CC BY
17
Литература
1. Г. М. Гончаренко, Л. Ф. Дмоховская, Е. М. Жаков: Испытательные установки и измерительные устройства в лабораториях высокого напряжения. М.: Энергия. 1966. 159 с.
2. Фрюнгель Ф.: Импульсная техника. Генерирование и применение разрядов конденсаторов, пер. с нем. М.-Л.: Энергия. 1965. 488 с.
3. М. А. Бабиков, Н. С. Комаров, А. С. Сергеев: Техника высоких напряжений. 3-е изд. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1963. 671 с.
Сведения об авторах:
Данилин Аркадий Николаевич,
заведующий лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук» (ЦЭС КНЦ РАН). Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 47А эл. почта: danilin@ien.kolasc.net.ru
Климов Андрей Александрович,
инженер лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук» (ЦЭС КНЦ РАН). Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 47А эл. почта: andreyklimov95@mail.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.8.122-126 УДК 621.311
В.В.Ивонин
ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЭЛЕКТРОДОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ С ОДИНАКОВОЙ ПЛОЩАДЬЮ ПОВЕРХНОСТИ
Аннотация
В статье представлены результаты экспериментальных исследований импульсных сопротивлений электродов различной формы и конфигурации, имеющих одинаковую площадь поверхности. Показано, что геометрические размеры заземлителей оказывают большое влияние на величину как стационарного, так и импульсного сопротивления заземлителей.
Ключевые слова:
искрообразования в грунте, ионизация грунта, заземление. V.V. Ivonin
RESEARCH OF IMPULSE RESISTANCES OF DIFFERENT TYPES GROUNDING ELECTRODES WITH EQUAL SURFACE AREA
Abstract
The results of experimental studies of electrodes impulse resistances of various shapes and configurations with the same surface area are presented. It is shown that the geometrical dimensions of grounding electrode have a great influence on the magnitude of both stationary and impulse resistance of electrode.
Keywords:
sparking in soil, soil ionization, grounding.
Введение
При ударе молнии в заземляющие устройства возникает быстроменяющийся многокилоамперный ток, который воздействует на грунт и вызывает искрообразование, в результате чего и свойства грунта и электрические характеристики заземления могут отличаться в несколько раз от величин, полученных при протекании слабого стационарного тока [1]. Механизмы возникновения электрического пробоя и развития разряда в сложной дисперсной среде, которой является влажный грунт, может отличаться от традиционного лидерно-стримерного механизма. Наличие дисперсной фазы из диэлектрических частиц существенным образом влияют на пробой, а также на растекание сильных импульсных токов. Решение данной проблемы особенно актуально в настоящее время в связи с массовым внедрением в энергетику информационных и управляющих систем на основе микроэлектроники и микропроцессорной техники, имеющей повышенную чувствительность к возникающим перенапряжениям.
При растекании больших импульсных токов в грунте электрические свойства самого грунта, как и характеристики заземления могут существенно отличаться от величин, полученных при растекании слабого стационарного тока. Это связано с ионизацией грунта вблизи электрода и образованием искровых каналов, что приводит к заметному снижению удельного сопротивления грунта р [2]. При увеличении импульсного тока в грунте происходит ионизация и образуются искры, в результате чего сопротивления заземления уменьшается, а динамическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) становится нелинейной. Причиной ионизации является достаточно сильное электрическое поле проводимости Е=рj, которое возникает при растекании импульсного тока с плотностью j с одиночного заземлителя [3]. Ионизация в грунте, сопровождающаяся образованием искровых каналов, начинается при напряженности электрического поля Е=4-16 кВ/см.
Данная работа посвящена исследованию импульсных характеристик электродов разной формы и конфигурации, но имеющих одинаковую площадь поверхности.
Описание эксперимента
Для проведения экспериментов на заземлителях соизмеримых по размерам с зазмелителями реальных объектов электроэнергетики был создан высоковольтный полигон на месте бывшего песчаного карьера вблизи города Апатиты [4]. Удельное сопротивление грунта на полигоне составило 1100 Ом*м. В качестве источника импульсов использовался генератор импульсных напряжений (ГИН), выполненный по схеме Аркадьева-Маркса. Питался ГИН от АИД-70, который был подключен к бензогенератору (рис. 1). ГИН состоял из 6 ступеней, в результате выходное напряжение ГИН лежало в промежутке от 60 до 360 кВ. Заземляющее устройство генератора состояло из двух соединенных между собой контуров: внешнего квадрата со стороной 6 м и внутреннего со стороной 2,5 м. В качестве элементов ЗУ использовались стальные полосы шириной 50 мм и толщиной 4 мм. По углам внутреннего контура были вбиты вертикальные электроды диаметром 20 мм и длиной 1 м. Сопротивление контура заземления 66 Ом.
Рис. 1 Схема проведения эксперимента Fig. 1 The scheme of the experiment
В качестве электродов использовались:
- Стержень диаметром 12 мм и длиной 4,85 м;
- Труба диаметром 42 мм и длиной 1,5 м;
- Шар диаметром 340 мм. Шар закапывался наполовину для однородного распределения электромагнитных полей.
Площадь поверхности всех электродов 1816 см2.
Вторым этапом работ были эксперименты на моделях горизонтальных заземлителей, состоящих из разного количества лучей, но имеющих одинаковую длинну 16 м (рис.2). Заземлители выполнялись из провода диаметром 3 мм.
Рис. 2. Модели заземлителей Fig. 2. Grounding electrodes model
Результаты
В первой серии экспериментов измерялось стационарное сопротивление всех электродов, а также импульсное сопротивление при воздействии импульса амплитудой 168 кВ и 300 кВ. В таблице 1 указаны измеренные значения стационарных и импульсных сопротивлений всех типов электродов.
Таблица 1
Измеренные сопротивления всех типов электродов Measured resistances of all types electrodes
Тип электрода Стационарное Импульсное Импульсное
сопротивление, Ом сопротивление (U=168 кВ), Ом сопротивление (U=300 кВ), Ом
Стержень (d=12 мм, L=4,85 м) 785 280 230
Труба (d=42 мм, L=1,5 м) 1500 410 540
Шар (d=340 мм), 3250 1100 650
закопанный наполовину
Как видно из таблицы геометрические размеры заземлителей оказывают большое влияние на величину как стационарного, так и импульсного сопротивления заземлителей. Увеличение неоднородности электрического поля на поверхности электрода приводит к тому, что при одинаковой площади поверхности и равных амплитудах импульсов напряжения наименьшее импульсное сопротивление — 280 Ом имеет стержневой заземлитель, а наибольшее полусфера — 1100 Ом. Импульсное сопротивление трубы лежит между этими значениями и составляет 540 Ом. Таким образом, величина импульсного сопротивления может уменьшаться почти в 4 раза только путем изменения формы заземлителя за счет локального увеличения напряженности электрического поля на поверхности электрода, что приводит к образованию множественных искровых каналов.
Во второй серии экспериментов измерялось импульсное сопротивление заземлителей с разным количеством лучей, но одинаковой общей длиной при воздействии импульсов амплитудой 210 кВ и 360 кВ. В таблице 2 приведены измеренные значения импульсных сопротивлений заземлителей.
Таблица 2
Значения импульсного сопротивления заземлителей, состоящих из разного количество лучей
Impulse resistance of grounding consisting of different number of electrodes
Импульсное напряжение ГИН (кВ) Число лучей
2 3 4
210 кВ 120 125 130
360 кВ 100 105 115
На рисунке 3 представлена зависимость импульсного сопротивления заземлителя от количества лучей, из которых он состоит. Как видно из рисунка за счет взаимного экранирования с ростом числа лучей общее сопротивление заземлителя возрастает.
X_
2 луча
А
3 луча
XI
4 луча
з 4
число лучей
Рис. 3. Зависимость импульсного сопротивления заземлителя от количества лучей
Fig. 3. The dependence of impulse resistance of grounding consisting of different number of electrodes
Заключение
В работе показано, что для более эффективной работы заземления при воздействии больших импульсных токов необходимо применять стержневые протяженные заземлители малого диаметра, состоящие из наименьшего количества лучей. Механизм такой работы заключается в том, что развитие плазменных каналов изменяет не только эффективный диаметр заземлителя, но и увеличивает эффективную длину проводника за счет прорастания плазменных каналов с торца стержневого электрода, где велика плотность тока и велика напряженность электрического поля и неоднородность электрического поля [5, 6]. Этот механизм похож на механизм прорастания лидера при импульсном электрическом пробое длинных воздушных промежутков при атмосферном давлении.
Литература
1. Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Панов В. А., Печеркин В. Я., Сон Э. Е. Нелинейное растекание импульсного тока и электрический пробой в грунте // Теплофизика высоких температур. Том 52. № 6. 2014. С. 825.
2. Ивонин В. В., Данилин А. Н., Ефимов Б. В., Колобов В. В., Селиванов В. Н., Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Печеркин В. Я., Сон Э. Е. Оптические исследования искровых каналов в грунте при растекании импульсного тока // Прикладная физика, 2015, № 4. С. 50-54.
3. Vasilyak L. M., Pecherkin V. Ya., Vetchinin S. P., Panov V. A., Son E. E., Efimov B.V., Danilin A. N., Kolobov V. V., Selivanov V. N., Ivonin V. V. Electrical breakdown of soil under nonlinear pulsed current spreading // Journal of Physics D: Appl. Phys. 2015. V. 48. P. 285201.
4. Ивонин В. В., Данилин А. Н. Исследование распределения потенциалов на поверхности грунта вокруг протяженного заземлителя // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2015. Вып. 11. С. 4-9.
5. Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Панов В. А., Печеркин В. Я., Сон Э. Е. Электрический пробой при растекании импульсного тока в песке // Прикладная физика, 2014, № 4. С. 20-25.
6. Ивонин В. В., Данилин А. Н., Ефимов Б. В., Колобов В. В., Селиванов В. Н., Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Печеркин В. Я., Сон Э. Е. Оптические изображения искровых каналов при растекании импульсных токов в грунте // Успехи прикладной физики, 2016. Том 4, № 4. С. 355-361.
Сведения об авторах
Ивонин Виктор Владимирович,
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера - филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук».
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл.почта: ivonin@ien.kolasc.net.ru
