетной ДЭС, используемых в летательных (наземных) аппаратах и иных ТО, изменяется в достаточно узком диапазоне, составляющем от 5 до 10 В. Применительно к рассматриваемому нами стальному покрытию-катоду величина иас численно составляет около 6,1 В [10]. Тогда, с учетом (1) для количества тепла Q, поступающего в стальное покрытие при прямом ударе в него молнии, можно записать следующее расчетное соотношение:
да да
Q = п|gLr0dt = пиас |= иас^ , (2) 0 0
да
где д^= 1- количество электрического заряда
0
положительной полярности из плазменного канала молнии, протекающего через стальное покрытие.
С другой стороны, для величины количества тепла Q, выделившегося в материале стального покрытия при его поражении прямым ударом молнии, будет справедливо следующее расчетное соотношение [12]: Q = т0 [С/вт - 00) + Ст ], (3)
где т0=ё0У0 - масса нагреваемого импульсным током молнии до температуры плавления вт материала покрытия, имеющего плотность ё0 и объем ¥0; С0 - теплоемкость материала покрытия; Ст - удельная теплота плавления материала покрытия.
2.1. Расчетная оценка объема зоны расплавления в стенке стального покрытия. Из (2) и (3) для величины объема У0 расплавленного материала стального покрытия ТО при воздействии на него короткого удара молнии получаем расчетное выражение вида:
V, = UacдLd01[Cо(вm - 00) + Ст ]-1 . (4)
Из (4) видно, что полученное нами описанным выше приближенным электрофизическим путем расчетное аналитическое соотношение для нахождения расплавленного импульсным апериодическим током молнии iL(f) объема У0 тонкостенного стального покрытия ТО полностью соответствует оценочному соотношению, рекомендуемому в этом случае согласно [5] международным стандартом 1ЕС 62305-1-2010 (см. в [5] Приложение Б, формулу Б.9). Ниже в табл. 1 приведены численные данные для основных электро-и теплофизических параметров используемой нами марки стали для тонкостенного покрытия кровли ТО.
Таблица 1
Основные электро- теплофизические параметры для стали марки 12Х18Н10Т при комнатной температуре (0о=2О °С)
Параметр Размерность Значение
иас В 6,1
do кг/м3 7900
С Дж/(кг-°С) 462
вт °С 1455
С ^т Дж/кг 84103
Тогда из (4) и данных табл. 1 следует, что для расчетной оценки величины расплавленного коротким ударом молнии объема V, металла покрытия ТО необходимо знать лишь величину электрического заряда qL, протекшего через исследуемое покрытие. Для нахождения величины заряда qL по (2) используем следующее аналитическое выражение для апериодического импульса тока молнии ^) временной формы 10/350 мкс, протекающего по покрытию ТО [14, 15]:
к^) = kLImL [ехР ( - а$ - ехр ( - а2^], (5) где а^0,76/72, а2—2,37/7 - соответственно коэффициенты формы апериодического импульса тока молнии с заданными АВП; к^=[(а\/а2)в - (а^а^]-1 - нормирующий коэффициент; в=а1/(а2-а1); у=а2/(а2-а1).
В результате с учетом (5) для величины электрического заряда qL, протекающего при используемой временной форме 7/7=10/350 мкс апериодического импульса тока через поражаемое коротким ударом молнии исследуемое стальное покрытие ТО, находим:
да
qL = $^т - kLImL [1,315^2 - 0,422^]. (6)
0
Расчетная численная оценка величины заряда qL по предлагаемому соотношению (6) показывает, что при заданной временной форме 7/7=10/350 мкс импульса тока молнии iL(f) по (5) с найденным нами нормирующим коэффициентом к—1,054 и нормированных согласно техническим требованиям [5] амплитудах этого импульсного тока 1^=100 кА и ImL=200 кА она (величина заряда qL) принимает соответственно численные значения 48,1 и 96,2 Кл. Эти оценочные по (6) значения заряда qL для указанных выше двух нормированных случаев лишь на не более чем 4 % отличаются от его (заряда) соответствующих нормированных значений, принимающих по требованиям [5] численные показатели в 50 и 100 Кл. Учитывая последнее, соотношение (6) может быть использовано в области молниезащиты ТО для расчетных
оценок величины электрического заряда qL, протекающего через металлическое покрытие ТО при прямом воздействии на него короткого удара молнии.
При определении последствий электротермического воздействия короткого удара молнии на металлическое или изоляционное (композиционное) покрытие ТО важным параметром такого действия является нормированный в [5] интеграл действия JL импульсного тока молнии (удельная энергия с размерностью Дж/Ом). Используя (5), для интеграла действия JL апериодического импульса тока молнии ^) временной формы 7/7=10/350 мкс в принятом приближении получаем следующее расчетное соотношение:
да
^ = $^т - к2ь^ [0,658T2 - 0,63371 ]. (7) 0
Из (7) при 7/Т2=10/350 мкс (к-1,054) в нормируемых по требованиям [5] случаях, когда 1^=100 кА или т=200 кА, следует, что величина интеграла действия JL принятого апериодического импульса тока молнии ^) принимает соответственно расчетные численные значения 2,49-106 и 9,96-106 А2-с. Эти полученные нами оценочные значения величины интеграла действия JL рассматриваемого импульса тока молнии не более чем на 1 % отличаются от нормируемых при этом в [5] численных значений JL, составляющих соответственно 2,5-10 и 10-106 А2-с. Поэтому соотношение (7) может использоваться в области молниезащиты ТО при расчетных оценках величины интеграла действия JL апериодического импульса тока линейной молнии временной формы 71/72=10/350 мкс, воздействующего на металлическое или изоляционное (композиционное) покрытие защищаемого ТО.
2.2. Расчетная оценка глубины лунки про-плавления стенки стального покрытия. Исходя из (4) и цилиндрической формы указанным радиусом г0 лунки термического повреждения на наружной плоской поверхности исследуемого металлического покрытия ТО из-за действия сильноточного канала молнии, для глубины кт лунки проплавления получаем:
К = 36,8 • иXI [[т - в0) + Ст Г1. (8)
Из (8) при нормированной амплитуде 1^-184 кА импульса тока короткого удара искусственной молнии временной формы 7х/Т2=15/315 мкс (^-24 мкс; к1~ 1,083; qL—81,3 Кл), имитированного нами в лабораторных условиях (см. ниже раздел 4), и исходных электро- и теплофизических параметрах для нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т рассматриваемого тонкостенного (й<1 мм) покрытия ТО, приведенных в табл. 1, для глубины кт лунки проплавления следует, что она численно составляет около 39,8 мкм. При этом максимальный радиус г0-0,093-(1тЛ)1/3-(^Л)1/2 цилиндрической лунки проплавления для стального покрытия оказывается численно равным около 25,9 мм.
2.3. Расчетная оценка радиуса лунки сквозного проплавления стенки стального покрытия. Исходя из (4), для тонкостенного стального покрытия, когда с учетом (8) выполняется условие сквозного проплавления импульсным апериодическим током молнии ^) временной формы 71/72=10/350 мкс его стенки Ит>к, расчетное соотношение для радиуса гт
лунки сквозного проплавления стенки исследуемого покрытия принимает следующий приближенный вид:
гт = (иасдь(ппк0)~1[С0(вт - 00) + Ст Г1 2. (9)
Количественная оценка по (9) величины радиуса гт округлой лунки сквозного проплавления стенки рассматриваемого стального покрытия ТО толщиной к~кт~40 мкм коротким ударом молнии с указанными нормированными по [5] значениями АВП импульсного тока (/„£,-184 кА; 7\~15 мкс; Т2-315 мкс; /ь-1,083; дь-81,3 Кл) показывает, что в этом случае она принимает численное значение, примерно равное 25,9 мм. Видно, что в рассматриваемом приближении численное значение радиуса гт лунки сквозного проплавле-ния стенки покрытия практически соответствует расчетному значению максимального радиуса г0 канала молнии, определяемому приведенной выше формулой Брагинского [6]. Данный результат указывает на достоверность полученного расчетного соотношения (9).
3. Расчетная оценка температуры плазмы сильноточного канала грозового воздушного искрового разряда. При комплексном подходе к рассматриваемой нами электрофизической задаче специалистам важно ориентироваться в численных уровнях температуры, возникающих в сильноточных воздушных искровых разрядах молнии и непосредственно воздействующих на наружные элементы защищаемых ТО. При этом будем считать, что для низкотемпературной плазмы сильноточного воздушного искрового разряда молнии при временах /<т выполняется условие ее неизотермичности, при котором в ней (плазме) максимальная температура Тте носителей электронного тока превышает максимальную температуру Ттг носителей ионного тока (Тте>Тт) [12]. Используя результаты прикладных исследований, приведенные в [11, 15], для максимальной электронной температуры Тте плазмы канала короткого разряда молнии в атмосферном воздухе при нормальных условиях (давление воздуха составляет 1,013-105 Па, а его температура равна 00=0 °С [12]) можно записать следующее приближенное расчетное соотношение:
Тте - 3,28 4/^А^ть) , (10)
где стс=5,67-10-8 Вт-(м2-К4)-1 - постоянная Стефана-Больцмана [12].
Подставив в (10) при стс=5,67-10-8 Вт-(м2-К4)-1 и иас=6,1 В соответствующие исходные численные данные для нормированного по требованиям [5] апериодического импульса тока молнии временной формы Т1 /Т2=10/350 мкс (/тЬ-2-105 А; т-16-10-6 с), находим, что в исследуемом случае максимальная электронная температура Тте плазмы сильноточного канала грозового воздушного разряда численно составляет Тте-14,6-103 К. Следует отметить, что полученное по (10) численное значение для электронной температуры Тте хорошо согласуется с приведенными в [16, 17] известными экспериментальными результатами для рассматриваемых температур плазменных сильноточных каналов воздушных искровых разрядов, широко применяемых в электротехнологиях, базирующихся на основе высоковольтной импульсной техники [18].
4. Опытная оценка результатов электротермического воздействия на тонкостенное стальное покрытие импульса тока молнии 10/350 мкс. Экспериментальную проверку работоспособности некоторых приведенных нами расчетных соотношений (в частности, (4), (6), (8) и формулы Брагинского для r0) выполним на разработанном и созданном в НИПКИ «Mолния» НТУ «ХПИ» в 2014 году уникальном мощном высоковольтном генераторе типа ГИТM-10/350 [19, 20], моделирующем на низкоомной и малоиндуктивной электрической нагрузке апериодические импульсы тока искусственной молнии временной формы T1/T2=10/350 мкс в соответствии с действующими требованиями международного стандарта IEC 623051-2010 [5]. С этой целью в воздушную ДЭС сильноточной разрядной цепи rfflM-10/350, размещенную на рабочем столе данного высоковольтного генератора, при 00^20 °С помещались опытные листовые образцы из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, имеющие размер в плане 500 х 500 мм и толщину h=1 мм. Отметим, что в использованной в экспериментах ДЭС с верхним электродом цилиндрической формы диаметром 25 мм, выполненным из стали марки Ст. 3, длина воздушного зазора между его закругленным по радиусу около 12,5 мм краем и опытным листовым образцом из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т составляла примерно 14 мм. Для инициирования над опытным стальным образцом сильноточного плазменного канала искрового разряда короткого удара искусственной молнии в воздушный промежуток ДЭС помещалась тонкая медная проволочка диаметром 0,2 мм и длиной около 37 мм, закрепленная на ее верхнем стальном электроде и подходящая нормально сверху к плоскости опытного образца стальной кровли ТО с воздушным зазором длиной примерно в 3 мм.
Измерение АВП апериодического импульса тока искусственной молнии, формируемого в сильноточной разрядной цепи ГИТM-10/350 и воздействующего на опытный листовой образец стальной кровли ТО проводилось с помощью поверенных государственной метрологической службой измерительного коаксиального шунта типа ШК-300 [4], имеющего коэффициент преобразования KmL~ 10417 А/В, и цифрового запоминающего осциллографа типа Tektronix TDS 1012. На рис. 1 приведена осциллограмма получаемого в рассматриваемом случае с помощью высоковольтного ГИТM-10/350 апериодического импульса тока iL(t) искусственной молнии положительной полярности при коротком грозовом воздушном разряде.
Укажем, что при получении приведенной на рис. 1 осциллограммы апериодического импульса тока искусственной молнии в сильноточной разрядной цепи высоковольтного ГИТM-10/350 три его генератора импульсных токов (ГИТ) содержали в общем количестве 171 шт. параллельно включенных и заряжаемых до постоянного электрического напряжения Uc1-3~17 кВ высоковольтных импульсных конденсаторов типа ИК-50-3, а четвертый ГИТ был построен на основе 288 шт. последовательно-параллельно включенных и параллельно заряжаемых до постоянного электрического напряжения Uc4~4,5 кВ высоковольтных импульсных конденсаторов типа KM2-5-140
(на их выходе) [19, 20]. Из данных рис. 1 следует, что воздействующий в указанном случае на опытный листовой образец стальной кровли импульс тока короткого удара искусственной молнии в целом соответствует жестким требованиям международного стандарта 1ЕС 62305-1-2010 [5] применительно к ПНУ уровням молниезащиты ТО. Подтверждением тому является то, что основные АВП протекающего через опытный стальной образец ТО толщиной к=1 мм нормированного импульса тока имитированной молнии при этом имели следующие численные значения: 7^-100 кА; 7\~15 мкс; 72-315 мкс; <&~44,2 Кл;
~2,32-106 А2-с.
Тек
| Acq Complete М Pos: 200.0jus
■" "4" " Е
Е
-
,,, vy ,,,,
Е
Е
Г1- : ;
CURSOR Type
Source
Delta 9,60V
Cursor 1 0,00V
Cursor 2 0,60V
оценка тепловой энергии выделяющейся при проводимых сильноточных экспериментах на высокоом-ном тонкостенном нихромовом диске используемого измерительного шунта типа ШК-300 [4], может быть выполнена по следующей приближенной формуле:
Щ - 3 . (11)
СН1 2.00VEW М SO.Ojjs СН1 1640nnV
Рис. 1. Осциллограмма нормированного апериодического импульса тока искусственной молнии временной формы
15/315 мкс с амплитудой /„¿=100 кА (qL=44,2 Кл; JL=2,32T06 Л2-с), воздействующего в цепи ГИТМ-10/350 на опытный тонкостенный (h=1 мм) листовой образец наружной кровли ТО из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т
На рис. 2 показана осциллограмма нормированного по техническим требованиям [5] апериодического импульса тока искусственной молнии временной формы 7\/Г2=15/315 мкс, воздействующего в сильноточной разрядной цепи ГИТМ-10/350 на опытный образец стальной кровли ТО и практически соответствующего I уровню молниезащиты ТО (/„¿=184 кА; 71=15 мкс; 72=315 мкс; qL=81,3 Кл; JL=7,88-106 Л2-с).
Из локального скачкообразного «хода» на рис. 2 кривой импульса тока короткого удара искусственной молнии (на его спаде) в разрядной цепи мощной электроустановки ГИТМ-10/350 (Uc1-3=31 кВ; Uc4=9,4 кВ), размещенной на экспериментально-испытательном исследовательском полигоне НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» (в отделе №4 «Электромагнитных исследований и испытаний»), протекающего через опытный листовой стальной образец кровли ТО и измерительный коаксиальный шунт типа ШК-300, следует, что данный импульс тока молнии iL(t) с указанным нормированным по [5] значением интеграла действия Jl=7,88-106 Л2 •с приводит к большим электротермическим и электродинамическим воздействиям не только на исследуемый стальной образец (рис. 3), но и на токопроводящие элементы конструкции используемого коаксиального шунта. Укажем, что активное сопротивление сильноточной бифилярной цепи шунта типа ШК-300 составляло Ri=0,2 мОм [1, 4]. Численная
СН1 5.00УЕ^1 М 50Дш СН1 11,20У
Рис. 2. Осциллограмма нормированного апериодического импульса тока искусственной молнии временной формы 15/315 мкс с амплитудой 7т~184 кА (д^-81,3 Кл; /¿=7,88-106 А2-с), воздействующего в цепи ГИТМ-10/350 на опытный тонкостенный (к=1 мм) листовой образец наружной кровли ТО из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т
Из (11) при указанных исходных данных (^^0,2 мОм; ,/1~7,88-106 А2-с) следует, что в рассматриваемом опыте (7,^-184 кА; 7!-15 мкс; 72-315 мкс; д,-81,3 Кл) на измерительном шунте типа ШК-300 (в основном на его высокоомном нихромовом тонкостенном диске) выделяется энергия около Щ—1,6 кДж.
Рис. 3. Результаты электротермического воздействия нормированного апериодического импульса тока искусственной молнии временной формы 15/315 мкс с амплитудой 7т,-184 кА на опытный тонкостенный (к=1 мм) образец кровли ТО из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т
Выполненные на высоковольтной сильноточной установке ГИТМ-10/350 эксперименты показали, что измерительный коаксиальный шунт типа ШК-300 [4] разработки НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» (отдел № 3 «Высоковольтной импульсной техники») практически взрывообразного выделения в нем за счет явления электрического взрыва (ЭВ) металла его тонкостенно-
го нихромового диска [15] такого количества тепловой энергии не выдерживает. Проведенные экстремальные опыты показали, что величина выделяющейся на измерительном коаксиальном шунте ШК-300 [4] тепловой энергии от протекания по нему апериодического импульса тока искусственной молнии временной формы 7/7=15/315 мкс не должна численно превышать значения, равного 0,5 кДж. Это значение тепловой энергии соответствует Ш-1У уровням молниезащиты ТО, когда 1^-100 кА [5, 19]. В рассматриваемом случае более общим показателем рассеиваемой высокоомным тонкостенным нихромо-вым диском измерительного коаксиального шунта ШК-300 тепловой энергии является предельно допустимая удельная энергия Wi/Ri, равная предельно допустимому интегралу действия импульса тока молнии JLi и численно составляющая около 2,5-106 Дж/Ом.
На рис. 4 приведен внешний вид измерительного коаксиального шунта типа ШК-300 [4] как до, так и после протекания по нему в сильноточной разрядной цепи ГИТМ-10/350 нормированного апериодического импульса тока искусственной молнии временной формы 15/315 мкс с амплитудой 1^-184 кА ^-81,3 Кл; JL-7,88•106 А2-с). Видно, что этот импульс тока короткого удара имитированной молнии приводит из-за ЭВ определенной части металла тонкостенного нихромового диска измерительного коаксиального шунта типа ШК-300 [4], сопровождающегося резким повышением давления внутри коаксиальной конструкции шунта, к его разрушению и выходу из строя.
Рис. 4. Общий вид измерительного коаксиального шунта типа ШК-300 до (слева) и после (справа) протекания через
него в сильноточной разрядной цепи высоковольтного ГИТМ-10/350 нормированного апериодического импульса тока искусственной молнии временной формы 15/315 мкс с амплитудой 4^=184 кА (д//=81,3 Кл; 71,=7,88^106 А2-с)
Из данных рис. 3 видно, что прямое воздействие на опытный листовой образец кровли ТО из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т толщиной к=1 мм нормированного апериодического импульса тока искусственной молнии временной формы 15/315 мкс с амплитудой т-184 кА ^-81,3 Кл; JL-7,88•106 А2-с), формируемого в разрядной цепи ГИТМ-10/350, приводит к существенному термическому повреждению лишь его (образца) наружной поверхности в округлой зоне привязки на ней цилиндрического канала сильноточного воздушного искрового разряда имитированной молнии на стадии ее короткого удара. При этом радиус зоны термического повреждения рассматриваемого стального покрытия соответствует радиусу Г0-0,093^(1ть)Уъ^ть)Ш согласно формуле
Брагинского для сильноточного плазменного канала искусственного воздушного грозового разряда [6, 7], составляющему около 27 мм. Одной из особенностью данной зоны повреждения является образование по ее округлому периметру торчащей наружу в отрыве от наружной поверхности исследуемого листового покрытия пикообразной стальной «бороды» длиной до 15 мм, толщина которой составляет примерно 40 мкм. Образование подобной «бороды» при прямом воздействии в воздухе на рассматриваемое стальное покрытие короткого удара искусственной молнии с импульсом тока временной формы 7/7=15/315 мкс связано с поверхностным расплавлением стального покрытия в округлой зоне привязки на нем канала молнии и последующим радиальным выбросом наружу расплавленного металла из-за действующих на него электродинамических сил Лоренца [12]. Обследование эпицентра зоны термического повреждения испытываемого в разрядной цепи ГИТМ-10/350 стального покрытия ТО показывает, что в этом случае (1^-184 кА; qL—81,3 Кл; JL-7,88•106 А2-с) глубина кт лунки про-плавления стенки покрытия из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т (к = 1 мм) не превышает 42 мкм. Данное полученное опытным путем численное значение глубины кт практически соответствует ее расчетному значению, определенному нами ранее по (8).
Выводы.
1. Результаты выполненных в НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» оценочных расчетных и экспериментальных исследований электротермической стойкости опытных листовых образцов наружной кровли защищаемого ТО размером в плане 500 х 500 мм из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т толщиной к=1 мм к прямому воздействию на них в воздухе нормированного по международному стандарту 1ЕС 62305-1-2010 апериодического импульса тока искусственной молнии временной формы 10/350 мкс с соответствующими допусками на его АВП указывают на то, что исследуемые тонкостенные стальные образцы ТО подвергаются лишь локальному поверхностному термическому повреждению. При указанном действии импульсного тока короткого удара искусственного воздушного грозового разряда, удовлетворяющего требованиям 1-1У уровней молниезащиты ТО, глубина кт лунки приповерхностного проплавления стенки (к=1 мм) исследуемого стального покрытия не превышает 50 мкм, а ее максимальный радиус г0 - 30 мм.
2. Установлено, что предельно допустимым уровнем тепловой энергии рассеиваемой измерительным коаксиальным шунтом ШК-300 с высокоомным тонкостенным нихромовым диском в сильноточной разрядной цепи высоковольтной электроустановки ГИТМ-10/350 с нормированным по международному стандарту 1ЕС 62305-1-2010 апериодическим импульсом тока искусственной молнии временной формы 15/315 мкс, является ее численное значение, не превышающее 0,5 кДж и соответствующее требованиям Ш-1У уровней молниезащиты ТО. Это предельно допустимое значение рассеиваемой указанным шунтом тепловой энергии соответствует для него такому обобщенному показателю как удельная рассеиваемая им тепловая энергия, определяемая в виде
W/R и численно равная предельно допустимому для его цепи с сопротивлением R¡ интегралу действия импульса тока искусственной молнии JL¿~2,5-106 Дж/Ом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баранов М.И., Князев В.В., Кравченко В.И., Рудаков С.В. Результаты расчетно-экспериментальных исследований электротермической стойкости опытных образцов из листовой стали к воздействию нормированных компонент импульсного тока искусственной молнии // Електротехнжа i електромехашка. - 2016. - №3. - С. 40-49. doi: 10.20998/2074-272X.2016.3.07.
2. SAE ARP 5412: 2013. Aircraft Lightning Environment and Ralated Test Waveforms. SAE Aerospace. USA, 2013. - pp. 1-56.
3. SAE ARP 5416: 2013. Aircraft Lightning Test Methods. SAE Aerospace. USA, 2013. - pp. 1-145.
4. Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И., Недзель-ский О.С., Дныщенко В.Н. Генератор тока искусственной молнии для натурных испытаний технических объектов // Приборы и техника эксперимента. - 2008. - №3. - С. 81-85. doi: 10.1134/s0020441208030123.
5. IEC 62305-1: 2010 «Protection against lightning. Part 1: General principles». Geneva, IEC Publ., 2010.
6. Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б. Теория искры. - М.: Атомиздат, 1975. - 272 с.
7. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Монография в 2-х томах. Том 2, Кн. 2: Теория электрофизических эффектов и задач. - Х.: Точка, 2010. - 407 с.
8. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987. - 592 с.
9. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита. - М.: Знак, 2003. - 330 с.
10. Абрамов Н.Р., Кужекин И.П., Ларионов В.П. Характеристики проплавления стенок металлических объектов при воздействии на них молнии // Электричество. - 1986. - №11. - С. 22-27.
11. Баранов М.И. Приближенный расчет максимальной температуры плазмы в сильноточном канале искрового разряда высоковольтного воздушного коммутатора атмосферного давления // Техшчна електродинамжа. - 2010. - №5. -С. 18-21.
12. Кузьмичев В. Е. Законы и формулы физики / Отв. ред.
B.К. Тартаковский.- Киев: Наукова думка, 1989.- 864 с.
13. http://www.sgkarkas.ru/spravochnik/marochnik_stalej/12h1 8n10t.
14. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Монография. Том 3: Теория и практика электрофизических задач. - Х.: Точка, 2014. - 400 с.
15. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Монография в 2-х томах. Том 2, Кн. 1: Теория электрофизических эффектов и задач. - Х.: НТУ «ХПИ», 2009. - 384 с.
16. Дашук П.Н., Зайенц С.Л., Комельков В.С., Кучинский Г.С., Николаевская Н.Н., Шкуропат П.И., Шнеерсон Г.А. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. -М.: Атомиздат, 1970. - 472 с.
17. Гулый Г.А. Научные основы разрядно-импульсных технологий. - К.: Наукова думка, 1990. - 208 с.
18. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. - М.: Наука, 2004. - 704 с.
19. Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И., Рудаков
C. В. Мощный высоковольтный генератор апериодических импульсов тока искусственной молнии с нормированными по международному стандарту IEC 62305-1-2010 амплитудно-временными параметрами // Електротехнжа i електроме-ханжа. - 2015. - №1. - С. 51-56. doi: 10.20998/2074-272X.2015.1.10.
20. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Rudakov S.V. A generator of aperiodic current pulses of artificial light-
ning with a rationed temporal form of 10 ^s/350 ^s with an amplitude of ±(100-200) kA // Instruments and Experimental Techniques. - 2015. - vol.58. - no.6. - pp. 745-750. doi: 10.1134/s0020441215060032.
REFERENCES
1. Baranov M.I., Kniaziev V.V., Kravchenko V.I., Rudakov S.V. Results of calculation-experimental investigations of electro-thermal resistibility of sheet steel samples to action of rationed components of pulsed current of artificial lightning. Electrical engineering & electromechanics, 2016, no.3, pp. 40-49. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2016.3.07.
2. SAE ARP 5412: 2013. Aircraft Lightning Environment and Ralated Test Waveforms. SAE Aerospace. USA, 2013. - pp. 1-56.
3. SAE ARP 5416: 2013. Aircraft Lightning Test Methods. SAE Aerospace. USA, 2013. - pp. 1-145.
4. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Nedzel'skii O.S., Dnyshchenko V.N. A Current Generator of the Artificial Lightning for Full-Scale Tests of Engineering Objects. Instruments and Experimental Technique, 2008, no.3, pp. 401405. doi: 10.1134/s0020441208030123.
5. IEC 62305-1: 2010 «Protection against lightning. Part 1: General principles». Geneva, IEC Publ., 2010.
6. Lozanskiy E.D., Firsov O.B. Teorija iskry [Theory of spark]. Moscow, Atomizdat Publ., 1975. 272 p. (Rus).
ZBaranov M.I. Izbrannye voprosy elektrofiziki. Tom 2, Kn. 2: Teoriia elektrofizicheskikh effektov i zadach [Selected topics of Electrophysics. Vol.2, Book 2. A theory of electrophysical effects and tasks]. Kharkiv, NTU «KhPI» Publ., 2010. 407 p. (Rus).
8. Rayzer Yu.P. Fizika gazovogo razrjada [Physics of gas charge]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 592 p. (Rus).
9. Kuzhekin I.P., Larionov V.P., Prohorov E.N. Molnija i mol-niezashchita [Lightning and protection from lightning]. Moscow, Znak Publ., 2003. 330 p. (Rus).
10. Abramov N.R., Kuzhekin I.P., Larionov V.P. Characteristics of penetration of the walls of metal objects when exposed to lightning. Electricity, 1986, no.11, pp. 22-27. (Rus).
11. Baranov M.I. An approximate calculation of the maximum temperature of the plasma in high-current high-voltage spark discharge channel switch air atmospheric pressure. Tekhnichna Elektrodynamika, 2010, no.5, pp. 18-21. (Rus).
12. Kuz'michev V.E. Zakony i formuly fiziki [Laws and formulas of physics]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1989. 864 p. (Rus).
13. Available at: http://www.sgkarkas.ru/spravochnik/marochnik stalej/12h18n10t (Accessed 11 July 2015).
14. Baranov M.I. Izbrannye voprosy elektrofiziki. Tom 3: Teorija i praktika elektrofizicheskih zadach [Selected topics of Electrophysics. Vol. 3: Theory and practice of electrophysics tasks]. Kharkiv, Tochka Publ., 2014. 400 p. (Rus).
15. Baranov M.I. Izbrannye voprosy elektrofiziki: Monografija v 2-h tomah. Tom 2, Kn. 1: Teorija elektrofizicheskih effektov i zadach [Selected topics of Electrophysics: Monograph in 2 vols. Vol. 2, book. 1: Theory of electrophysics effects and tasks]. Kharkov, NTU «KhPI» Publ., 2009. 384 p. (Rus).
16. Dashuk P.N., Zayents S.L., Komel'kov V.S., Kuchinskiy G.S., Nikolaevskaya N.N., Shkuropat P.I., Shneerson G.A. Tehnika bol'shih impul'snyh tokov i magnitnyh polej [Technique large pulsed currents and magnetic fields]. Moscow, Atomizdat Publ., 1970. 472 p. (Rus).
17. Gulyi G.A. Nauchnye osnovy razriadno-impul'snykh tekhnologii [Scientific basis of the discharge-pulse technology]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1990. 208 p. (Rus).
18. Mesiats G.A. Impul'snaja energetika i elektronika [Pulsed power and electronics]. Moscow, Nauka Publ., 2004. 704 p. (Rus).
19. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Rudakov S.V. A powerful high-voltage generator of aperiodic impulses of current of artificial lightning with the peak-temporal parameters
rated on an International Standard IEC 62305-1-2010. Electrical engineering & electromechanics, 2015, no.1, pp. 51-56. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2015.1.10.
20. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Rudakov S.V. A generator of aperiodic current pulses of artificial lightning with a rationed temporal form of 10 ^s/350 ^s with an amplitude of ±(100-200) kA. Instruments and Experimental Techniques, 2015, vol.58, no.6, pp. 745-750. doi: 10.1134/s0020441215060032.
Поступила (received) 29.08.2016
Баранов Михаил Иванович1, д.т.н., гл.н.с., Князев Владимир Владимирович1, к.т.н., с.н.с, Рудаков Сергей Валерьевич2, к.т.н., доц.,
1 НИПКИ «Молния»
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, тел/phone +38 057 7076841, e-mail: eft@kpi.kharkov.ua
2 Национальный университет гражданской защиты Украины, 61023, Харьков, ул. Чернышевского, 94,
тел/phone +38 057 7073438, e-mail: serg_73@i.ua
M.I. Baranov1, V.V. Kniaziev1, S.V. Rudakov2
1 Scientific-&-Research Planning-&-Design Institute «Molniya», National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 47, Shevchenko Str., Kharkiv, 61013, Ukraine.
2 National University of Civil Protection of Ukraine, 94, Chernyshevska Str., Kharkiv, 61023, Ukraine. Calculation and experimental estimation of results of electrothermal action of rationed by the international standard IEC 62305-1-2010 impulse current of short blow of artificial lightning on the thin-walled coverage from stainless steel. Purpose. Calculation and experimental researches of electrothermal resistibility of the pre-production thin-walled sheet models of outward roof of height technical buildings from stainless steel are easily soiled 12Х18Н10Т to direct action on them rationed by the International Standard IEC 62305-1-2010 aperiodic impulse of current of short bow of artificial lightning of temporal form 10/350 ¡us with the proper admittances on his peak-temporal parameters (PTP). Methodology. Electrophysics bases of technique of high voltage and large impulsive currents (LIC), and also scientific and technical bases of planning of high-voltage impulsive devices and measuring methods in them LIC with followings below extreme PTP: amplitude of impulse of current of ImL=200 кА (with admittance ±10 %); integral of
action of impulse of current of JL=10106 A2-s (with admittance ±35 %); %); duration of wavefront current of T1=10 /is (with admittance ±20 %); time, proper amplitude of impulse of current of ImL, tmL<24 /s (with admittance ±20 %); duration of flowing of impulse of current of T2=350 /s (with admittance ±10 %). Results. The results of evaluation calculation and experimental researches of electro-thermal resistibility of the indicated pre-production sheet models are resulted measuring in the plan of 0,5 x 0,5 m from stainless steel are easily soiled the 12X18H10T thickness of 1 mm to action on them of aperiodic impulse of current of short blow of artificial lightning with rationed PTP on the requirements of the International Standard IEC 62305-12010. In high current experiments amplitude of ImL of the aperiodic rationed impulse of current of artificial lightning of temporal form of T1/T2=15 /s/315 /s changed in the range of (100184) kA. The integral of action of JL of impulse of current for I-IV of levels of protection of lightning of technical objects (TO) numeral made from 2,32 1 06 A2-s to 7,88-106 A2-s, and the flowing through the probed pre-production steel models electric charge of qL numeral changed from 44,2 Kl to 81,3 Kl. It is shown that direct influence rationed by the International Standard IEC 62305-1-2010 impulse of current of short blow of artificial lightning with in-use PTP on the indicated pre-production steel models causes in them the rounded small hole of melting of surface of coverage a depth no more than 50 /m and diameter no more than 60 mm. The results of calculation and experiment coincide within the limits of 5 %. Originality. First in world practice on the unique generator of LIC of short blow of artificial lightning of type of GITM-10/350 experimental researches of electro-thermal resistibility of pre-production sheet models of outward roof are conducted TO of stainless steel 12X18H10T is easily soiled to direct action on them of impulses of current of an artificial storm air spark digit with extreme parameters. Practical value. Drawing on the got results in practice of protection height TO from linear lightning will allow substantially to promote their functional and fire-prevention safety in the conditions of direct action on them of the plasma ductings of high current storm air spark discharge. References 20, tables 1, figures 4.
Key words: artificial lightning impulse current of temporary shape 10/350 ^s, thin-walled coverage made of stainless steel, electro-thermal effect of lightning current to the steel cover, radius and depth of penetration of the steel wall coverage, calculation and experimental estimation of damage zone of coverage.
