«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 РАН Е.В. Грабовский, А.Н. Грибов, Г.М. Олейник, А.О. Шишлов – ТРИНИТИ Э.М. Базелян – ОАО «Энин» В.М. Нистратов – МИПФВТ Ю.А, Горюшин - ФСК 4-я Международная конференция по молниезащите. 27 – 29 мая 2014, г. С-Петербург 1 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 дизельгенератора 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 Комплекс в составе двух секций, высота 6м Комплектация одного этажа К соседнему этажу Предохранители Зарядный резистор предохранитель опора -40кВ рама Колонна разрядников зарядное сопротивление конденсатор Конденсаторы +40кВ Место для блока запуска ГИНа элемент крепления К соседнему этажу ошиновка высоковольтный вывод разрядник конденсатора •Конденсаторы в секции соединены •Две секции соединены последовательно, параллельно; одна стоит над другой. •В цепи каждого конденсатора на •Одна секция ГИН имеет 15 ступеней, по 2 высоковольтном электроде установлен ступени на каждый этаж; защитный предохранитель. 6 РЕЗУЛЬТАТ ЭКСПЕРИМЕНТА БЗГ Параметры выходного импульса Условия эксперимента: напряжения: • зарядное напряжение +20 кВ; • амплитуда импульса -60 кВ; • сопротивление нагрузки 50 Ом; до 100нс; • управление БЗГ при помощи оптического • фронт импульса преобразователя; • длительность на 1/2высоте 3,5 мкс; 20 Напряжение, кВ 0 -20 -40 -60 -80 0 2 4 6 8 Время, мкс Импульс напряжения на нагрузке генератора 7 СХЕМА РАСПОЛОЖЕНИЯ МИК ГИН ПРИ ИСПЫТАНИЯХ. ДВЕ КОЛОННЫ ПО ДВЕ 0.6 МВ СЕКЦИИ В КАЖДОЙ Ограждение ГИН 1 ГИН 2 Прицеп-лаборатория Соединительные провода Изолирующие опоры 2 секции ГИН 1 МВ 1 МВ 2 МВ Комплекс электропитания Основание ГИН 8 СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ Система синхронизации. Система сбора данных. Управляющие компьютеры – 4 шт. Датчики токов и напряжения. Экранированные осциллографы с питанием (9 шт. для диагностики). Электронно-оптическая регистрация. Системы считывания информации. автономным 9 РАСПОЛОЖЕНИЕ ДАТЧИКОВ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ ГИН 4 БЗГ БЗГ 8 6 UG2 UG1 БЗГ БЗГ 7 5 Js1 2 1 Ja1 3 Jb1 Металлическая сетка №1 ГРУНТ ГРУНТ Js2 Ja2 Um2 Um1 Металлический штырь №1 Металлический штырь №2 Jb2 Металлическая сетка №2 СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТА Схема расположения датчиков для измерений сигналов ГИН. Слева ГИН1, справа ГИН2. 1 – дизельгенератор; 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 Второй ГИН Линия передачи Первый ГИН 12 ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ЭКСПЕДИЦИИ Полевые испытания на площадке в г. Троицк 20 км от МКАД 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. 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) Ug1 Js 70 700 60 600 500 50 400 300 кВ кА 40 30 20 200 100 0 10 -100 0 -200 0 20 40 мкс 60 80 100 -300 0 20 40 60 80 100 мкс 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) Um1 Ud1 700 300 600 250 500 200 150 кВ кВ 400 300 100 200 50 100 0 0 0 20 40 мкс 60 80 100 0 20 40 мкс 60 80 100 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 грунта в процессе протекания тока 20 Сопротивление, Ом 20 Сопротивление, Ом 18 16 14 12 10 8 6 18 16 14 12 10 8 6 4 4 2 2 0 0 0 10 20 30 Время, мкс 40 Сопротивление изменяется незначительно 50 60 0 10 20 30 Время, мкс 40 50 60 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 100 18 90 16 14 Ом 60 кА Ом 12 18 90 80 Rгрунта=9 Ом 14 70 Js 100 16 80 Rгрунта=9 Ом 20 70 Js 12 60 10 50 8 40 кА 20 10 50 8 40 6 30 4 20 4 2 10 2 6 30 Rгрунта 20 0 0 0 10 20 30 40 50 60 мкс 0 10 20 30 40 50 60 мкс 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 Ом 70 35 60 30 Rгрунта=21 Ом 50 25 40 20 Js 30 15 Rгрунта 10 20 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 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