«МОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАТОРА

ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ

ТОКОВОГО ИМПУЛЬСА НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТА»

В.Е. Фортов, В.П. Смирнов, Э.Е. Сон, Ю.А. Быков, В.В. Ермолаев – ОИВТ РАНЕ.В. Грабовский, А.Н. Грибов, Г.М. Олейник, А.О. Шишлов – ТРИНИТИЭ.М. Базелян – ОАО «Энин»В.М. Нистратов – МИПФВТЮ.А, Горюшин - ФСК

4-я Международная конференция по молниезащите.

27 – 29 мая 2014, г. С-Петербург1

ЦЕЛИ РАБОТЫ

Создание мобильного генератора импульсного напряжения для исследования распространения молнии в грунтах с сопротивлением более 10 Ом.м.

Исследование систем защиты от молниевых разрядов.

Определение уровня электромагнитного излучения модельных молниевых разрядов как поражающего фактора.

2

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ.

•Генератор стенда выполнен по схеме Аркадьева-Маркса;•Максимальное выходное напряжение 2,4 МВ;•Фронт тока разряда при R=100 Ом 4,2 мкс;•Фронт импульса при работе на грунт 6÷15 мкс;•Длительность импульса на 1/2высоте 45÷130 мкс;•Запасаемая энергия генератора 4,2 МДж;•Генератор состоит из 4- х секций•Общий вес ГИН 15 т;•Эксплуатация стенда в полевых условиях;•Транспортировка своим ходом.

ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕГАВОЛЬТНЫХ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Фирма/ страна Тип генератора U, МВ C в ударе, нФ

E , кДж

Haefely/ Швейцария ГИН - SGDA 2600-260

2.6 77 260

Highvolt/ Германия ГИН –M-1600 1.6 125 160

Highvolt/ Германия ГИН –G-2400 2.4 125 360

W.S. Test system private limited/ Индия

ГИН – IMP-1200 1.2 83 60

РФЯЦ «ВНИИ эксп. физики»/ Россия

Взрывомагнитный генератор ВМГ-320

0.5 при (Rн=5Ом

)

- 5000

ИЯФ СО РАН/ Россия ГИН – ГОЛ-3 1.0 300 150

ВЭИ, Москва ГИН 6.0 53 960

ЦНИИ 26, С-Петербург

ГИН 6.0 53 960

ОИВТ РАН, Москва ГИН(мобильный)

2.4 1460 4200

4

СОСТАВ МОБИЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

ГИН в составе 4-х секций. Автономные источники питания в составе дизель-

генератора и двух высоковольтных выпрямителей +-40кВ.

Измерительно-диагностический комплекс. Транспортная система: 2-а автопоезда

• КАМАЗ с манипулятором + прицеп-лаборатория• КАМАЗ с прицепом (монтажный комплект).

5

КОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕРАТОРА СТЕНДА

Предохранители

Колонна разрядников

Зарядный резистор

Конденсаторы

Место для блока запуска ГИНа

-40кВ

+40кВ

К соседнему этажу

К соседнему этажу

зарядное сопротивление

предохранительопора

рама

конденсатор

элемент крепления

ошиновка

разрядниквысоковольтный

вывод конденсатора

Комплекс в составе двух секций, высота 6м

Комплектация одного этажа

• Две секции соединены последовательно, одна стоит над другой.

• Одна секция ГИН имеет 15 ступеней, по 2 ступени на каждый этаж;

• Конденсаторы в секции соединены параллельно;

• В цепи каждого конденсатора на высоковольтном электроде установлен защитный предохранитель.

6

РЕЗУЛЬТАТ ЭКСПЕРИМЕНТА БЗГ

Условия эксперимента:• зарядное напряжение +20 кВ;• сопротивление нагрузки 50 Ом;• управление БЗГ при помощи оптического

преобразователя;

Импульс напряжения на нагрузке генератора

Параметры выходного импульса напряжения:• амплитуда импульса -60 кВ;• фронт импульса до 100нс;• длительность на 1/2высоте 3,5 мкс;

-80

-60

-40

-20

0

20

40

Время, мкс

На

пр

яж

ен

ие

, к

В

0 2 4 6 8

7

Ограждение

2 секции ГИН

Основание ГИН Комплекс электропитания

Прицеп-лаборатория

Соединительные провода

Изолирующие опоры

1 МВ 1 МВ

2 МВ

ГИН 1 ГИН 2

СХЕМА РАСПОЛОЖЕНИЯ МИК ГИН ПРИ ИСПЫТАНИЯХ.

ДВЕ КОЛОННЫ ПО ДВЕ 0.6 МВ СЕКЦИИ В КАЖДОЙ

8

СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ

Система синхронизации. Система сбора данных. Управляющие компьютеры – 4 шт. Датчики токов и напряжения. Экранированные осциллографы с автономным питанием

(9 шт. для диагностики). Электронно-оптическая регистрация. Системы считывания информации.

9

РАСПОЛОЖЕНИЕ ДАТЧИКОВ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ ГИН

БЗГ

БЗГ

Металлическая сетка №1

Js1

UG1

Металлическая сетка №2

ГРУНТ

1 3 2

БЗГ

БЗГ

UG2

4

Металлический штырь №1

Металлический штырь №2

Um1

ГРУНТ

Js2

Um2

6

75

8

СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТА

Ja1

Jb1

Ja2

Jb2

Схема расположения датчиков для измерений сигналов ГИН. Слева ГИН1, справа ГИН2. 1 – дизель-генератор; 2 – 3-х фазный кабель ~380В; 3 – ВЗУ; 4 – проводники для зарядки 3‑й и 4‑й секции ГИН +/-40кВ и проводники для разряда ГИН в ударе; 6,7,8,RДЕЛ – резистивные делители напряжения. Js1, Jа1,

Jb1, JF1 – датчики тока ГИН1; Js2, Ja2, Jb2, JO2 – датчики тока ГИН2; UG1 - датчик напряжения на резистивном делителе 6 ГИН1; UG2 - датчик напряжения на на резистивном делителе 8 ГИН2; Um1,

Um2 - датчики напряжения между штырем №1 и штырем №2; пояса Роговского изображены овалами; шунты – прямоугольниками.

10

МОНТАЖ СЕКЦИЙ

Секции стенда монтируются на основание из СТЭФ.

Монтаж осуществляется при помощи крана манипулятора.

После монтажа колонны ГИН накрывается влагонепроницаемым чехлом.

11

ФОТОГРАФИЯ ДВУХ ГИН С ЛИНИЕЙ ПЕРЕДАЧИ

Линия передачиВторой ГИН Первый ГИН

12

ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ЭКСПЕДИЦИИ

Полевые испытания - отладка оборудования и выявление возможных причин неисправностей стенда. Первая экспедиция (г. Троицк) - исследование проводимости грунта с холодным сопротивлением около 10 Ом. Вторая экспедиция (г. Троицк) - исследование проводимости грунта с холодным сопротивлением около 20 Ом.

Полевые испытания на площадке в г. Троицк 20 км от МКАД

13

Фотографии в момент пуска установки в полевых условиях

Вспышки от свечения воздушных разрядников

Вспышки и выбросы от пробоя в грунтев грунте

14

ФОТОГРАФИЯ РАЗРЯДА ЗЕМЛЯ – ОСНОВАНИЕ ГИН (ЭКСПОЗИЦИЯ 5 МКС)

РАЗРЯДЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Выбитая часть поверхности земли в результате протекания тока. Характерные размеры: длина около 30

см, ширина до 3 см, глубина около 30 см

ОСЦИЛЛОГРАММЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ ГИН (1)

0 20 40 60 80 100

0

10

20

30

40

50

60

70

мкс

кА

Js

0 20 40 60 80 100-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

мкс

Ug1

кВ

Профили разрядного тока Jа1, напряжения на ГИН1 Ug1, напряжения между заземлением ГИН1 и ГИН2 Um1, напряжения между заземлением ГИН1 и заземлением на расстоянии 10 м от ГИН1 Ud1.

17

ОСЦИЛЛОГРАММЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ ГИН (2)

0 20 40 60 80 100

0

100

200

300

400

500

600

700

мкс

Um1

кВ

0 20 40 60 80 100

0

50

100

150

200

250

300

мкс

Ud1

кВ

Профили разрядного тока Jа1, напряжения на ГИН1 Ug1, напряжения между заземлением ГИН1 и ГИН2 Um1, напряжения между заземлением ГИН1 и заземлением на расстоянии 10 м от ГИН1 Ud1.

18

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Сопротивление изменяется

незначительно

0 10 20 30 40 50 600

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Время, мкс

Соп

рот

ивл

ени

е, О

м

0 10 20 30 40 50 600

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Время, мкс

Соп

рот

ивл

ени

е, О

м

Сопротивление грунта в процессе протекания тока

Сопротивление уменьшилось в 2-3 раза

В процессе протекания тока 40-70 кА через грунт в части пусков его сопротивление уменьшается.

Вывод: Случаи уменьшения сопротивления грунта в разы означает образование в

нем разрядных каналов.

19

Профиль сопротивления грунта и разрядного тока

0 10 20 30 40 50 600

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

мкс

Ом кА

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Rгрунта=9 Ом

Js

Rгрунта

0 10 20 30 40 50 600

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Ом кА

20

10

30

40

50

60

70

80

90

100

мкс

Rгрунта=9 Ом

Js

Профиль сопротивления грунта Rгрунта (сплошная линия) и разрядного тока Js (пунктирная линия). Сопротивления

грунта вычисляется, как R = (Um-Ld(Js2)/dt) / Js2, где L = 15 мкГн.

20

Профиль сопротивления грунта и разрядного тока

0 10 20 30 40 50 600

5

10

15

20

25

30

35

Ом

Rгрунта=21 Ом

Js

Rгрунта

70

60

50

40

30

20

10

Профиль сопротивления грунта Rгрунта (сплошная линия) и разрядного тока Js2 (пунктирная линия). Сопротивления грунта

вычисляется, как R = (Um-L(dJs2)/dt) / Js2, где L = 50 мкГн.

21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создан мощный мобильный имитатор разрядов молнии в грунте с энергозапасом до 4,5 МДж, напряжением контура до 2 МВ и током 50-100 КА.

Проведены полевые испытания на сопротивлении грунта 9-20 Ом.

Установлено падение сопротивления при разряде до 3-х раз, образование токовых каналов.

Развивается программа исследований при изменении параметров разряда и сопротивления грунта.

22

Спасибо за внимание!

23