CC BY
53
Сведения об авторах Ефимов Борис Васильевич,
директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: [email protected]
Халилов Фирудин Халилович,
профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, д.т.н. Россия, 194251, г.Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29
Гумерова Натэлла Идрисовна,
доцент Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, к.т.н. Россия, 194251, г.Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29
Новикова Александра Николаевна,
заведующая сектором защиты от перенапряжений ОАО «НИИПТ»
Россия, г.Санкт-Петербург, ул.Курчатова, д.1, лит А Тел. 8-812-5554428, эл. почта: [email protected]
Невретдинов Юрий Масумович,
заведующий лабораторией надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл.почта: [email protected]
УДК 62 1.311
А.Н.Данилин, В.Н.Селиванов, П.И.Прокопчук, Д.С.Бородич
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕМЕНТАХ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ*
Аннотация
Приведены результаты экспериментальных исследований зависимости начала искрообразования в грунте от полярности приложенного импульсного напряжения и от скорости нарастания импульса для различных типов электродов. Выполнен анализ процессов при периодическом воздействии импульсного напряжения, прикладываемого к заземленному электроду. Приводятся результаты оптических наблюдений процессов искрообразования в грунте.
Ключевые слова:
ионизация грунта, искрообразование в грунте, импульсное сопротивление заземлителя. A.N.Danilin, V.N.Selivanov, P.I.Prokopchuk, D.S.Borodich EXPERIMENTAL MODELING OF IMPULSE PROCESSES IN GROUNDING SYSTEMS Abstract
The aim of this investigation was to extend an earlier study by quantifying the effects of impulse polarity, impulse waveshapes and electrode types on soil breakdown properties. The analysis of the processes under periodic impulse voltage applied to the grounded electrode is carried out. The results of optical observations of discharge processes in the soil are presented.
Keywords:
soil ionization phenomena, soil breakdown, impulse grounding impedance.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11 -08-00690).
Схема импульсного генератора, применяемая в предыдущих опытах [1], позволяла получать на нагрузке - подземном проводнике - импульсы напряжения до 60 кВ с высокой крутизной импульса. Процесс начала искрообразования при определенном напряжении характеризовался появлением возрастающих ступеней в импульсе тока. Их появление крайне нестабильно, т.е. ток мог возрасти на фронтовой части или на плоской части импульса. Примером такого явления является осциллограмма, приведенная на рис.1. Сделать определенный вывод о том, что процесс искрообразования начался именно при этом напряжении импульса, было бы ошибкой. Для определения точного значения напряжения начала искрообразования необходимо было обеспечить плавный подъем напряжения.
I, и,
А кВ
18-36
16-32
14-28
12-24
10-20
6 ■ 12
4- 8
2 4
О1 0
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Вертикальный электрод Ь=100 мм, (1=1,5 мм
иг= 18 кВ
и
/ и
I г ч—пни**
и
1
Рис.1. Ступенчатый процесс искрообразования в грунте
В связи с изложенным была подготовлена схема генератора, позволяющая формировать импульсы напряжения на подземном проводнике с регулируемой длительностью фронта. Схема установки с подключенными измерительными устройствами (делитель напряжения и токовый шунт) приведена на рис.2. Исходные параметры: ванная с объемом грунта, диапазон напряжений, измерительные устройства - те же, что и в работе [1]. Длительность фронта импульса регулировалась величиной индуктивности L, включенной в цепь перезаряда двух одинаковых емкостей.
Период перезаряда конденсаторов определяется соотношением
Т = 2л
ь •
с с с1с2
с + с2
= 2л у] 0,5 • ьс
при этом первый полупериод составляет
длительность фронта импульса напряжения. Значение индуктивности изменялось в диапазоне от 50 до 500 мкГн, длительность фронта соответственно от 4 до 29 мкс.
Исследование зависимости напряжения начала искрообразования от скорости нарастания импульса напряжения (фронта) было выполнено для различных типов электродов.
На рисунке 4 представлены результаты опытов для сферических электродов диаметром 50 мм, полностью погруженных в грунт (рис.3, 1) и наполовину погруженных в грунт (рис.3, 2). Удельное сопротивление грунта в этих и последующих опытах поддерживалась около 1 кОм-м путем увлажнения грунта.
Рис. 2. Схема генератора с регулируемым Рис. 3. Сферический и полусферический фронтом импульса электроды
В данной серии опытов были определены напряжения начала искрообразования в увлажненном грунте в зависимости от скорости нарастания напряжения для электродов, вблизи которых электрическое поле однородно. Начало процесса искрообразования фиксировалось скачкообразными увеличением тока или снижением сопротивления, определяемого как отношение напряжения к току. Результаты опытов показали следующее.
1. На полусферическом электроде начало процесса искрообразования происходит скачкообразно. При более неоднородном поле на сфере процесс искрообразования более плавный, как показано на совмещенных осциллограммах (рис.4), причем процесс искрообразования начинается при меньших напряженностях поля.
2. При разной крутизне импульса напряжение начала искрообразования в первый полупериод для одного и того же электрода примерно одинаково.
3. При колебательном напряжении искрообразование прекращается при снижении напряжения во втором полупериоде, однако этот переходный процесс всегда протекает не скачком, а плавно. То есть присутствует некая инерционность роста сопротивления зоны искрообразования при снижении напряжения. Вероятнее всего, действует остаточный разогрев зоны искрообразования (рис.5).
Инерционность при остывании сказывается на величине напряжения начала искрообразования во второй и последующие периоды напряжения: величина начала искрообразования во второй период и далее меньше, чем в первый полупериод. Для данной серии опытов значения напряжений начала искрообразования в первый и последующие периоды приведены в табл. 1.
При сравнительных исследованиях напряжения искрообразования в однородном и неоднородном поле использовались электродные системы, приведенные на рис.6: полусферические электроды разных диаметров
и вертикальный электрод. На этом же рисунке показаны совмещенные осциллограммы токов, напряжений и расчетных сопротивлений при искрообразовании в грунте.
1,А 16,5 и, кВ 55 да ол сл
15,0 50 15
13,5 45 13.5
12,0 40 12
10,5 35 10.5
9,0 30 9
7,5 25 7.5
6,0 20 6
4,5 15 4.5
0,3 10 ■ 3
1,5 5 1.5-
0 0 о I
/1 / |
и ' 1 |
0* 1 1 1 \ > I г
[\ 1 1 /
I I
Н 2 / Х 2
р 1 /
N
I7
1.
2 4 6 8 10 12 14 мкс
Тф = 15 мкс, Ь = 500 мкГ
ТФ = 115 мкс Ь = 300 мкГ Тф = 4 мкс, Ь = 70 мкГ
Рис.4. Совмещенные осциллограммы процессов для сферического электрода (кривые 1) и полусферический электрод (кривые 2) для разных скоростей нарастания напряжения
I,
18.5&
16.67 15
13.33
11.67 10
8.33
6.67 5
3.33
1.67
0 “ “0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88мкс
Рис.5. Снижение напряжения начала искрообразования во второй и последующие периоды при колебательном импульсе
Таблица 1
Значения напряжения искрообразования при колебательном импульсе
Электрод в грунте Период колебаний напряжения, мкс іапряжение, кВ
1-й полупериод 3-й полупериод 5-й полупериод и последующие
Наполовину погру- 32 57 35 25
женная сфера 24 54 30 26
8 55 33 30
Полностью погру- 32 40 36 35
женная сфера 24 40 35 33
8 45 35 32
Анализ совмещенных осциллограмм показал следующее. При напряжениях до начала искрообразования сопротивления каждого из исследуемых электродов примерно пропорционально площади электрода. С ростом напряжения и началом искрообразования у электродов с наиболее неоднородным полем сопротивления «проваливаются» до значений сопротивлений электродов с более однородным полем. Причина этого в образовании хорошо проводящих искровых зон вокруг электродов, соизмеримых по наружной площади для различных типов электродов.
Для исследования зависимости напряжения начала искрообразования в грунте от полярности приложенного импульсного напряжения использовались электроды с однородным и резко неоднородным полем: сферические и вертикальные штыревые электроды. Показано, что у электродов с однородными полями напряженность начала искрообразования ниже при положительной полярности импульса (как и при пробое воздуха). При резко неоднородных полях эти значения близки друг к другу. Осциллограммы, по которым сделаны такие выводы, приведены на рис.7.
Рис. 6. Сравнения осциллограмм токов напряжений и сопротивлений для различных электродных систем при искрообразовании в грунте
Рис.?. Осциллограммы начала искрообразования для электродов с однородным и неоднородным полем при разных полярностях импульса напряжения
ЗО
Были проведены также исследования взаимного экранирования электродов в грунте при искрообразовании в грунте.
Явление взаимного экранирования электродов в грунте известно и хорошо изучено [2]. За счет неправильного выбора расстояний между электродами заземлителя его сопротивление может оказаться выше расчетного. Экспериментально показано, что при уменьшении расстояния между электродами их общее сопротивление за счет взаимного экранирования возрастает, но с ростом напряжения
и, соответственно, роста зон искрообразования вокруг электродов общее сопротивление соединенных между собой электродов возрастает медленнее.
На рисунке 8 приведены полученные экспериментально значения токов, стекающих в землю через однотипные пары электродов, в зависимости от расстояния между ними, а также расчетные значения их сопротивлений. Точка абсциссы L = 0 соответствует одиночному электроду (два электрода как бы слились в один). Рост тока при возрастании L свидетельствует о снижении экранирующего действия электродов друг на друга. Этот рост заметен даже в случаях, когда расстояние между электродами многократно превышает размер электродов и ток возрастает с увеличением напряжения также за счет роста зон искрообразования.
Рис.8. Токи и сопротивления электродных систем в зависимости от расстояния между электродами при наличии искрообразования в грунте
Интересные результаты были получены при выполнении оптических наблюдений процессов искрообразования в грунте. Эксперименты выполнялись с использованием двух типов электродов:
• электрод в виде диска толщиной 3 мм со скругленными краями, наклеенного на стекло (рис.9). В работе [1] представлены результаты аналогичных экспериментов с дисковым электродом из фольги толщиной 0.5 мм;
• протяженный электрод с заостренным концом (рис. 10). Целью этих опытов была визуальная оценка распределения искрообразования по длине электрода. Ряд авторов считает, что искрообразование происходит в основном на конце электрода.
фотоаппарат
0250мм
Рис.9. Установка для наблюдения процессов искрообразования в грунте на дисковом электроде
(О) и (гин)
электрод
Рис.10. Установка для наблюдения процессов искрообразования в грунте на удлиненном электроде
На рисунке 11 приведены результаты фотографирования зон искрообразования в грунте вокруг дисков: для тонкого электрода (фольга толщиной 0,5 мм) и для утолщенного электрода (3.0 мм) при одинаковом импульсном напряжении (20 кВ).
Рис.11. Сравнительные фотографии искрообразования вокруг тонкого и утолщенного дисков при одинаковом импульсном напряжении (20 кВ)
Показано, что на тонком диске характер искрообразования носит стримерный характер вплоть до полного пробоя грунта. На утолщенном электроде стримеры переходят в горячую стадию. Пробой наступает при напряжениях превышающих напряжения пробоя электродов с неоднородным полем (тонких дисков).
Динамика развития факельных зон на толстом диске вплоть до пробоя приведены на рис. 12.
Рис.12. Искрообразование, возникающее вокруг утолщенного тонкого диска со скругленными краями (3.0 мм) при различных напряжениях генератора
На рисунке 1З приведена фотография искрообразования вокруг дискового электрода при наложении нескольких импульсов. Показано, что развитие искрообразования может начинаться в любой точке края электрода, нет приоритетной концентрации.
На рисунке 14 приводится осциллограмма процессов на этом электроде. Ток возрастает по мере разогрева искровых каналов. На рисунке 15 приведена зависимость величины сопротивления при максимуме тока (на уровне 12 мкс) от приложенного напряжения. Снижение сопротивления в зависимости от напряжения и возрастания тока и носит плавный характер.
Рис.13. Искрообразование, возникающее вокруг утолщенного тонкого диска со скругленными краями (3.0 мм) при напряжении генератора 21 кВ. Снято при наложении 15 импульсов
Рис.14. Осциллограммы токов и напряжений на дисковом электроде 34
Рис.15. Зависимость импульсного сопротивления дискового электрода от напряжения генератора
На рисунках 16, 17 и 18 приводятся фотографии процессов на удлиненном электроде в зависимости от приложенного напряжения. Показано, что наиболее интенсивно процесс идет у острия электрода. Пробой также начинается с острия. Можно отметить, что процесс искрообразования идет не только у острия, но также и на поверхности электрода по длине и начинается практически одновременно при тех же напряжениях, что и у острия протяженного электрода.
Рис.16. Искрообразование, возникающее вокруг удлиненного электрода при напряжении генератора 12 кВ
Рис.17. Искрообразование, возникающее вокруг удлиненного электрода при напряжении генератора 18 кВ
Рис.18. Искрообразование, возникающее вокруг удлиненного электрода при напряжении генератора 24 кВ
Приведенные исследования по определению значений напряженностей начала искрообразования в увлажненном грунте показали следующее:
1. Разработана экспериментальная методика сравнительно точного способа определения напряженности начала искрообразования.
2. Величина напряженности начала искрообразования зависит от ряда факторов: конструкции электродной системы, проводимости грунта, которая, в свою очередь, зависит от влажности грунта и его состава. Значения напряженности начала искрообразования лежат в диапазоне 8 - 20 кВ/см.
3. С началом искрообразования сопротивление электродных систем может значительно снизиться, однако у разветвленных систем заземления, где плотности тока малы, это явление не скажется на общем сопротивлении контура заземления.
4. Остается недостаточно исследованным вопрос о снижении локальных импульсных сопротивлений заземлителей при наличии искрообразования. На малых моделях установлено, что процесс расширения искровой зоны крайне медленный и инерционный, это следует из приведенных осциллограмм в [1]. Необходимо уточнить эти данные в опытах на крупномасштабных моделях.
5. Оптические исследования процессов искрообразования показали, что в зависимости от приложенного напряжения, типа и качественных характеристик грунта процесс развивается по-разному. Показано, что при достижении пороговых значений искрообразование начинается на всей поверхности заземленного электрода, при этом взаимное экранирование не наблюдается.
Литература
1. Лабораторные исследования нелинейных входных сопротивлений заземлителей электроэнергетических устройств в условиях высокого удельного сопротивления грунта / А.Н.Данилин, В.Н.Селиванов, ПИПрокопчук, В.В.Колобов, М.Б. Баранник // Труды Кольского научного центра РАН. Вып.З: Энергетика. 2011. N° 2. С. 39-54.
2. Рябкова Е.Я. Заземления в установках высокого напряжения. М.: Энергия, 1978. 224 с.
Сведения об авторах Данилин Аркадий Николаевич,
заведующий лабораторией высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл.почта: [email protected]
Селиванов Василий Николаевич,
ведущий научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл.почта: [email protected]
Прокопчук Павел Иванович,
ведущий инженер лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН,
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: [email protected]
Бородич Дмитрий Сергеевич,
студент КФ ПетрГУ,
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
