Исследование нелинейных процессов в грунтах при воздействии импульсов напряжения с крутыми фронтами

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.16.3.24-29 УДК 621.311

В. В. Ивонин

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГРУНТАХ

ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ С КРУТЫМИ ФРОНТАМИ

Аннотация

В статье рассматривается процесс обратного перекрытия изоляции воздушной линии электропередачи при разряде молнии, в результате чего на линии может возникать волна с фронтами менее одной микросекунды. Исследовались импульсные характеристики моделей заземлителей при таком воздействии. Показано, что при крутых фронтах на заземлителе возникает емкостной выброс тока. Также показано, что искровые процессы в грунтах успевают начать развиваться в течение первой микросекунды времени. Ключевые слова:

искрообразования в грунте, ионизация грунта, заземление, обратное перекрытие изоляции.

V. V. Ivonin

INVESTIGATION OF NONLINEAR PROCESSES IN SOILS UNDER FAST RISE TIME PULSE VOLTAGE

Abstract

The article deals with the process of reverse overlapping of the insulation of an overhead transmission line during a lightning strike. As a result, a wave with fronts less than one microsecond can appear on the line. Pulse characteristics of the grounding electrode models were investigated under such influence. At fast rise time pulse there is a current surge on the grounding associated with the capacitance of the electrode. It's shown that sparks formation in soil to begin to develop during the first microsecond of time. Keywords:

sparking in soil, soil ionization, grounding, reverse overlapping of the insulation.

Введение

При прямом ударе молнии в воздушную линию электропередачи (ВЛ) необходимо рассматривать данное событие в зависимости от места попадания молнии: разряд непосредственно в провод или удар в опору с последующим (обратным) перекрытием линейной изоляции. В последнем случае на проводе может возникнуть волна напряжения с очень крутым фронтом.

В 2010 году в Кольском научном центре РАН проводились исследования распространения и деформации волн напряжения, приходящих на ошиновку и оборудование подстанций классов напряжения 110-150 кВ по воздушным линиям [1]. Как показали результаты экспериментов на реальной подстанции, при приходе на подстанцию набегающей волны на вводах трансформаторов возникают перенапряжения, значительно превышающие остающееся напряжение на ОПН, превосходящие нормированные испытательные напряжения изоляции силовых трансформаторов при полном грозовом импульсе 1,2/50 мкс. Во всех опытах было показано, что напряжение на вводе трансформаторов по сравнению с остающимся напряжением на ОПН больше в 2,3 раза, в зависимости от фронта волны, набегающей по ошиновке на ОПН и трансформатор (рис. 1).

Рис. 1. Осциллограммы напряжений на защитном аппарате и вводе автотрансформатора: 1 — напряжение на вводе АТ-2, 2 — напряжение на ОПН

Как показано авторами в работе [2], в многопроводных линиях после пробегов грозовыми волнами расстояний до нескольких десятков километров закономерно возникают напряжения с фронтами в доли микросекунды. При этом существенное влияние на данные процессы оказывает значение сопротивления заземляющих устройств. Как показано в работах [3-7] при стекании с заземлителей токов большой амплитуды в грунтах происходят процессы ионизации и образуются протяженных искровые каналы, которые приводят к уменьшению сопротивления заземлителя. При этом данные процессы относительно медленные, время их развития зависит от параметров импульса и окружающего грунта. Поэтому целью данной работы было исследовать импульсное сопротивление заземлителей в диапазоне времени до 1 мкс и оценить возможность развития нелинейных процессов в грунтах в течение данного времени.

Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2. Исследования проводились в металлическом баке размерами 400х400х700 мм, заполненном увлажненным песком. Влажность песка 10 %. Изнутри емкость была покрыта медной фольгой для создания заземленного экрана.

Для моделирования грозового воздействия использовался генератор импульсного напряжения. Измерения напряжения на электроде и токов, стекающих с электрода, производились с помощью делителя напряжения и токового шунта, подключенных к цифровому осциллографу. Основное

требование к данной установке было создать на входе электрода импульс с фронтом меньше 0,1 мкс. Эксперименты проводились с электродами трех видов: горизонтальный и вертикальный стержень и полусфера.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: С — конденсатор; ОСЦ — осциллограф; Кш — шунт; Ид — делитель; Кн — электрод; Идоб1, Идоб2 — добавочные резисторы; Яз1,Яз2 — защитные резисторы

Результаты

На рисунке 3 приведены осциллограммы напряжения Щ(0, тока ДО и кривая расчетного динамического сопротивления Z(t) = Щ(У)/Д0 для импульса напряжения амплитудой 35 кВ. В качестве электрода использовалась сфера диаметром 68 мм, погруженная в грунт на глубину радиуса сферы. Как видно из рисунка, фронт импульса составляет всего 0,02 мкс.

Как видно из рисунка вначале импульса возникает выброс тока. Предполагается, что данный выброс связан с емкостью электрода. Для проверки данного предположения смоделируем экспериментальную установку с помощью программной среды АТР-ЕМТР [8]. На рисунке 4 представлена схема замещения разработанной экспериментальной установки.

Рис. 3. Осциллограммы напряжения и тока, а также расчетное сопротивление полусферы диаметром 68 мм

Рис. 4. Схема замещения экспериментальной установки

На схеме О — это емкость генератора импульсных напряжений, которая равно 0,1 мкФ. R1 — это сумма добавочных напряжений (112 Ом). L1= 10-6 Гн — индуктивность контура (выбрана примерно по длине контура). Я2=3 кОм и C2=250 пФ — это сопротивление и емкость электрода, соответственно. Значение сопротивления измерялось, а значение емкости электрода определялось из формулы периода колебательного контура:

Т = 2ж

1

и

с • с с1 с 2

с + с 2

где значение периода Т = 10-7 определялось по осциллограммам, полученным в ходе эксперимента. Результаты моделирования представлены на рисунке 5. Как видно из рисунка, на осциллограмме тока также наблюдается выброс тока в начале импульса, что подтверждает наше предположение о емкостном характере данного скачка.

IT

Рис. 5. Кривые напряжения (а) и тока (б), полученные в результате моделирования

В заключение необходимо отметить, что на рисунке 3 наблюдается уменьшение сопротивления электрода в 1,3 раза, что указывает на то, что в грунте успевают начать развиваться искровые процессы в течение первой микросекунды времени. В дальнейшем необходимо исследовать влияние интенсивности искрообразования от амплитуды приложенного импульса и влажности грунта.

Литература

1. Данилин А. Н., Ефимов Б. В., Колобов В. В., Куклин Д. В., Селиванов В. Н. Экспериментальные исследования волновых процессов на шинах и заземлителе действующей подстанции // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Апатиты: Изд-во Кольского науч. Центра РАН, 2010. Вып. 1. С. 17-25.

2. Ефимов Б. В., Селиванов В. Н. Волны перенапряжений на оборудовании подстанции при ударах молнии за пределами защищенного подхода // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Апатиты: Изд-во Кольского науч. Центра РАН, 2018. Вып. 16. С. 8-26.

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

4. Vasilyak L. M., Pecherkin V. Ya., Vetchinin S. P., Panov V. A., Son E. E., Efimov B. V., Danilin A. N., Kolobov V. V., Selivanov V. N., Ivonin V. V. Electrical breakdown of soil under nonlinear pulsed current spreading // Journal of Physics D: Appl. Phys. 2015. V. 48. P. 285-201.

5. 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, 2013, № 4 (17). С. 38-55.

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

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

8. Селиванов В. Н. Использование программы расчёта электромагнитных переходных процессов АТР-ЕМТР в учебном процессе // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, № 1. С. 107-112.

Сведения об авторах Ивонин Виктор Владимирович,

научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: ivonin@ien.kolasc.net.ru

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.16.3.29-35 УДК 621.314.235

А. А. Климов

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСЫЩЕНИЯ СИЛОВОГО ДРОССЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ СИМУЛЯТОРА LTSPICE И ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА MATLAB НА ПРИМЕРЕ СЕРДЕЧНИКА ИЗ АММОРФНОГО СПЛАВА 2605SA1

Аннотация

В статье описывается модель сердечника из аморфного сплава 2605 SA1, созданная на основе уравнений, предложенных John H. Chan и др., и используемая при параметрическом моделировании сердечника силового дросселя в цепи с импульсным источником напряжения. Приведены результаты сравнения экспериментальных данных с сигналами, полученными при моделировании. Ключевые слова:

упрощённая модель, силовые дроссели, аморфный сплав, петли магнитного гистерезиса. A. A. Klimov

SATURATION PARAMETRIC MODELING OF A POWER CHOKE USING THE LTSPICE SIMULATOR AND THE MATLAB SOFTWARE PACKAGE BY THE EXAMPLE OF AN 2605SA1 AMORPHOUS ALLOY CORE

Abstract

The article describes a model of an 2605SA1 amorphous alloy core based on the equations proposed by John H. Chan et al., and used in the parametric modeling of the core of a power choke in a circuit with a pulsed voltage source. The results of a comparison of the experimental data with the signals obtained in the simulation are presented.

Keywords:

simplified model, power chokes, amorphous alloy, magnetic hysteresis loops.