CC BY
88
4. Опыт калибровки и практической эксплуатации прибора для диагностики состояния
ОПН типа СКАТ-3 / М.Б.Баранник, В.Ю.Барбарович, Б.Л.Дмитриев, B.BКолобов // Приборы. 2011. 11 (137). С. 40-45.
5. Система регистрации геоиндуктированных токов в нейтралях силовых автотрансформаторов / М.Б.Баранник, А.Н.Данилин, Ю.В.Катькалов, В.В.Колобов, Я.А.Сахаров, В.Н.Селиванов // Приборы и техника эксперимента. 2012. N° 1. С. 118-123.
6. Исследование влияния геомагнитных возмущений на гармонический состав токов в нейтралях автотрансформаторов / В.Н.Селиванов, М.Б.Баранник, А.Н.Данилин, В.В.Колобов, ЯА.Сахаров // Труды КНЦ РАН. Энергетика. 2012. Вып.4. С. 60-68.
Сведения об авторах
Колобов Виталий Валентинович,
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: 1_i@mail.ru
Баранник Максим Борисович,
ведущий инженер лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru
УДК 621.311
А.Н.Данилин, В.В.Ивонин
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОЛИГОН ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИСКРООБРАЗОВАНИЯ В ГРУНТАХ ПРИ СТЕКАНИИ БОЛЬШИХ ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ С ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ
Аннотация
Описаны высоковольтный полигон для исследования процессов искрообразования в грунтах, а также оборудование, созданное для формирования и измерения высоковольтных импульсов напряжения.
Ключевые слова:
искрообразования в грунте, генератор импульсных напряжений, генератор Аркадьева - Маркса, омический делитель напряжения.
A.N.Danilin, V.V.Ivonin
HIGH VOLTAGE OPEN-AIR TESTING AREA FOR INVESTIGATION OF SPARKING IN SOIL UNDER HIGH IMPULSE CURRENT ON GROUND
Abstract
High-voltage polygon for investigation of sparking in soil and equipment designed for generating and measuring high-voltage pulses are described.
Keywords:
sparking in soil, Marx generator, resistive voltage divider.
Проблема защиты от ударов молнии зданий и сооружений различного назначения разрабатывается на протяжении многих десятилетий, однако до сих пор в проблеме выбора оптимальной конструкции заземлителей остаются нерешенные вопросы. Достоверность расчета и выбора схем молниезащиты должна быть обоснована результатами экспериментальных исследований при процессах, подобных разряду молнии. Расчет сопротивлений заземлителей сложен из-за наличия искрообразования
в грунте при больших токах молниевого разряда и в связи с этим нелинейной характеристики сопротивления. Эти сложные и важные для практики молниезащиты явления нуждаются в экспериментальном исследовании и моделировании. Соответствующие испытания должны производиться до ввода в эксплуатацию каждого ответственного технического объекта [1].
Районы крайнего Севера, включая Кольский полуостров, регион с высокоразвитой промышленностью, в отношении грозозащиты объектов электроэнергетики характеризуются низкой интенсивностью гроз и высоким удельным сопротивлением грунта. Нормативные документы (ПУЭ, методические указания, нормативные акты и др.) в отношении значений сопротивлений защитных заземляющих устройств дают величины, достижение которых требует огромных затрат, а зачастую технически нереализуемо.
При высоких удельных сопротивлениях грунта протекание грозовых токов в земле создает огромные напряженности электрического поля вокруг заземляющего проводника, вызывающие интенсивную ионизацию в окружающем грунте и искрообразование в нем.
В связи с этим в последнее время ряд исследований, в том числе зарубежных, направлено на изучение влияния процессов ионизации и искрообразования в грунтах разных типов. Крупные отечественные исследования в этой области производились в 1970-х гг. В настоящее время (1990-2005 гг.) в России проводились исследования растекания токов с заземлителей, имеющие феноменологический характер, с привязкой к конкретным устройствам заземления. Полученные результаты согласовывались с зарубежными, однако отсутствовала привязка к региональным особенностям грунтов, а также, как у нас, так и за рубежом, полученные сведения о протекающих процессах не находили применения в отношении использования данных для оптимизации заземляющих устройств и их влияния на защитные функции заземляющих устройств.
Накопленный опыт по постановке лабораторных исследований и разработанные системы измерений позволили получить большой объем предварительных результатов. Эти же исследования показали необходимость переноса опытов в открытые объемы грунтов, поскольку было показано большое значение в достоверных результатах краевых эффектов, искажающих реальные процессы стекания больших импульсных токов с заземлителей. В связи с этим был разработан высоковольтный полигон с генераторно-измерительной аппаратурой.
Описание высоковольтного полигона. Полигон представляет собой участок земли площадью 8^16 м вблизи здания высоковольтной лаборатории. По контуру участка на глубине примерно 250 мм проложен замкнутый заземляющий контур, выполненный стальной полосой 35 мм. Для снижения сопротивления заземляющего контура через каждые 2 м по контуру заземления в землю забиты электроды диаметром 20 мм и длиной 400 мм, которые приварены к полосе контура. Конструкция полигона приведена на рис.1.
Грунт полигона двухслойный: сверху - морена глубиной
до 0.5 м (смесь песка с галькой), ниже - дробленые скальные грунты. В центре полигона для удобства размещения в грунте электродов по длине вырыта канава глубиной 0.4 м и шириной 0.4 м, которая заполнена песком.
В качестве нагрузки, представляющей собой заземлители различной конфигурации, могут быть использованы как сосредоточенные электроды (например полусфера или вертикальный стержень), так и протяженные горизонтальные длиной до 6 м. Исследуемые заземлители могут быть размещены в песчаной канаве на глубинах от 0 до 300 мм.
Рис.1. Устройство высоковольтного полигона
Конструкция ГИН. Для выполнения исследований на полигоне был создан генератор импульсных напряжений, выполненный по схеме Аркадьева - Маркса [2]. Принципиальная схема ГИН представлена на рис.2.
Рис. 2. Принципиальная схема ГИН
Как видно из схемы, конденсаторы ступеней С0 заряжаются от выпрямительного устройства, выполненного по схеме удвоения напряжения. Выпрямитель питается от трансформатора ЗНОМ-35, ЯЗ - защитный резистор. Значение максимального выпрямленного напряжения регулируется в пределах от 1 до 70 кВ.
Генератор импульсных напряжений выполнен на основе импульсных конденсаторов ИК-100/0.4 и состоит из 7 ступеней. Таким образом, максимальное импульсное напряжение на выходе ГИН составляет примерно 450 кВ и хорошо регулируется от 150 кВ. Для получения меньших напряжений (10-150 кВ) уменьшается число ступеней ГИН. На рис.3 приведена фотография генератора.
Коммутация ГИН принудительная. После заряда ГИН от зарядного устройства последнее отключается от сети 220 В коммутатором К и производится механическая коммутация первого разрядника ГИН. Этим обеспечена развязка сети от источника импульсных напряжений. Контроль над величиной заряда конденсаторов осуществляется по киловольтметру.
Для измерения импульсных напряжений на выходе ГИН и на нагрузках использовался омический делитель напряжения. Высоковольтное плечо делителя было выполнено на основе семи последовательно соединенных резисторов 30 кОм. Измеренное общее активное сопротивление высоковольтного плеча делителя составило R=221.5 кОм. Компенсация искажений импульсных напряжений выполнена при помощи импульсных конденсаторов, включенных параллельно резисторам высоковольтного плеча делителя. Низковольтное плечо делителя имеет сопротивление 50 Ом, которое соответствует волновому сопротивлению коаксиального кабеля между делителем и осциллографом. С учетом согласованного подключения делителя к цифровому осциллографу его градуировочный коэффициент равен примерно АД=56000. Для проведения исследований по распределению потенциалов в грунте вокруг электродов были созданы два одинаковых делителя напряжения.
Рис. 3. Генератор импульсных напряжений
Токи, протекающие через грунт, регистрировались с помощью мостового шунта, выполненного по схеме Пашена [3]. Сопротивление шунта 0.39 Ом. Градуировочный коэффициент шунта ЛШ=0.016.
Данные с делителей напряжения и токового шунта поступали на цифровой осциллограф АКИП-4113/2. На рис.4 приведена схема подключения токового шунта и делителя напряжения через согласующие элементы и промежуточные делители.
Рис.4. Измерительная схема
Проверка генераторно-измерительной установки на полигоне. Для проверки установки использовался заземлитель в виде сферического электрода диаметром 140 мм, который был погружен в грунт на величину радиуса. Амплитуда напряжения, подаваемого на электрод, составляла 150 кВ. На рис.5 представлены осциллограммы напряжения, тока и расчетного сопротивления.
Длительность фронта полученных импульсов составила менее 1 мкс, а длительность напряжения на полуспаде равнялась 32-37 мкс. Расчет сопротивления показал, что во время разряда за счет искрообразования в грунте сопротивление заземлителя снижалось более чем в 2 раза.
Рис. 5. Осциллограммы напряжения, тока и расчетного сопротивления Выводы
1. Создан полигон, позволяющий проводить исследования импульсных процессов на заземляющих устройствах в открытых грунтах, где не сказываются краевые эффекты.
2. Проведены успешные испытания генератора импульсных напряжений и зарегистрированы импульсы напряжения на заземлителе и тока в открытом грунте. Показана возможность создания мобильных генераторов, имитирующих разряды молнии, выполненных на основе генератора Аркадьева - Маркса с напряжением до 1 МВ.
Литература
1. Мобильная установка на основе генератора импульсного напряжения для исследования влияния токового импульса молнии на сопротивление грунта / ВЕФортов, В.П.Смирнов, Э.Я.Сон и др. // Сборник докладов IV международной конференции по молниезащите (Санкт-Петербург, 27-29 мая 2014 г.). СПб., 2014. С. 231-239.
2. Техника высоких напряжений / под ред. М.В.Костенко. М.: Высш. шк., 1973. 528 с.
3. Данилин А.Н. Разработка высоковольтных систем генерирования и регистрации импульсов, моделирующих атмосферные перенапряжения в подземных проводниках: дис. ... канд. техн. наук. Л., 1990. 231 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: danilin@ien.kolasc.net.ru
Ивонин Виктор Владимирович,
аспирант Кольского научного центра РАН
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: ivoninviktor@mail.ru
