Развитие ионизационно-перегревной неустойчивости в грунтах

ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

УДК 621.311

А. Н. Данилин, В. В. Ивонин

РАЗВИТИЕ ИОНИЗАЦИОННО-ПЕРЕГРЕВНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В ГРУНТАХ Аннотация

Экспериментально исследованы зависимости критической напряженности электрического поля от длительности приложенного импульса. Определены зависимости временной задержки начала нелинейных процессов в грунтах от амплитуды импульса и влажности грунта. Показано, что на электроде развивается ионизационно-перегревная неустойчивость, которая приводит к контракции тока и образованию плазменных каналов.

Ключевые слова:

искрообразования в грунте, ионизация грунта, заземление, концентрированный электрод, ионизационно-перегревная неустойчивость.

A. N. Danilin, V. V. Ivonin

DEVELOPMENT OF IONIZATION-OVERHEATING INSTABILITY IN SOILS

Abstract

Dependence of the critical electric field on pulse duration has been studied. Dependences of ionization time delay on pulse amplitude and soil moisture have been determined. It has been shown that ionization-overheating instability develops near electrode. Instability leads to current contraction and formation of plasma channels. Keywords:

sparking in soil, soil ionization, grounding, optical investigation, ionization-overheating instability.

При растекании больших импульсных токов в грунте как электрические свойства самого грунта, так 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 [1-3]. При увеличении импульсного тока в грунте происходит ионизация и образуются искры, в результате чего сопротивление заземления уменьшается, а динамическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) становится нелинейной.

Причиной ионизации является достаточно сильное электрическое поле проводимости E = pj, которое возникает при растекании импульсного тока с плотностью j с одиночного заземлителя [4].

Очевидно, что точное моделирование переходных характеристик грунтов и анализ растекания токов вокруг заземлителей является актуальной задачей

в энергетике. Однако расчет сопротивления ЗУ является сложной задачей из-за сложной структуры и нелинейной ВАХ грунтов.

Все существующие на данный момент модели искрообразований в грунтах можно условно разделить на два типа: математические и физические. В первых авторы пытаются описать математически изменение удельного сопротивления грунта при возникновении искровых каналов. К этому типу относятся модели Liew & Darveniza [4] и Wang [5] В моделях второго типа авторы объясняют физические процессы, происходящие в грунтах при искрообразованиях, и их влияние на импульсное сопротивление заземления. К данным моделям можно отнести работы Sekioka [6] и Cooray [7].

Все описанные модели основаны на некоторых допущениях и предположениях, одно из которых заключается в том, что вокруг проводника в грунте при напряженностях электрического поля, превышающих критическое значение, начинается ионизационный процесс и возникает многослойная ионизированная зона грунта с плавно изменяющейся в зависимости от градиента напряженности проводимостью. В настоящее время для некоторых типов электродов определены значения критической напряженности электрического поля и ток, при которых начинается искрообразование. При этом необходимо учитывать, что начало развития нелинейных процессов в грунтах зависит не только от амплитуды, но и от длительности приложенного импульса, а также от параметров грунта (удельное сопротивление и влажность) [8].

Целью настоящей работы являются экспериментальные исследования зависимости критической напряженности электрического поля от длительности приложенного импульса.

Экспериментальная установка. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Исследования проводились в металлическом ящике с размерами 700 x 450 x 400 мм, заполненном увлажненным кварцевым песком. Изнутри емкость была покрыта медной фольгой для создания заземленного экрана. Грунт представляет собой увлажненный кварцевый песок фракцией 0-0.5 мм. Импульсы напряжения с амплитудой до 60 кВ и длительностью фронта не более 1 мкс формировались генератором импульсных напряжений (ГИН). Длительность импульса регулировалась изменением значения формирующего резистора R 2 в диапазоне от нескольких микросекунд до сотен микросекунд. Исследования проводились на электроде в виде шара диаметром 50 мм. Шар погружался в песок на половину диаметра с целью создания однородного электрического поля вокруг электрода. Влажность песка изменялась от 1 до 7 %, чему соответствует изменение удельного сопротивления грунта от 1290 до 470 Ом • м . Импульсы напряжения и тока регистрировались с помощью омического делителя и токового шунта, сигналы с которых подавались на цифровой осциллограф.

На рисунке 2 показана зависимость критической напряженности электрического поля от длительности импульса. Как видно из графика, при длительности импульса 50 мкс напряженность электрического поля для начала ионизации грунта будет равна 9.5 кВ/см. При использовании импульсов с длительностью 10 мкс необходимо увеличить напряженность электрического поля на 20 % для возникновения процессов ионизации.

Похожие зависимости наблюдаются при электрических пробоях в газах, из чего можно сделать вывод, что, хотя грунт представляет собой сложную среду, основные нелинейные процессы происходят в воздушных промежутках в грунтах. Таким образом, при выполнении условия Е > ЕКР вблизи

поверхности электрода в грунтах будет развиваться ионизационно-перегревная неустойчивость, которая приводит к контракции тока в песке. Развитие аналогичной неустойчивости также происходит в объемных разрядах в газах атмосферного давления, которые сопровождаются прорастанием яркосветящихся токовых каналов [9].

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — зарядное устройство; 2 — разрядник; 3 — заземленный бак; 4 — электрод; 5 — кварцевый песок; С — конденсатор; Я1 — защитный резистор; Я2 — формирующий резистор; Ял — омический делитель напряжения;

Я^ — шунт

Рис. 2. Зависимость критической напряженности электрического поля от длительности приложенного импульса

На рисунке 3 приведены осциллограммы импульсов напряжения и тока,

\ и(0 т,

а также расчетное сопротивление Я(^) = . В случае когда напряженность электрического поля не превышает критического значения, ионизация в грунте

не происходит и наблюдается обычное растекание тока с электрода. Однако при увеличении амплитуды импульса наблюдается уменьшение сопротивления электрода. Выход кривой сопротивления на минимальное значение может занимать несколько десятков микросекунд, что обусловлено временем развития ионизационно-перегревной неустойчивости. Время развития ионизационно-перегревной неустойчивости в газах составляет несколько микросекунд, после чего температура искрового канала повышается до 4000-5000 К и образуется термически ионизированная плазма [10]. Во влажном песке вода и твердые частицы имеют высокую плотность по сравнению с воздухом, поэтому на развитие неустойчивости требуется больше времени для прогрева.

и. I, кВ А 54-45

48-40 42 35 36-30 30 25 24 20 18 -15 12 10

6 5

oL о

8100 Г

7200 6300 5400 4500 3600 2700 1800 900

L и(гин) = 33 kB

и* R t3 =13мкс

\

V.

к— и

I

___/ t,

10 15 20 25 30 35 40 45 мкс

Рис. 3. Осциллограммы импульсов напряжения Uи тока I, а также вычисленное

динамическое сопротивление R

При этом, как видно из рис. 3, в случае использования полусферы в качестве электрода наблюдается задержка начала развития ионизационно-перегревной неустойчивости. На рис. 4 представлены зависимости временной задержки от амплитуды приложенного импульса. Эксперименты проводились при влажности грунта 2, 5, 7 % и удельном сопротивлении грунта 1290, 705 и 470 Ом • м соответственно.

ОI_._._._._.__.__._tL

22 24 26 28 30 32 34 36 ьБ

Рис. 4. Зависимость временной задержки от амплитуды приложенного импульса

Как видно из рис. 4, увеличение напряжения или степени < U ) й

перенапряжения (-) приводит к уменьшению временной задержки.

UKP

Увеличение влажности грунта приводит к уменьшению задержки в случае небольшой степени перенапряжения. Данная зависимость нивелируется при амплитуде напряжения 36 кВ.

Выводы

Развитие ионизационно-перегревной неустойчивости вблизи поверхности электрода в грунте является основной причиной искрообразования и образования плазмы, а также резкого уменьшения импульсного сопротивления заземлителя. Неустойчивость возникает в случае, когда напряженность электрического поля превышает критическое значение, при этом необходимо учитывать, что значение ЕКР зависит как от параметров приложенного импульса, так и от параметров грунта.

В случае относительно однородного электрического поля вокруг электрода нелинейные процессы в грунтах будут начинаться с некоторой задержкой, которая зависит от амплитуды приложенного импульса, в случае небольшой степени перенапряжения — от влажности грунта.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-38-00443).

Литература

1. Оптические исследования искровых каналов в грунте при растекании импульсного тока / В. В. Ивонин, А. Н. Данилин, Б. В. Ефимов, В. В. Колобов, В. Н. Селиванов, Л. М. Василяк, С. П. Ветчинин, В. Я. Печеркин, Э. Е. Сон // Прикладная физика. 2015. № 4. С. 50-54.

2. Рябкова Е. Я. Заземления в установках высокого напряжения. М.: Энергия, 1978. 225 с.

3. Electrical breakdown of soil under nonlinear pulsed current spreading / L. M. Vasilyak, V. Ya. Pecherkin, S. P. Vetchinin, V. A. Panov, E. E. Son,

B. V. Efimov, A. N. Danilin, V. V. Kolobov, V. N. Selivanov, V. V. Ivonin // Journal of Physics D: Appl. Phys. 2015. Vol. 48. P. 285201.

4. Liew A. C., Darveniza M. Dynamic model of impulse characteristics of concentrated earths // Proc. IEE. 1974. Vol. 121 (2). P. 123-35.

5. Wang J., Liew A. C., Darveniza M. Extension of dynamic model of impulse behaviour of concentrated grounds at high currents // IEEE Trans. Power Deliv. 2005. Vol. 20. P. 2160-2065.

6. Current-dependent grounding resistance model based on energy balance of soil ionization / S. Sekioka, M. Lorentzou, M. P. Philippakou, J. M. Prousalidis // IEEE Trans. Power Deliv. 2006. Vol. 21. P. 194-201.

7. Physical model of surge-current characteristics buried vertical rods in the presence of soil ionization / V. Cooray, M. Zitnik, M. Manyahi, R. Montano, M. Rahman, Y. Liu // J. Electrostat. 2004. Vol. 60. P. 193-202.

8. Данилин А. Н., Ивонин В. В., Куклин Д. В. Лабораторные исследования процессов искрообразования в увлажненном грунте в зависимости от амплитуды и длительности импульсного напряжения на заземленном устройстве // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2013. № 4 (17). С. 38-55.

9. Электрический пробой при растекании импульсного тока в песке / Л. М. Василяк, С. П. Ветчинин, В. А. Панов, В. Я. Печеркин, Э. Е. Сон // Прикладная физика. 2014. № 4. С. 20-25.

10.Оптические изображения искровых каналов при растекании импульсных токов в грунте / В. В. Ивонин, А. Н. Данилин, Б. В. Ефимов, В. В. Колобов, В. Н. Селиванов, Л. М. Василяк, С. П. Ветчинин, В. Я. Печеркин, Э. Е. Сон // Успехи прикладной физики. 2016. Т. 4, № 4. С. 355-361.

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,

инженер-исследователь Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А

Эл. почта: ivoninviktor@mail.ru