CC BY
55
Техніка сильних електричних та магнітних полів
УДК 621.3.022:621.3.015.52
М.И. Баранов, В.И. Кравченко, М.А. Носенко
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА К ПРЯМОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ ТОКА ИСКУССТВЕННОЙ МОЛНИИ. ЧАСТЬ 2: СТОЙКОСТЬ МЕДНЫХ ПРОВОДОВ И КАБЕЛЕЙ
Дослідним шляхом отримані результати електротермічноїстійкостіряду коротких зразків мідних проводів і кабелів різних марок бортових електричних кіл літального апарату у разі прямої роздільної або сумісної дії на них імпульсної А- та тривалої С~ компонент струму штучної блискавки з нормованими згідно міжнародних вимог амплітудно-тимчасовими параметрами.
Опытным путем получены результаты электротермической стойкости ряда коротких образцов медных проводов и кабелей различных марок бортовых электрических цепей летательного аппарата в случае прямого раздельного или совместного воздействия на них импульсной А- и длительной С- компонент тока искусственной молнии с нормированными согласно международных требований амплитудно-временными параметрами.
временные параметры (АВП) пяти основных компонент тока молнии: импульсной А, промежуточной В, укороченной длительной С , длительной С и повтор -ной импульсной Б. Расчеты результатов электротер-мического действия данных компонент тока молнии на различные марки проводов и кабелей ЛА и их экспериментальная проверка показывают, что наибольшей поражающей термической способностью для их проводящих жил и оболочек обладают импульсная Аи длительная С- компоненты тока искусственной мол -нии. АВП данных компонент тока молнии характери -зуются следующими электрическими показателями [6-9]: для импульсной А- токовой компоненты - амплитудой тока 1тА=200 кА с допуском ±10 %; интегралом действия ^А=2Л06 А2с при допуске ±20 %; временем амплитуды тока їтА<50 мкс; длительностью протекания та<500 мкс; для длительной С- токовой компоненты - амплитудой тока до /тС=0,8 кА; количеством электричества ()С=200 Кл при допуске ±20 %; длительностью протекания 0,25 с<тС<1 с.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ ПРОВОДОВ (КАБЕЛЕЙ) БОРТОВЫХ ЦЕПЕЙ ЛА К ТОКУ ИСКУССТВЕННОЙ МОЛНИИ
Принимаем, что при электротермических испытаниях на молниестойкость в качестве испытываемых образцов (ИО) медных проводов и кабелей бортовых цепей ЛА будут выступать следующие марки кабельно-проводниковой продукции: 1) одиночный многожильный провод марки БПВЛ сечением расщепленной медной жилы 12 мм2; 2) одиночный провод марки ПВ-2,5 сечением расщепленной медной жилы 2,5 мм2; 3) кабель питания марки ПВС 3x2,5 с тремя медными жилами (каждая сечением 2,5 мм2); 4) среднегабаритный коаксиальный радиочастотный кабель марки РК 75-4-11 сечением медной жилы 0,44 мм2 и сечением медной оболочки (оплетки) 3,44 мм2; 5) экранированный многожильный кабель марки Ц№ТЯО№С ЬІУСУ 20x0,34 РЪГ (20 медных жил сечением 0,34 мм2 каждая); 6) витая неэкранированная пара марки иТР са15 (8 медных жил сечением 0,2 мм2 каждая); 7) крупногабаритный коаксиальный радиочастотный кабель марки РК 75-17-31 сечением сплошной медной жилы 10,2 мм2 (без межэлектродной полиэтиленовой изоляции и с данной изоляцией). Пусть все испыты-
ВВЕДЕНИЕ
В [1] авторами были представлены определенные результаты экспериментальных исследований электротермической стойкости к прямому воздействию в атмосферном воздухе импульсной А - и длительной С-компонент тока искусственной молнии для ряда листовых образцов обшивки летательного аппарата (ЛА) различной толщины, выполненных из алюминиевых сплавов марок АМг2М, А0М и АД5М. Проведение подобных исследований в Украине стало возможным после создания в 2007 году на исследовательско-испытательном полигоне НИПКИ ’’Молния” НТУ "ХПИ" уникального мощного генератора тока искус -ственной молнии (ГТМ) с суммарной запасаемой электрической энергией до 1 МДж (рис. 1) [2-5].
Рис. 1. Внешний вид мощного ГТМ на энергию в 1 МДж (на переднем плане находится рабочий стол с трехэлектродным воздушным разрядником ^, двухэлектродным воздушным разрядником ^2 и системой воздушной вытяжки, а на заднем плане - генераторы ГИТ-^ и ГИТ-С для создания соответственно А- и С- компонент тока искусственной молнии)
Генераторы импульсных токов (ГИТ) данного ГТМ, построенные на основе высоковольтных мало -индуктивных импульсных конденсаторов (с номинальным зарядным напряжением ±50 кВ и ±5 кВ для ГИТ, имитирующих соответственно импульсную А- и длительную С- компоненты тока молнии), способны воспроизводить на электрической нагрузке (объекте испытаний) требуемые в соответствии с действующими в настоящее время международными норма -тивно-техническими документами [6-9] амплитудно-
ваемые образцы ИО медных кабелей (проводов) ЛА имеют одинаковую длину, равную 0,55 м. Полагаем, что все ПО проводов (кабелей) ЛА закрепляются в разрыв разрядных цепей генератора ГИТ-^ (генератор импульсной А- компоненты тока искусственной мол -нии) или генератора ГИТ-С (генератор длительной С-компоненты тока искусственной молнии) путем жесткого закрепления концов испытываемых медных то -копр оводов болтовыми соединениями на массивных прямоугольных алюминиевых электродах рабочего стола высоковольтного ГТМ, показанного на рис. 2.
Рис. 2. Виеший вид рабочего стола ГТМ, примененного при испытаниях коротких образцов медных проводов (кабелей) бортовых электрических цепей ЛА на электротермическую стойкость к импульсной А- и длительной С- компонентам тока искусственной молнии с нормированными АВП
На рис. 3 приведен общий вид ИО медного кабеля ЛА (на примере радиочастотного кабеля марки РК 75-4-11 длиной 0,55 м), закрепленного перед испытанием на видоизмененном рабочем столе ГТМ, содержащем в своем составе генераторы ГИТ-А и ГИТ-С.
Рис. 3. Общий вид типового закрепления на рабочем столе ГТМ ИО проводов (кабелей) ЛА (сверху над центральной зоной образца, включенного в разрыв между горизонтально расположенными массивными алюминиевыми электродами, размещен круглый стальной электрод разрядных цепей ГТМ, соединенный плоской латунной шиной с одним из массивных алюминиевых электродов рабочего стола)
Считаем, что ИО медных проводов (кабелей) ЛА в разрядные цепи используемых при указанных испытаниях генераторов ГИТ-^ и ГИТ-С включены согласно электрической схеме, приведенной на рис. 4.
Рис. 4. Принципиальные электрические схемы разрядных цепей генераторов ГИТ-А и ГИТ-С для формирования в ИО медных проводов (кабелей) ЛА импульсной А— и длительной С— компонент тока искусственной молнии с нормированными АВП
На рис. 4 приняты следующие обозначения: ИО -испытываемый образец провода (кабеля) ЛА; ГВПИ -генератор высоковольтных поджигающих импульсов напряжения амплитудой ±100 кВ; ШК - измерительный коаксиальный шунт типа ШК-300; F1, F2 - соответственно трех- и двухэлектродный воздушный разрядник; Ср - разделительная емкость на 100 кВ, равная 180 пФ; U3A, U3C - зарядные напряжения генераторов ГИТ-^ и ГИТ-С; La, Ra, Ca - индуктивность, активное сопротивление и емкость разрядной цепи генератора ГИТ-^; Lc, Rc, Cc - индуктивность, активное сопротивление и емкость разрядной цепи генератора ГИТ-С. Пусть отрицательное зарядное напряжение U3A для ГИТ-A равно 27 кВ, а отрицательное зарядное напряжение U3C для ГИТ-С -4,2 кВ. Согласно данным схемы на рис. 4 основные электрические параметры разрядных цепей ГТМ, используемых при электротермических испытаниям образцов проводов (кабелей) ЛА, имели следующие значения [2-5]: для ГИТ-A - CA=333 мкФ; La=2,05 мкГн; Ra=0,061 Ом; для ГИТ-С -СС=45,36 мФ; Lc=11,43 мГн; Rc=4,74 Ом. Считаем, что в соответствии с [2, 4] при измерении АВП импульсной A- компоненты тока молнии коэффициент преобразования КшА для шунта ШК-300 (рис. 5), соединенного экранированной триаксиальной кабельной линией связи длиной 60 мс размещенной в заглубленном экранированном измерительном бункере ГТМ регистрирующей аппаратурой (цифровыми осциллографами ЦО-1 и ЦО-2 типа TEKTRONIX TDS 1012), равен 11261 А/В, а при фиксации АВП длительной С- компоненты тока молнии коэффициент преобразования используемого нами шунта составляет КшС=5642 А/В. Следует указать, что при расшифровке получаемых в испытательных электрических схемах генераторов ГИТ-^ и ГИТ-С согласно рис. 4 амплитудных значений А- и С- компонент тока искусственной молнии, воздействующих на образцы медных проводов (кабелей) ЛА, зафиксированные на экранах осциллографов ЦО-1 и ЦО-2 величины электрических сигналов (в Вольтах) умножаются на соответствующие коэффициенты преобразования КшА и КшС шунта ШК-300 (с размерностью Ампер/Вольт).
Рис. 5. Общий вид измерительного коаксиального шунта ШК-300 с экранированной кабельной линией связи длиной 60 ми специальным делителем напряжения СД-300 [2, 4]
Отметим, что согласно рис. 4 при рассматриваемых электротермических испытаниях соответствующие импульсы тока искусственной молнии от генера-торов ГИТ-А и ГИТ-С высоковольтного ГТМ подают -ся непосредственно на ИО медного кабеля (провода) ЛА. Между испытываемым образцом кабеля (прово-
да) ЛА прямолинейной формы и "землей" согласно рис. 4 включается измерительный шунт ШК-300, к которому с помощью кабельной линии связи и специального делителя напряжения СД-300 (см. рис. 5) параллельно подключаются сразу два цифровых запоминающих осциллографа типа TEKTRONIX TDS 1012 (по одному на каждую компоненту испытательного импульса тока молнии, так как эти токовые компоненты резко отличаются друг от друга как по ам-плитуде, так и по временным характеристикам). Требуется по результатам опытного электротермического действия на принятые испытываемые образцы медных проводов (кабелей) ЛА имитируемых с помощью генераторов ГИТ'-А и ГИТ-С импульсной A- и длительной C- компонент тока искусственной молнии с нормированными АВП определить их соответствующую реальную электротермическую стойкость.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ ОБРАЗЦОВ ПРОВОДОВ (КАБЕЛЕЙ)
ЛА К ОСНОВНЫМ КОМПОНЕНТАМ ТОКА ИСКУССТВЕННОЙ МОЛНИИ
1. Осциллограммы испытательных компонент тока искусственной молнии. При подаче согласно рис. 4 от ГВПИ на управляющий электрод трехэлектродного воздушного разрядника F1 каскадного типа импульса микросекундной длительности положительной полярности амплитудой 100 кВ предварительно заряженный до отрицательного напряжения U3A=-27 кВ емкостный накопитель энергии (ЕНЭ) генератора ГИТ-A разряжается на ИО провода (кабеля) ЛА и формирует на нем требуемую в соответствии с [6-9] импульсную A- компоненту тока молнии. На рис. 6 приведена типовая осциллограмма такого тока, полученная с помощью измерительного шунта ШК-300 [2, 5] и цифрового запоминающего осциллографа типа TEKTRONIX TDS 1012 (масштаб по вертикали - 5 В/клетка; масштаб по горизонтали - 50 мкс/клетка).
Рис. 6. Типовая осциллограммаимпульсной А- компоненты тока искусственной молнии при разряде генератора ГИТ -А на ИО длиной 0,55 м провода (кабеля) ЛА при и3А=-27 кВ
Из приведенной на рис. 6 осциллограммы импульсной А- компоненты тока молнии видно, что при коэффициенте преобразования метрологически поверенного шунта ШК-300, численно равном Кш^=11261 А/В [2, 5], ее первая отрицательная амплитуда 1тА бу-
дет примерно равной 18,2 Вх 11261 А/В=205 кА. Данной амплитуде m импульсного тока молнии соответствует время, равное tmA=38 мкс (JdA=2,14-106 А2-с). Переход через ось абсцисс первой отрицательной полуволны данной A-компоненты тока молнии происходит при времени tAi=100 мкс, а ее второй положительной полуволны - при времени около tA2=200 мкс. Амплитуда второй положительной полуволны рассматриваемого тока не превышает 62 кА, а амплитуда третьей отрицательной полуволны - 16,9 кА. Импульсная A— компонента тока искусственной молнии характеризуется весьма сильным затуханием (логарифмический декремент колебаний составляет около 2,495 при коэффициенте затухания в разрядной цепи генератора ГИТ-Л, примерно равном 12,47-103 с-1).
На рис. 7 представлена типовая осциллограмма длительной C- компоненты тока искусственной молнии, полученной в электросхеме согласно рис. 4 от генератора ГИТ-С при помощи измерительного коаксиального шунта ШК-300 и цифрового осциллографа TEKTRONIX TDS 1012 (масштаб по вертикали -50 мВ/клетка; масштаб по горизонтали - 100 мс/клетка).
Рис. 7. Типовая осциллограмма длительной С- компоненты тока искусственной молнии при разряде генератора ГИТ-С на ИО длиной 0,55 м провода (кабеля) ЛА при и3С=-4,2 кВ
Из данных рис. 7 следует, что амплитуда 1тС отрицательной апериодической волны длительной С-компоненты имитированного тока молнии составляет значение, равное около 0,148 Вх5642 А/В=0,835 кА. Этой амплитуде 1тС тока соответствует время, равное примерно тс=11 мс. Длительность протекания по испытываемому образцу провода (кабеля) ЛА сформированной в разрядной цепи ГИТ-С длительной С-компоненты тока искусственной молнии равна около гС=1000 мс, а переносимое ею через исследуемый ИО количество электричества (электрический заряд) составляет примерно величину, равную QС=203 Кл.
2. Особенности поведения образцов медных проводов (кабелей) ЛА при прямом действии на них тока искусственной молнии. На рис. 8 приведен внешний вид испытываемого в ГТМ образца провода ПВ-2,5 с расщепленной медной жилой сечением 2,5 мм2 до протекания по нему импульсной А- компоненты тока искусственной молнии. Внизу под данным проводом, закрепленным своими концами с помощью болтового соединения на массивных прямоугольных алюминиевых электродах рабочего стола ГТМ, на горизонталь-
но размещенной гетинаксовой пластине толщиной 10 мм виден округлый след белого цвета от последствий сквозного проплавления имитированным в ГТМ током молнии листовых образцов алюминиевой обшив -ки ЛА с размером в плане 0,5х0,5 м2 (см. рис. 2), ранее проходивших в разрядных цепях генераторов ГИТ-А и ГИТ-С испытания на молниестойкость [1].
Рис. 9. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца одиночного провода ПВ-2,5 с расщепленной медной жилой сечением 2,5 мм2 после воздействия на него импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с зарегистрированной в процессе ее электровзрыва амплитудой 1тА=~ 166,7 кА
Из рис. 9 видно, что твердая токонесущая часть расщепленной жилы провода ПВ-2,5 поперечным сечением 2,5 мм2 на всей своей длине 0,55 м подверглась полной сублимации (испарению и ее переходу в парообразное состояние минуя жидкое [12]), вызванной наступлением в ее меди явления ЭВ. Этого следовало и ожидать, так как поперечное сечение медной жилы провода ПВ-2,5 равно 2,5 мм2 и меньше указанного критического значения S0kA=3,4 мм2. Поэтому эта марка медного провода и не могла выдержать электротермического воздействия на нее указанной А-компоненты тока искусственной молнии с нормиро-ванными АВП. Определенный интерес представляет приведенная на рис. 10 осциллограмма разрядного тока ГИТ-A при ЭВ медного провода марки ПВ-2,5 с амплитудой ImA, равной 14,8 Вх11261 А/В=166,7 кА.
Тек JL, • Дед Complete М Pos: 200.0.jus CURSOR
Рис. 8. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца одиночного провода ПВ-2,5 с расщепленной медной жилой сечением 2,5 мм2 до воздействия на него импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с зарегистрированной амплитудой /тА=-166,7 кА
Требуется отметить, что в соответствии с расчетной методикой, приведенной в [10, 11], для импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с принятыми нормированными ее АВП минимально допустимое по условиям нормальной работы попе -речное сечение £0тА электрически незагруженной медной жилы провода ПВ-2,5 (без предварительного до воздействия тока молнии протекания по ней номинального рабочего тока) составляет величину, равную
9,4 мм2. Для указанного режима загрузки жилы провода ПВ-2,5 и импульсной А- компоненты тока искусственной молнии критическое поперечное сечение этого провода, при котором наступает явление сублимации его медной жилы из-за ее электрического взрыва (ЭВ), согласно [10, 11] составляет 3,4 мм2. На рис. 9 приведен внешний вид рабочего стола ГТМ после воздействия на испытываемый медный провод ПВ-2,5 от ГИТ-А импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с нормированными АВП.
Рис. 10. Осциллограмма импульсной А- компоненты тока искусственной молнии при ЭВ в цепи ГИТ-А медной жилы сечением 2,5 мм2 одиночного провода ПВ-2,5 (и3А=-27 кВ)
Из полученных для медного провода ПВ-2,5 с поливинилхлоридной (ПВХ) изоляцией данных явствует, что после ЭВ его жилы от действия импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с нормированными АВП (1тА=166,7 кА) изоляционные и металлические элементы рабочего стола высоковольтного ГТМ подверглись активной металлизации парами меди буро-красного цвета (см. рис. 8 и 9).
На рис. 11 показан внешний вид закрепленного на алюминиевых электродах рабочего стола ГТМ радиочастотного кабеля РК 75-17-31 с оголенной (без изоляции) сплошной медной жилой сечением 10,2 мм2 до воздействия на него импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с нормированными АВП.
Рис. 11. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца кабеля РК 75-17-31 с медной жилой сечением 10,2 мм2 до воздействия на него импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой 1тА=-205 кА
В результате воздействия на образец оголенной медной жилы крупногабаритного коаксиального ра-диочастотного кабеля РК 75-17-31 импульсной А-компоненты тока имитированной молнии твердая токонесущая часть медной жилы кабеля РК 75-17-31 поперечным сечением 10,2 мм2 осталась целой и электротермически не поврежденной (рис. 12). Из-за действия на сплошную медную жилу данного кабеля больших электродинамических усилий (ЭДУ) отталкивания от соседних токоведущих частей сильноточной цепи разряда генератора ГИТ-А (от массивной плоской латунной шины с А- компонентой тока мол -нии, соединяющей центральный стальной электрод рабочего стола ГТМ с его массивной алюминиевой шиной для закрепления края жилы кабеля) она подверглась определенной механической деформации.
Рис. 12. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца кабеля РК 75-17-31 с медной жилой сечением 10,2 мм2 после воздействия на него импульсной А- компоненты тока искусственной молнии амплитудой 1тА=—205 кА
Полученные экспериментальные электротермические данные для кабеля РК 75-17-31 подтверждают результаты расчетного выбора согласно [10, 11] величин минимально допустимого £0тА=9,4 мм2 и критического ¿0£4=3,4 мм2 поперечных сечений для медных токопроводов, испытывающих воздействие импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с нормированными в соответствии с [6-9] АВП.
На рис. 13 представлен общий вид рабочего стола ГТМ с ИО длиной 0,55 м сплошной медной жилы сечением 10,2 мм2 в полувоздушной полиэтиленовой (ПЭТ) изоляции наружным диаметром 17 мм радиочастотного кабеля РК 75-17-31 до протекания по нему от ГТМ импульсного тока искусственной молнии.
Рис. 13. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца кабеля РК 75-17-31 с медной жилой сечением 10,2 мм2 в ПЭТ изоляции до совместного воздействия на него импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой 1тА=~205 кА и длительной С- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой 1тС=—0,914 кА
Следует указать, что согласно [10, 11] расчетные величины минимально допустимого £0тС и критического £0£С поперечных сечений для медных токопроводов, испытывающих воздействие длительной С-компоненты тока искусственной молнии с нормиро-ванными по [6-9] АВП, составляют соответственно 1,8 и 0,67 мм2. В результате совместного воздействия на испытываемый образец сплошной медной жилы сечением 10,2 мм2 в полувоздушной ПЭТ изоляции кабеля РК 75-17-31 импульсной А- и длительной С-компонент тока искусственной молнии (1тА=-205 кА; !тС=_0,914 кА; Qс=223 Кл) сплошная токонесущая часть медной жилы кабеля РК 75-17-31 сечением 10,2 мм2 осталась целой и электротермически не повреж-денной (рис. 14). В этом случае, аналогично, как и при электротермических испытаниях той же оголенной медной жилы данного кабеля (см. рис. 12), из-за действия на испытываемую жилу кабеля больших ЭДУ отталкивания от соседних токоведущих частей силь-ноточной разрядной цепи ГИТ-А она подверглась определенной механической деформации. Данная деформация твердой сплошной круглой медной жилы с полувоздушной ПЭТ изоляцей исследуемого образца радиочастотного кабеля длиной 0,55 м происходит на нас (в сторону наблюдателя-пользователя фотографией на рис. 14) и она оказывается соизмеримой с той механической деформацией оголенной медной жилы этого же кабеля, которая показана выше на рис. 12.
Рис. 14. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца кабеля РК 75-17-31 с медной жилой сечением 10,2 мм2 в ПЭТ изоляции после совместного воздействия на него импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой 1тА=~205 кА и длительной С- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой 1тС=—0,914 кА
Поэтому можно заключить, что массивная полу-воздушная ПЭТ изоляция сплошной круглой медной жилы коаксиального радиочастотного кабеля марки РК 75-17-31 мало влияет на ее электротермическое и электродинамическое поведение по отношению к используемым при проводимых испытаниях основным ком -понентам тока искусственной молнии с нормированными АВП. Так как поперечное сечение исследуемой сплошной медной жилы 10,2 мм2 кабеля РК 75-17-31 превышает расчетные значения £0тА=9,4 мм2 и £0тС=1,8 мм2, а также расчетные значения £0^=3,4 мм2 и £0£С=0,67 мм2, то испытываемая медная жила будет электротермически стойкой к совместному воздействию на нее импульсной А- и длительной С- компонент
тока искусственной молнии с нормированными АВП. Данный вывод, базирующийся на расчетных электротермических данных согласно [10, 11], полностью подтверждают приведенные выше экспериментальные результаты для радиочастотного кабеля РК 75-17-31.
На рис. 15 приведен внешний вид рабочего стола ГТМ и закрепленного на нем образца среднегабаритного коаксиального радиочастотного кабеля РК 75-4-11 со сплошной медной жилой сечением 0,407 мм2 и параллельно подключенной к ней на ее концах медной оплеткой сечением 3,44 мм2 до действия на него от ГИТ-А импульсной А - компоненты тока молнии.
Рис. 15. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца кабеля РК 75-4-11 с медной жилой сечением 0,407 мм2 до воздействия на него импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой 1тА=-205 кА
В результате воздействия импульсной А- компоненты тока имитированной молнии на данный обра-зец кабеля РК 75-4-11 с медной сплошной жилой сечением 0,407 мм2 и параллельно подключенной к ней его медной оплеткой сечением 3,44 мм2, суммарное сечение которых оказывается соизмеримым с расчет -ной величиной критического сечения £0кА=3,4 мм2 для медных токопроводов данному току молнии, твердые токонесущие части испытываемого образца кабеля с межэлектродной сплошной ПЭТ изоляцией наружным диаметром 4 мм из-за наступления в их меди явления ЭВ подверглись полной сублимации, то есть испарению и их переходу в парообразное состояние, минуя жидкое [12]. Из-за этого изоляционные и металлические элементы рабочего стола высоковольтного ГТМ подверглись, как и в случае испытания импульсной А- компонентой тока искусственной молнии одиночного провода ПВ-2,5 с расщепленной медной жилой сечением 2,5 мм2 (см. рис. 9), активной металлизации парами меди буро-красного цвета (рис. 16).
На рис. 17 для этого экстремального случая электротермических испытаний при помощи ГТМ короткого образца среднегабаритного коаксиального радиочастотного кабеля РК 75-4-11 длиной 0,55 м, сопровождающегося явлением ЭВ его токонесущих медных частей, приведена осциллограмма протекающего через него соответствующего разрядного тока высоковольтного генератора ГИТ-А (и3А=-27 кВ) амплитудой 1тА=~ 184,7 кА, получаемой при расшифровке данной осциллограммы из произведения, равного
16,4 Вх11261 А/В. Видно, что данная токовая осциллограмма имеет определенные отличия по форме и
амплитуде от приведенной на рис. 10 осциллограммы также импульсной А- компоненты тока искусственной молнии, полученной от того же высоковольтного ге-нератора ГИТ-А и при том же зарядном напряжении его ЕНЭ (и3А=-27 кВ) и характерной для явления ЭВ медной жилы сечением 2,5 мм2 одиночного провода ПВ-2,5 аналогичной длины 0,55 м. Из данных рис. 17 видно, что потеря при этом токонесущими медными частяи кабеля РК 75-4-11 металлической проводимости из-за наступления явления их ЭВ приводит к раз -рыву цепи разряда генератора ГИТ-А и соответственно к прерыванию в течение порядка 150 мкс формируемой в ГТМ импульсной А- компоненты тока мол -нии. Без такого вынужденного прерывания цепи раз -ряда ЕНЭ генератора ГИТ-А длительность протекания данного тока молнии составляет около тА=500 мкс.
Рис. 16. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца кабеля РК 75-4-11 с медной жилой сечением 0,407 мм2 и медной оплеткой сечением 3,44 мм2 после воздействия на него импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой /тА=-184,7 кА
Рис. 17. Осциллограмма импульсной А- компоненты тока искусственной молнии при ЭВ в цепи разряда ГИТ-А медной жилы сечением 0,407 мм2 и медной оплетки сечением 3,44 мм2 радиочастотного кабеля РК 75-4-11 (^3А=-27 кВ)
На рис. 18 приведен внешний вид рабочего стола ГТМ и закрепленного на нем образца среднегабаритного коаксиального радиочастотного кабеля РК 75-4-11 со сплошной медной жилой сечением 0,407 мм2 и параллельно подключенной к ней на ее обоих краях медной оплеткой сечением 3,44 мм2 до действия на него от генератора ГИТ-С длительной С- компоненты тока имитированной молнии с принятыми АВП.
Рис. 18. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца кабеля РК 75-4-11 с медной жилой сечением 0,407 мм2 до воздействия на него длительной С- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой /тС=-0,891 кА
В результате воздействия от генератора ГИТ-С (и3с=-4,2 кВ) на данный образец радиочастотного кабеля РК 75-4-11 длительной С- компоненты тока искусственной молнии (/тС=-0,891 кА; тс=1000 мс; Qс=213 Кл) твердые токонесущие части сплошной медной жилы сечением 0,407 мм2 и медной оплетки сечением 3,44 мм2 испытываемого кабеля остались целыми и электротермически не поврежденными (рис. 19). Этот опытный результат подтверждает расчетные оценки по [10, 11] электротермической стойкости медных проводов (кабелей) к рассматриваемому импульсному току молнии. Согласно этим расчетным оценкам так как суммарное сечение медной жилы и медной оплетки испытываемого кабеля РК 75-411 величиной 3,847 мм2 является больше минимально допустимого £0тС=1,8 мм2 и тем более критического ¿о¿с=0,67 мм2 для медного токопровода сечений, то данный кабель при параллельном подключении его медной жилы и медной оплетки должен быть электротермически стойким к воздействию длительной С-компоненты тока искусственной молнии с нормиро-ванными АВП. Это положение и было подтверждено экспериментальным путем на мощном ГТМ.
Рис. 19. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца радиочастотного кабеля РК 75-4-11 с медной жилой сечением 0,407 мм2 и медной оплеткой сечением 3,44 мм2 после воздействия на него длительной С- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой /тС=-0,891 кА
На рис. 20 приведен внешний вид рабочего стола ГТМ и закрепленного на нем испытываемого образца одиночного многожильного провода БПВЛ поперечным сечением расщепленной медной жилы 12 мм2 до
комплексного действия на него основных компонент тока искусственной молнии с нормированными АВП.
Рис. 20. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца провода БПВЛ с медной жилой сечением 12 мм2 до совместного воздействия на него импульсной А- компоненты тока молнии амплитудой 1тА=—205 кА и длительной С- компоненты тока молнии с амплитудой /тС=-0,880 кА
В результате совместного воздействия на указанный образец медного провода БПВЛ одновременно (последовательно друг за другом) импульсной А -(!тА=~205 кА; ¿тА=38 мкс; та=500 мкс; и3А=-27 кВ) и длительной С- (/тС=-0,880 кА; тс=1000 мс; 0С=210 Кл; и3С=-4,2 кВ) компонент тока искусственной молнии токонесущая часть расщепленной медной жилы сечением 12 мм2 одиночного многожильного провода БПВЛ осталась целой и электротермически не поврежденной (рис. 21). Как и в случае испытания кабеля РК 75-17-31 с медной жилой поперечным сечением 10,2 мм2 в полувоздушной ПЭТ изоляции (см. рис. 14) медный провод БПВЛ с ПВХ изоляцией из-за действия на него больших ЭДУ подвергся определенной механической деформации. Эта деформация оказыва-ется соизмеримой с той деформацией сплошной медной жилы сечением 10,2 мм2 радиочастотного кабеля РК 75-17-31, которая показана выше на рис. 12 и 14.
Рис. 21. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца провода БПВЛ с медной жилой сечением 12 мм2 после совместного воздействия на него импульсной А- компоненты тока молнии амплитудой 1тА=—205 кА и длительной С- компоненты тока молнии амплитудой /тС=-0,880 кА
В связи с тем, что величина поперечного сечения расщепленной медной жилы провода БПВЛ составляет 12 мм2 и соответственно превышает согласно [10, 11] расчетные значения минимально допустимых сечений £0тА=9,4 мм2 и £0тС=1,8 мм2 для медных токо-
проводов к основным компонентам тока искусствен -ной молнии с нормированными по [6-9] АВП, то данный провод и оказывается электротермически стойким к рассматриваемому совместному воздействию на него импульсной А- и длительной С- компонент тока искусственной молнии с указанными АВП.
На рис. 22 представлен внешний вид рабочего стола ГТМ и закрепленного на нем испытываемого образца экранированного многожильного кабеля UNITRONIC LIYCY 20x0,34 PM с шестью его па -раллельно включенными в разрядную цепь ГТМ медными жилами (поперечным сечением 0,34 мм2 каждая) суммарным сечением 2,04 мм2 до воздействия на него от генератора ГИТ-С длительной С- компоненты тока имитированной молнии с нормированными АВП (1тС=~0,857 кА; тс=1000 мс; Qс=207 Кл; и3С=-4,2 кВ). В результате воздействия на данный образец кабеля рассматриваемой компоненты имитированного в ГТМ тока молнии твердая токонесущая часть шести параллельно подключенных к генератору ГИТ-С медных жил экранированного многожильного кабеля марки ШЛТЯОМС ПУСУ 20x0,34 РЪГ с суммарным сечением 2,04 мм2 осталась целой и электротермически не поврежденной (рис. 23). Из-за действия на испытываемые медные жилы данного кабеля повышенной температуры от джоулева нагрева они подверглись достаточно сильному электротермическому перегреву и получили незначительную дополнительную меха -ническую деформацию прогиба (см. рис. 22 и 23). Одним из подтверждений тому является слипание между собой перегретой резиновой изоляции испы-танных медных жил этого многожильного кабеля.
Рис. 22. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца экранированного многожильного кабеля ЦЖТЯОМС ЫУСУ 20x0,34 РЪГ с шестью его параллельно подключенными медными жилами общим сечением 2,04 мм2 до воздействия на него длительной С- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой 1тС=_0,857 кА
В связи с тем, что величина суммарного поперечного сечения шести параллельно включенных между собой медных жил испытываемого многожильного кабеля составляет 2,04 мм2 и превышает значение указанного выше минимально допустимого для мед -ного токопровода к этому току сечения £0тС=1,8 мм2, то данный кабель и должен был быть электротермически стойким к рассматриваемому воздействию на него С- компоненты тока искусственной молнии.
На рис. 24 приведен внешний вид рабочего стола ГТМ и закрепленного на нем испытываемого образца кабеля ПВС 3x2,5 с тремя параллельно включенными
между собой медными жилами (поперечным сечением 2,5 мм2 каждая) суммарным сечением 7,5 мм2 нормированной импульсной А- компоненты тока искусственной молнии (/тА=-200 кА; ¿тА=38 мкс; та=500 мкс; JdA=2,03•106 А2-с; и3А=-27 кВ). В результате воздействия на данный образец кабеля питания ПВС 3x2,5 длиной 0,55 м импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с указанными АВП токонесущая часть медных жил кабеля ПВС 3x2,5 с суммарным поперечным сечением 7,5 мм2 в местах закрепления их краев на массивных прямоугольных алюминиевых электродах рабочего стола ГТМ из-за сильного джоулева нагрева перегорела, а по длине кабеля осталась целой, но термически перегретой (рис. 25).
Рис. 23. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца экранированного многожильного кабеля иЖ1ТЯОЖ1С ЫУСУ 20x0,34 РЪГ с шестью его параллельно подключенными медными жилами общим сечением 2,04 мм2 после воздействия на него длительной С- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой 1тС=_0,857 кА
Рис. 24. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца кабеля ПВС 3x2,5 с тремя медными жилами общим сечением 7,5 мм2 до воздействия на него импульсной А- компоненты тока молнии амплитудой 1тА=—200 кА
В результате такого электротермического воздействия на испытываемый кабель ПВС 3x2,5 импульсной А- компоненты тока имитированной молнии с принятыми АВП он оторвался от мест своего закрепления и упал на гетинаксовое покрытие толщиной 10 мм рабочего стола высоковольтного ГТМ (рис. 25).
Рис. 25. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца кабеля ПВС 3x2,5 с тремя медными жилами общим сечением 7,5 мм2 после воздействия на него импульсной А- компоненты тока молнии амплитудой 1тА=—200 кА Обследование ПВХ изоляции трех медных жил кабеля ПВС 3x2,5 после проведенного его электротермического испытания показало, что она в области краевых зон кабеля (шириной до 20 мм с находящимися внутри ПВХ оболочки целыми медными жила -ми) спеклась друг с другом без локальных трещин и иных видимых повреждений. Так как суммарное сечение трехжильного медного кабеля ПВС 3x2,5 составляет 7,5 мм2 и оказывается близким к расчетному по [10, 11] минимально допустимому для него сечению £0тА=9,4 мм2 и превышающим соответствующее расчетное критическое сечение £0£А=3,4 мм2, то поэтому медные жилы данного кабеля электрически не взорвались, но на краях термически перегрелись.
На рис. 26 показан общий вид рабочего стола ГТМ и закрепленного на нем испытываемого образца неэкранированной витой пары UTP cat5 с восемью параллельно включенными между собой медными жилами (каждая сечением 0,2 мм2) при их суммарном поперечном сечении 1,6 мм2 до прямого воздействия на нее от генератора ГИТ-С нормированной длительной С- компоненты тока искусственной молнии (1тС=~0,835 кА; тс=1000 мс; Qс=203 Кл; и3С=-4,2 кВ).
генератору ГИТ-С ее расщепленных медных жил с суммарным поперечным сечением 1,6 мм2 осталась целой и электротермически не поврежденной (рис. 27). После протекания по испытываемой витой паре указанной компоненты тока молнии она подверглась определенной термомеханической деформации (см. рис. 27) из-за действия на нее большой тепловой нагрузки от протекающего по ней тока и ЭДУ, природа которых аналогично описанной выше при испытаниях радиочастотного кабеля РК 75-17-31 (см. рис. 14).
В связи с тем, что суммарное поперечное сечение 1,6 мм2 восьми параллельно соединенных между собой медных жил исследуемой на электротермическую стойкость витой пары марки иТР са15 практически соизмеримо с расчетным согласно [10, 11] минимально допустимым для нее сечением £0тС=1,8 мм2, то испытываемая витая пара приложенное к ней электротермическое воздействие, вызванное протеканием по ее токонесущим частям нормированной длитель-ной С- компоненты тока искусственной молнии, выдержала практически без всяких нарушений.
Рис. 26. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца неэкранированной витой пары ИТР са15 с восемью медными жилами общим сечением 1,6 мм2 до воздействия на нее длительной С- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой 1тС=—0,835 кА
В результате воздействия на данный образец неэкранированной витой пары ИТР са15 указанной компоненты тока имитированной молнии твердая токонесущая часть восьми параллельно подключенных к
Рис. 27. Внешний вид рабочего стола ГТМ и испытываемого образца неэкранированной витой пары ИТР са15 с восемью медными жилами общим сечением 1,6 мм2 после воздействия на нее длительной С- компоненты тока искусственной молнии с амплитудой /тС=-0,835 кА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведенные на уникальном отечественном мощном ГТМ натурные экспериментальные исследования позволили определить электротермическую стойкость семи марок с различной изоляцией и раз -личного сечения медных проводов и кабелей бортовых электрических цепей ЛА к импульсной А- и длительной С- компонентам тока имитированной молнии с нормированными согласно действующим в авиационной и ракетно-космической отраслях ведущих стран мира международным требованиям [6-9] АВП.
2. Выполненные эксперименты подтвердили ра-ботоспособность расчетной методики согласно [10, 11] по оценке электротермической стойкости изолированных (оголенных) проводов и кабелей с медными жилами (оболочками) к прямому воздействию на них основных компонент больших и слабых по амплитуде импульсных токов молнии, отличающихся большим количеством протекающего от них по токоведущим частям проводов (кабелей) за время их действия электрического заряда.
3. Полученные результаты могут быть практиче-
ски использованы инженерно-техническим персоналом при испытаниях различной номенклатуры проводов (кабелей) J1A на стойкость к прямому воздействию на них больших (слабых) импульсных токов молнии с заданными АВП и выборе для бортовых электрических цепей ЛА электротермически стойкой к наиболее опасным для ЛА прямым ударам линейной молнии кабельно-проводниковой продукции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баранов М.И, Кравченко В.И., Носенко М.А. Экспериментальные исследования электротермической стойкости металлических элементов летательного аппарата к прямому воздействию тока искусственной молнии. Часть 1: Стойкость алюминиевой обшивки // Електротехніка і електромеханіка. - 2011. -№ 1. -С. 65-71.
2. Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И. и др. Генератор тока искусственной молнии для натурных испытаний технических объектов // Приборы и техника эксперимента. - 2008. - № 3. - С. 81-85.
3. Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И. и др. Высоковольтные сильноточные воздушные разрядники генератора тока искусственной молнии // Приборы и техника эксперимента. - 2008. - № 6. - С. 58-62.
4. Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И. и др. Мощная высоковольтная электрофизическая установка для имитации полного тока молнии и ее применение в области молниезащиты технических объектов // Електротехніка і електромеханіка. - 2008. - № 3. - С. 69-75.
5. Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И. и др. Мощный импульсный генератор тока молнии: разработка и примеры применения / Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: Материалы Международной научной конференции (17-21 августа 2009 г.). - Николаев: КП "Миколаївська обласна друкарня", 2009. - С. 113-115.
6. SAE ARP 5412/ED-84. Нормативный документ "Рекомендуемая практика авиационно-космических работ. Идеализированные составляющие внешнего тока" (США), 1985. - С. 30-39.
7. SAE ARP 5416/ED-84. Нормативный документ "Рекомендуемая практика авиационно-космических работ. Условия воздействия молнии на летательные аппараты и соответствующие формы испытательных сигналов" (США), 1997. - 145 с.
8. KTP-BB®/D0-160D/ED-14D. Квалификационные требования "Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования. Требования, нормы и методы испытаний". Раздел 23.0. "Прямое воздействие молнии".- М.: Изд-во госстандартов Российской Федерации. - 2004. -С. 258-273.
9. MIL-STD-464A. Военный стандарт США "Электромагнитные и экологические эффекты воздействия молнии. Требования интерфейса и критерии проверки систем". - 2002.-С. 1-162.
10. Баранов М.И. Электротермическая стойкость изолированных проводов и кабелей к воздействию больших импульсных токов молнии // Електротехніка і електромеханіка. - 2003. -№ 2. - С. 67-74.
11. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Монография в 2-х томах. Том 2, Кн. 2: Теория электрофизических эффектов и задач. - Харьков: Изд-во НТУ "ХПИ", 2010. - 407 с.
12. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. - М.: Мир, 1972. - 391 с.
Bibliography (transliterated): 1. Baranov M.I., Kravchenko V.I., Nocenko M.A. Ekcperimentaln'ie iccledovanija elektrotermichecko' cto'kocti metallicheckih elementov letatelnogo apparata k prjamomu vozde'ctviju toka ickucctvenno' molnii. CHact 1: Cto'koct aljuminievo' obshivki // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2011. - № 1. - C. 65-71. 2. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I. i dr. Generator toka ickucctvenno' molnii dlja naturn'ih icp'itani' tehnicheckih obektov // Pribor'i i tehnika ekcperimenta. - 2008. - № 3. - C. 81-85. 3. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I. i dr. V'icokovoltn'ie cilnotoch-n'ie vozdushn'ie razrjadniki generatora toka ickucctvenno' molnii // Pribor'i i tehnika ekcperimenta. - 2008. - № 6. - C. 58-62. 4. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I. i dr. Moschnaja v'icokovoltnaja elektrofizicheckaja uctanovka dlja imitatsii polnogo toka molnii i ee primenenie v oblacti molniezaschit'i tehnicheckih obektov // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2008. - № 3. - C. 69-75. 5. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I. i dr. Moschn'i' impulcn'i' generator toka molnii: razrabotka i primer'i primenenija / Fizika impulcn'ih razrjadov v kondencirovann'ih credah: Material'i Mejdunarodno'
nauchno' konferentsii (17-21 avgucta 2009 g.). - Nikolaev: KP "Mikolaivcka oblacna drukarnja", 2009. - C. 113-115. 6. SAE ARP 5412/ED-84. Normativn'i' dokument "Rekomenduemaja praktika aviatsionno-kocmicheckih rabot. Idealizirovann'ie coctavljajuschie vneshnego toka" (CSHA), 1985. - C. 30-39. 7. SAE ARP 5416/ED-84. Normativn'i' dokument "Rekomenduemaja praktika aviatsionno-kocmicheckih rabot. Uclovija vozde'ctvija molnii na letateln'ie apparat'i i cootvetctvujuschie form'i icp'itateln'ih cignalov" (CSHA), 1997. - 145 c. 8. KTR-VVF/D0-160D/ED-14D. Kvalifikatsionn'ie trebovanija
"Uclovija ekcpluatatsii i okrujajusche' cred'i dlja bortovogo aviatsion-nogo oborudovanija. Trebovanija, norm'i i metod'i icp'itani'". Razdel 23.0. "Prjamoe vozde'ctvie molnii".- M.: Izd-vo gocctandartov Roc-ci'cko' Federatsii. - 2004. - C. 258-273. 9. MIL-STD-464A. Voenn'i' ctandart CSHA "Elektromagnitn'ie i ekologicheckie effekt'i vozde'ctvija molnii. Trebovanija interfe'ca i kriterii proverki cictem". - 2002.-C. 1-162. 10. Baranov M.I. Elektrotermicheckaja cto'koct izolirovann'ih provodov i kabele' k vozde'ctviju bolshih impulcn'ih tokov molnii // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2003. - № 2. - C. 67-74. 11. Baranov M.I. Izbrann'ie voproc'i elektrofiziki: Monografija v 2-h tomah. Tom 2, Kn. 2: Teorija elektrofizicheckih effektov i zadach. -Harkov: Izd-vo NTU "HPI", 2010. - 407 c. 12. Knopfel G. Cverhciln'ie impulcn'ie magnitn'ie polja. - M.: Mir, 1972. - 391 c.
Поступила 27.11.2010
БарановМихаил Иванович, д.т.н., с.н.с.,
Кравченко Владимир Иванович, д.т.н., проф.,
НосенкоМаринаАлександровна, н.с.
НИПКИ "Молния"
Национального технического университета "Харьковский политехнический институт"
61013, Харьков, ул. Шевченко, 47
тел. (057) 707-68-41, e-mail: [email protected]
BaranovM.I., Kravchenko V.I., NosenkoM.A.
Experimental research into electrothermal stability of aircraft metallic elements against direct action of artificial lightning current. Part 2: stability of copper wires and cables.
Results of electrothermal stability are experimentally obtained for a number of short copper wires and cables specimens of various brands of air-borne electrical circuits under direct separate or joint action of pulse A or continuous C components of artificial lightning current with peak-time parameters rated according to international requirements.
Key words - artificial lightning current, air-borne copper wires and cables, electrothermal stability.
