CC BY
46
УДК 621.311
А.Н.Данилин, В.В.Ивонин
ЗОНДОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОЦЕССОВ РАСТЕКАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ В УВЛАЖНЕННОМ ГРУНТЕ*
Аннотация
Приведены результаты исследований распределения потенциалов вокруг заглубленных в грунте электродов при импульсных воздействиях на них Помимо этого приведены данные, полученные в ходе изучения скорости роста искровых каналов в грунте.
Ключевые слова:
искрообразования в грунте, распределение потенциалов, скорость роста искровых каналов.
A.N.Danilin, V.V.Ivonin
PROBE MEASUREMENTS OF PROCESSES
OF PULSE CURRENTS DISTRIBUTION IN MOISTENED SOIL
Abstract
The results of potential distribution research around buried electrodes as well as the data obtained during the study of the sparking rate in soil are presented.
Keywords:
sparking in soil, potential distribution, sparking rate.
Исследования распределения потенциалов вокруг заглубленных в грунт электродов имели целью получить сравнительные зависимости распределений для резко отличающихся электродов: сферического и вертикального стержневого [1-3]. Проверялась гипотеза о том, что при напряженностях в грунте, превышающих порог искрообразования, зависимости распределения потенциалов даже у резко отличающихся систем будут близки по форме и количественным показателям.
Для выполнения исследований распределения потенциала в грунте была разработана зондовая система измерений, которая должна отвечать следующим требованиям.
1. Зонд, помещаемый вблизи электрода и находящийся в сильных полях, не должен вносить изменения в картину поля, т.е. шунтировать участки среды, в которой он размещается. Исходя из этого, габариты зонда должны быть минимальными.
2. Противоречащим первому требованию является хороший контакт головки зонда с окружающей средой. Зонд должен иметь минимальное переходное сопротивление «грунт - зонд», которое не должно изменяться при перемещениях зонда. Это сопротивление входит в цепь делителя напряжения, подключаемого к зонду, при этом сопротивление делителя должно быть как минимум на порядок больше переходного сопротивления зонда. На рис.1 приведены параметры делителя напряжения и размеры зонда. В грунте, имеющем влажность от 5% и выше, переходное сопротивление зонда лежало в интервале 19-21 кОм, при этом полное сопротивление делителя составляло 233 кОм, что отвечает требованию соотношения сопротивлений.
Измерения выполнялись двумя зондами. Это позволило получить усредненные значения потенциалов грунта и исключить возможные ошибки измерений. Использование двух зондов позволило также оценить вероятность прорастания искрового канала в область нахождения зонда. Устройство, в котором выполнены данные измерения, приведено на рис.2.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 14-08-00573).
Рис.1. Параметры делителя напряжения и конструкция зонда
Рис. 2. Устройство для проведения экспериментов по измерению распределения потенциалов в грунте с помощью зондов
Рисунок условный, реальное соотношение размеров бака и электрода с зондами можно оценить по приведенным на рисунке размерам. Максимальные расстояния от электрода до зонда были на порядок меньше расстояния от зонда до металлического бака, за счет чего снижалось влияние краевых эффектов.
Исследования выполнены на двух типах электродов: сферическом и вертикальном стержневом. Влажный грунт имел удельное сопротивление р «900 Ом-м.
В качестве ГИН использован генератор с емкостью в ударе 0.1 мкФ [4]. Измерения выполнены при двух импульсных напряжениях 30 и 45 кВ. На рис.3 приведены осциллограммы импульсных напряжений, токов и расчетных сопротивлений электродов в грунте. Зависимость сопротивления показывает, что в грунте происходило активное искрообразование.
Результаты исследований распределения потенциалов в грунте при импульсных воздействиях представлены на графиках (рис.4, 5).
Приведенные зависимости построены по полученным осциллограммам, на которых искровые каналы, разрастающиеся в грунте в стороны от электрода, не замыкаются на зонд. При замыкании канала на зонд или на оба зонда потенциал грунта в этой точке равен разности потенциала электрода и падения напряжения в искровом канале.
Рис. 3. Импульс на входе сферического электрода (слева) и вертикального стержня (справа)
Рис.4. Зондовые измерения потенциалов грунта при напряжении ГИН U=30 кВ
Рис 5. Зондовые измерения потенциалов грунта при напряжении ГИН U=45 кВ
Из данных рисунков видно, что расчетные зависимости для шарового электрода совпадают с экспериментальными только при расстояниях, на которых искровые процессы, приводящие к снижению эффективных значений удельного сопротивления грунта, отсутствуют.
Можно отметить, что при условиях искрообразования в грунте зависимости для разных типов электродов довольно близки друг к другу.
Исследования скорости роста искровых каналов в грунте. Методика определения скорости роста искровых каналов в грунте заключалась в следующем. Используя ту же систему размещения зондов относительно электрода в грунте, что и в предыдущих опытах, по осциллограммам напряжения на зондах (рис.6) определялось время прорастания искрового канала в грунте до одного из зондов или до обоих зондов.
Скорость определялась как отношение расстояния от электрода до зонда ко времени прорастания. При прорастании искрового канала до зонда его потенциал скачком возрастал до значения потенциала электрода минус падение напряжения в искровом канале. На рис.6 приведены совмещенные осциллограммы потенциалов на зондах, размещенных по обе стороны от сферического электрода на расстояниях 25 мм. Первый зонд перехватил искровой канал, при этом время прорастания канала составило 2.5 мкс. Следовательно, скорость роста канала равнялась 104 м/с. Опыты по определению скорости многократно дублировались, поскольку процесс перехвата искрового канала зонда статистический и имел большой разброс.
Измерения этих процессов проводились по той же методике и теми же делителями и осциллографом, что и измерения распределения потенциалов в грунте.
Опыты выполнены при трех напряжениях ГИН: 38, 42 и 50 кВ. На рис.7 приведены осциллограммы импульсов напряжения, тока и расчетного сопротивления для напряжения генератора 42 кВ.
Рис.6. Пример регистрации потенциалов Рис. 7. Импульсы на входе электрода грунта при перекрытии искрового при разных напряжениях ГИН канала на зонд при напряжении 38 кВ
Результаты расчета средних скоростей развития искрового канала в грунте приведены в табл. Данные в таблице получены при обработке не менее 10 осциллограмм при каждом напряжении и расстоянии от электрода до зонда. Вероятность захвата искрового канала зондом определялась отношением числа импульсов, захваченных данным зондом (канал искры попал в данный зонд), к общему количеству импульсов.
Результаты расчета средних скоростей развития искрового канала в грунте
Напряжение на электроде U, кВ Расстояние от электрода до зонда S, мм Среднее время прохождения искры от электрода до зонда т , мкс Средняя скорость развития искрового канала V=S/t, мм/мкс Вероятность захвата искрового канала зондом, %
38 15 1.51 9.93 60
25 1.99 12.6 40
35 3.28 7.3 12
42 15 1.24 12.1 68
25 1.79 14.1 48
35 1.72 20.6 31
50 35 1.19 29.4 68
Выводы
1. Показано, что при напряженностях электрического поля в грунте, превышающих порог начала искрообразования, распределение потенциалов за счет образования вокруг электродов хорошо проводящих зон практически не зависит от конфигурации электродов.
2. Скорости развития искрового канала в грунте крайне малы, из чего следует, что механизм развития канала перекрытия по поверхности грунта носит характер, отличный от развития канала пробоя внутри грунта. Это отмечалось в ряде работ. В данных опытах обеспечивался принудительный пробой внутри грунта, чтобы оценить скорость составляющей канала пробоя внутри грунта. Измеренные скорости в зависимости от напряжения и расстояния до зонда лежали в диапазоне от 7 до 30 мм/мкс. С ростом напряжения скорость развития канала в грунте возрастает.
3. Выполнена статистическая оценка вероятности развития канала в направлении зондов. В данных опытах вероятности захвата лежат в диапазоне от 12 до 68%. Это значение также зависит от уровня напряжения и расстояния от электрода до зонда. Очевидно, что интенсивность искровых каналов выше вблизи электрода и с удалением от него растут только отдельные искровые каналы, что подтверждается статистикой при зондировании потенциалов в грунте и оптическими исследованиями.
Литература
1. Рябкова Е.Я. Заземления в установках высокого напряжения. М.: Энергия, 1978. 224 с.
2. The potential gradient of ground surface according to shapes of mesh grid grounding electrode
using reduced scale model / Chung-Seog Choi, Hyang-Kon Kim, Hyoung-Jun Gil, Woon-Ki Han, Ki-Yeon Lee [Электронный ресурс] // IEE J. The Institute of Electrical Engineers of Japan: сайт. URL: www2.iee.or.jp/ver2/honbu/14-magazine/log/2005/
2005_12b_07.pdf
3. Joffe B. Elya, Lock Kai-Sang. Grounds for grounding. A circuit-to-system handbook. A John Wiley & Sons, Inc., Publication. 2010.
4. 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 КНЦ РАН. Энергетика. 2011. №> 2(5). С. 39-54.
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
УДК 621.311
А.В.Бурцев, Ю.М.Невретдинов, А.А.Смирнов
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Аннотация
Приведены результаты исследования импульсных характеристик трехфазного силового трансформатора в лабораторных условиях. Выявлено влияние режима нейтрали и токов во вторичной обмотке на формирование грозовых перенапряжений на трансформаторе, изолированной нейтрали и вторичной обмотке. Показаны преимущества лабораторных экспериментов.
Ключевые слова:
грозовые перенапряжения, силовой трансформатор, импульсные характеристики.
A.V.Burtsev, Y.M.Nevretdinov, А.А-Smirnov
LABORATORY EXPERIMENTAL RESEARCH OF POWER TRANSFORMER PULSE CHARACTERISTICS
Abstract
The laboratory research results of the three-phase power transformer pulse characteristics are given. The influence of neutral mode and secondary winding currents on formation of storm overvoltages on the transformer, the isolated neutral and a secondary winding is revealed. Advantages of laboratory experiments are shown.
Keywords:
storm overvoltages, power transformer, pulse characteristics.
