Установка для испытаний проводящих композитных материалов на молниестойкость

Полезная модель относится к испытательной технике и может быть использована при испытаниях на молниестойкость проводящих композитных материалов, например, углепластика, с помощью высоковольтных испытательных установок.
Известна испытательная установка, содержащая конденсаторные накопители энергии для получения импульсных компонент испытательного тока и аккумуляторную батарею для получения постоянной составляющей, управляемые искровые разрядники, формирующие импульс тока элементы, шунтирующие устройства (см. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита. - М:, «ЗНАК», 2003, стр. 280-283). В данной установке включение искровых разрядников производится в соответствии с заданной задержкой по времени.
Известна испытательная установка, содержащая конденсаторные накопители энергии воспроизводящие соответственно компоненты А и С тока молнии. Один из генераторов импульсов ГИТ-1 формировал компоненту А с амплитудой до 200 кА, генератор импульсов ГИТ-2 синхронизирован с работой генератора импульсов ГИТ-1 и формировал компоненту С с суммарным зарядом до 20 Кл, а генератор ГИТ-3 формировал компоненту С с суммарным зарядом до 200 Кл. (см. А. Г. Гуняева, Л. В. Черфас, О. А. Комарова, В. М. Куприенко. Проведение испытаний на молниестойкость экспериментальных и конструктивно-подобных  образцов, выполненных из углепластика с молниезащитным покрытием. Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2017. №7). В данной установке синхронизацию работы генераторов импульсов тока и «сшивку» используемых в расчетах экспонент осуществляли от пульта управления.
Известна установка, содержащая генераторы компонент тока молнии B, C, D, включаемые с помощью управляемых коммутаторов (Experimental investigation of lightning protection methods for carbon fiber reinforced polymer Xiaoliang Si, Zhibao Li, Shanliang Qiu, Zemin Duan, Wanmin Cheng, 2016 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC), 6-9 July 2016,DOI: 10.1109/IPMHVC.2016.8012795,San Francisco, CA, USA).
В вышеописанных установках для исследования на молниестойкость управление искровыми разрядниками осуществляется по заранее заданному алгоритму (фиксированная задержка времени срабатывания коммутаторов). Это приводит к изменению формы импульса тока в испытуемом объекте при изменении его вольт-секундных характеристик, так как пробой образца после срабатывания первого коммутатора может происходить с задержкой, зависящей от характеристик образца. Данное обстоятельство является источником неопределенности во времени первого максимума тока разряда и, соответственно, в соотношении временных интервалов между компонентами тока.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является испытательная установка, содержащая конденсаторные накопители энергии, воспроизводящие, соответственно компоненты А и С тока молнии (А. Г. Гуняева, Л. В. Черфас, О. А. Комарова, В. М. Куприенко. Проведение испытаний на молниестойкость экспериментальных и конструктивно-подобных  образцов, выполненных из углепластика с молниезащитным покрытием. Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2017. №7). Основным недостатком прототипа является нестабильность формы импульса тока, связанная с различием вольт-секундных характеристик испытуемых образцов.
Техническая проблема заявляемой полезной модели заключается в  разработке конструкции установки для испытаний на молниестойкость проводящих композитных материалов, например, углепластика, в которой стабильное формирование импульса тока в объекте испытаний в соответствии с  ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 при обеспечении моделирования первого короткого импульса тока молнии и заряда длительного удара осуществляется при вариации вольт-секундных характеристик испытуемого образца.
Технический результат - обеспечение стабильности формируемого импульса тока в объекте испытаний при вариации вольт-секундных характеристик объекта испытаний.
Технический результат достигается за счет заявляемой установки для испытаний проводящих композитных материалов на молниестойкость, содержащей зарядный блок, высоковольтные выводы ВВ1 и ВВ2 которого подключены к высоковольтным выводам накопительных конденсаторов С1 и С2, имеющих различные ёмкости и рабочие напряжения, а общий провод соединен с общим проводом разрядного контура, при этом высоковольтный вывод первого конденсаторного накопителя энергии C1 соединен со вторым электродом первого коммутатора S1 через взрываемый проводник ВП, высоковольтный вывод второго конденсаторного накопителя энергии С2 соединен со вторым электродом второго коммутатора S2 через второй формирующий резистор Rф2, причем первый электрод первого коммутатора S1 соединен с высоковольтным электродом объекта испытаний через первый формирующий резистор Rф1, а первый электрод второго коммутатора S2 соединен со вторым электродом первого коммутатора S1, низковольтные выводы двух конденсаторных накопителей энергии С1 и С2 и объекта испытаний соединены с общим нулевым проводом, при этом первый коммутатор S1 выполнен в виде искрового управляемого разрядника, а второй коммутатор S2 выполнен в виде твердотельного разрядника, включаемого с помощью взрываемого проводника ВП, расположенного между электродами второго коммутатора S2 и отделенного от них изоляционной полимерной плёнкой.
В качестве изоляционной полимерной плёнки может быть использован полиэтилен, лавсан и др. Изоляционная полимерная плёнка разрушается при взрыве проводника.
Взрыв проводника и, соответственно, включение второго коммутатора происходит после протекания в объекте испытаний импульса тока, определяемого характеристиками взрываемого проводника: материал, сечение, длина. Подбор этих характеристик может быть осуществлен в соответствии с известными справочными данными критического интеграла тока из условия равенства напряжений первого и второго конденсаторного накопителей энергии в момент взрыва проводника (Knopfel, H. Pulsed high magnetic fields: physical effects and generation methods concerning pulsed fields up to the megaoersted level / H. Knopfel // Amsterdam, The Netherlands: North Holland, 1970).
После разрушения пленочной изоляции второго коммутатора выход второго конденсаторного накопителя энергии подключается к выходу первого конденсаторного накопителя энергии и к высоковольтному электроду объекта испытаний, обеспечивая протекание заряда длительного удара.
В предлагаемой установке время включения второго коммутатора отсчитывается от момента пробоя испытуемого образца и однозначно определяется интегралом тока, протекшего через испытуемый образец, что делает форму комбинированного импульса, не зависящей от вольт-секундных характеристик объекта испытаний. При этом обеспечивается моделирование первого короткого импульса тока молнии и заряда длительного удара в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010.
В отличие от прототипа, в заявляемой установке включение второго коммутатора определяется не заданным внешней схемой управления временем, а временем, определяемым интегралом тока, протекшего через испытуемый объект. Таким образом осуществляется достижение заявленного технического результата.
Предлагаемая установка для испытаний проводящих композитных материалов на молниестойкость иллюстрируется чертежами:
- на Фиг. 1 изображена схема заявляемой установки, где 1 - зарядный блок, ВВ1 и ВВ2 - высоковольтные выводы зарядного блока 1, 2 - объект испытаний; Rф1 – первый формирующий резистор; Rф2 – второй формирующий резистор; S1 – первый коммутатор (управляемый искровой разрядник); S2 – второй коммутатор (твердотельный разрядник с изоляцией из полимерной плёнки); ВП – взрываемый проводник; C1 – первый конденсаторный накопитель энергии; C2 – второй конденсаторный накопитель энергии; ВВ1 - первый высоковольтный вывод зарядного блока; ВВ2 - второй высоковольтный вывод зарядного блока;
- на Фиг. 2 схематически показана возможная конструкция коммутатора S2 и расположение взрываемого проводника ВП между слоями пленочной изоляции, где 3, 4 –электроды коммутатора S2, 5 – взрываемый проводник ВП, 6, 7 – изоляционная полимерная плёнка; 8, 9 – токоподводы взрываемого проводника ВП;
- на Фиг. 3 и на Фиг. 4 приведены осциллограммы тока в объекте испытаний, содержащего первый короткий импульс и ток длительного удара, полученные при испытаниях образцов из углепластика толщиной 2.3 мм и 1.3 мм соответственно.
Установка для испытаний проводящих композитных материалов на молниестойкость (см. фиг. 2), включает зарядный блок 1, высоковольтные выводы ВВ1 и ВВ2 которого подключены к высоковольтным выводам накопительных конденсаторов С1 и С2, имеющих различные ёмкости и рабочие напряжения, а общий провод соединен с общим проводом разрядного контура. Высоковольтный вывод первого конденсаторного накопителя энергии C1 соединен со вторым электродом первого коммутатора S1 через взрываемый проводник ВП. Высоковольтный вывод второго конденсаторного накопителя энергии С2 соединен со вторым электродом второго коммутатора S2 через второй формирующий резистор Rф2. Первый электрод первого коммутатора S1 соединен с высоковольтным электродом объекта испытаний 2 через первый формирующий резистор Rф1, а первый электрод второго коммутатора S2 соединен со вторым электродом первого коммутатора S1. Низковольтные выводы двух конденсаторных накопителей энергии С1 и С2 и объекта испытаний 2 соединены с общим нулевым проводом. Первый коммутатор S1 выполнен в виде искрового управляемого разрядника, а второй коммутатор S2 выполнен в виде твердотельного разрядника, включаемого с помощью взрываемого проводника ВП, расположенного между электродами 3 и 4 второго коммутатора S2 и отделенного от них изоляционной полимерной плёнкой.
Для выполнения требований ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 постоянная времени разряда первого конденсаторного накопителя энергии через первый формирующий резистор Rф1 должна быть значительно меньше постоянной времени разряда второго конденсаторного накопителя энергии через формирующие резисторы Rф1 и Rф2, а зарядное напряжение первого конденсаторного накопителя энергии С1 должно быть значительно выше зарядного напряжения второго конденсаторного накопителя энергии С2. Выбор конкретных значений величин резисторов Rф1 и Rф2 и зарядных напряжений конденсаторных накопителей энергии определяется требуемой формой импульса тока.
Таким образом, схема заявляемой установки обеспечивает формирование импульса тока в объекте испытаний со стабильными параметрами при вариации вольт-секундных характеристик объекта испытаний за счет управления включением второго коммутатора при помощи взрыва проводника, включенного в цепь разряда первого конденсаторного накопителя энергии.
В статическом состоянии конденсаторные накопители энергии заряжены. Величины зарядных напряжений определяются зарядным блоком 1. К первому коммутатору S1 приложено зарядное напряжение первого конденсаторного накопителя энергии С1, токи через взрываемый проводник ВП и объект испытаний 2 равны нулю. Ко второму коммутатору S2 приложено напряжение, равное разности зарядных напряжений первого и второго конденсаторных накопителей энергии. Пленочная изоляция, разделяющая электроды второго коммутатора и взрываемый проводник, находящийся между слоями изоляции, должна выдерживать приложенное напряжение без электрического пробоя.
После подачи управляющего сигнала на первый коммутатор S1 происходит искровой пробой воздушного промежутка между его первым и вторым электродами. В результате этого, напряжение первого конденсаторного накопителя энергии C1 через взрываемый проводник ВП, расположенный между электродами второго коммутатора S2 подается на высоковольтный вывод объекта испытаний 2. Через время, определяемое зарядным напряжением первого конденсаторного накопителя энергии и вольт-секундными характеристиками объекта испытаний, происходит пробой  объекта испытаний 2. Первый конденсаторный накопитель энергии С1 начинает разряжаться через взрываемый проводник, первый коммутатор S1, первый формирующий резистор Rф1 и объект испытаний 2, формируя первый короткий импульс тока. При достижении интегралом тока во взрываемом проводнике критического значения, что должно соответствовать разряду первого конденсаторного накопителя энергии С1 до напряжения, близкого к зарядному напряжению второго конденсаторного накопителя энергии С2, происходит взрыв проводника, приводящий к разрушению пленочной изоляции второго коммутатора S2. После разрушения пленочной изоляции второго коммутатора S2 выход второго конденсаторного накопителя энергии С2 подключается к выходу первого конденсаторного накопителя энергии С1 и к высоковольтному электроду объекта испытаний 2, обеспечивая протекание заряда длительного удара.
Подбор характеристик взрываемого проводника может быть осуществлен в соответствии с известными справочными данными критического интеграла тока из условия равенства напряжений первого и второго конденсаторного накопителей энергии в момент взрыва проводника. Некоторые возможные отклонения момента взрыва проводника от расчетных значений не приводят к сильной деформации импульса тока из-за того, что взрыв проводника происходит вблизи окончания короткого импульса тока, и значительной разницы в величине ёмкостей первого и второго конденсаторных накопителей энергии. Последнее обстоятельство приводит к малому влиянию остаточного заряда первого конденсаторного накопителя энергии на величину заряда длительного удара.
На фиг. 3 и 4 приведены осциллограммы тока в объекте испытаний, содержащего первый короткий импульс и ток длительного удара с постоянной времени τ2=(Rф1+Rф2)∙С2~24 мс, полученные при испытаниях образцов углепластика толщиной 2.3 мм и 1.3 мм соответственно. Сопротивления формирующих резисторов: Rф1=2 Ом, Rф2=4 Ом. Емкости первого и второго конденсаторных накопителей энергии: С1=18 мкФ, С2=4 мФ. Зарядные напряжения первого U1 и второго U2 конденсаторных накопителей энергии были равны U1=25 кВ и U2=3 кВ. Полиэтиленовая пленочная изоляция, изготовленная из четырех слоев лавсановой пленки толщиной 25 мкм, располагалась между стальными полусферическими электродами радиусом 100 мм и медным ВП, диаметром 0.27 мм. Толщина полиэтиленовой пленки подобрана для обеспечения изоляции между ВП и электродами второго коммутатора S2 на наибольшее напряжение из конденсаторных накопителей U1=25 кВ. Диаметр медного ВП подобран таким образом, чтобы интеграл тока достиг критического значения для взрыва в момент времени соответствующий равенству напряжений первого и второго конденсаторных накопителей энергии С1 и С2 (~50 мкс от начала протекания тока).
Как видно из полученных осциллограмм, несмотря на почти двукратную разницу в толщине объекта испытаний, импульсы отличаются незначительно.