Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом

Описана конструкция разработанного и созданного измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК300М2, позволяющего с помощью коаксиальной кабельной линии связи и цифровых запоминающих осциллографов одновременно измерять амплитудно-временные параметры (АВП) основных компонент тока искусственной...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Електротехніка і електромеханіка
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Баранов, М.И., Князев, В.В., Рудаков, С.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2017
Schlagworte:	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147593
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом / М.И. Баранов, В.В. Князев, С.В. Рудаков // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 5. — С. 45-50. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147593
record_format	dspace
spelling	Баранов, М.И. Князев, В.В. Рудаков, С.В. 2019-02-15T10:30:51Z 2019-02-15T10:30:51Z 2017 Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом / М.И. Баранов, В.В. Князев, С.В. Рудаков // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 5. — С. 45-50. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2017.5.07 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147593 621.3.022: 621.319.53: 621.317.32 Описана конструкция разработанного и созданного измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК300М2, позволяющего с помощью коаксиальной кабельной линии связи и цифровых запоминающих осциллографов одновременно измерять амплитудно-временные параметры (АВП) основных компонент тока искусственной молнии, генерируемых высоковольтным генератором грозовых разрядов в соответствии с требованиями нормативных документов США SAE ARP 5412: 2013 и SAE ARP 5416: 2013. Приведены основные технические характеристики измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК-300М2. Показано, что данный шунт позволяет измерять и АВП апериодического импульса тока временной формы 10 мкс/350 мкс, нормированный интеграл действия которого согласно требований международного стандарта IEC 62305-1: 2010 может численно составлять до 13,5·10⁶ Дж/Ом. Описана конструкція розробленого і створеного вимірювального коаксіального дискового шунта типу ШК-300М2, що дозволяє за допомогою коаксіальної кабельної лінії зв'язку і цифрових осцилографів, що запам'ятовують, одночасно вимірювати амплітудно-часові параметри (АЧП) основних компонент струму штучної блискавки, що генеруються високовольтним генератором грозових розрядів відповідно до вимог нормативних документів США SAE ARP 5412: 2013 і SAE ARP 5416: 2013. Приведені основні технічні характеристики вимірювального коаксіального дискового шунта типу ШК-300М2. Показано, що даний шунт дозволяє вимірювати і АЧП аперіодичного імпульсу струму часової форми 10 мкс/350 мкс, нормований інтеграл дії якого згідно вимог міжнародного стандарту IEC 62305-1: 2010 може чисельно складати до 13,5·10⁶ Дж/Ом. Purpose. Description of construction and basic technical descriptions developed and created in Research & Design Institute «Molniya» National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» high-voltage heavy-current coaxial disk shunt of type of SC-300M2, allowing reliably to measure the peak-temporal parameters (PTP) of impulses of current of artificial lightning in wide peak and temporal ranges with the integral of their action to 15·10⁶ J/Ohm. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом Coaxial disk shunt for measuring in the heavy-current chain of high-voltage generator of storm discharges of impulses of current of artificial lightning with the integral of action to 15·10⁶ J/Ohm Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом
spellingShingle	Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом Баранов, М.И. Князев, В.В. Рудаков, С.В. Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
title_short	Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом
title_full	Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом
title_fullStr	Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом
title_full_unstemmed	Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом
title_sort	коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ дж/ом
author	Баранов, М.И. Князев, В.В. Рудаков, С.В.
author_facet	Баранов, М.И. Князев, В.В. Рудаков, С.В.
topic	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
topic_facet	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
publishDate	2017
language	Russian
container_title	Електротехніка і електромеханіка
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
format	Article
title_alt	Coaxial disk shunt for measuring in the heavy-current chain of high-voltage generator of storm discharges of impulses of current of artificial lightning with the integral of action to 15·10⁶ J/Ohm
description	Описана конструкция разработанного и созданного измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК300М2, позволяющего с помощью коаксиальной кабельной линии связи и цифровых запоминающих осциллографов одновременно измерять амплитудно-временные параметры (АВП) основных компонент тока искусственной молнии, генерируемых высоковольтным генератором грозовых разрядов в соответствии с требованиями нормативных документов США SAE ARP 5412: 2013 и SAE ARP 5416: 2013. Приведены основные технические характеристики измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК-300М2. Показано, что данный шунт позволяет измерять и АВП апериодического импульса тока временной формы 10 мкс/350 мкс, нормированный интеграл действия которого согласно требований международного стандарта IEC 62305-1: 2010 может численно составлять до 13,5·10⁶ Дж/Ом. Описана конструкція розробленого і створеного вимірювального коаксіального дискового шунта типу ШК-300М2, що дозволяє за допомогою коаксіальної кабельної лінії зв'язку і цифрових осцилографів, що запам'ятовують, одночасно вимірювати амплітудно-часові параметри (АЧП) основних компонент струму штучної блискавки, що генеруються високовольтним генератором грозових розрядів відповідно до вимог нормативних документів США SAE ARP 5412: 2013 і SAE ARP 5416: 2013. Приведені основні технічні характеристики вимірювального коаксіального дискового шунта типу ШК-300М2. Показано, що даний шунт дозволяє вимірювати і АЧП аперіодичного імпульсу струму часової форми 10 мкс/350 мкс, нормований інтеграл дії якого згідно вимог міжнародного стандарту IEC 62305-1: 2010 може чисельно складати до 13,5·10⁶ Дж/Ом. Purpose. Description of construction and basic technical descriptions developed and created in Research & Design Institute «Molniya» National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» high-voltage heavy-current coaxial disk shunt of type of SC-300M2, allowing reliably to measure the peak-temporal parameters (PTP) of impulses of current of artificial lightning in wide peak and temporal ranges with the integral of their action to 15·10⁶ J/Ohm.
issn	2074-272X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147593
citation_txt	Коаксиальный дисковый шунт для измерения в сильноточной цепи высоковольтного генератора грозовых разрядов импульсов тока искусственной молнии с интегралом действия до 15•10⁶ Дж/Ом / М.И. Баранов, В.В. Князев, С.В. Рудаков // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 5. — С. 45-50. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT baranovmi koaksialʹnyidiskovyišuntdlâizmereniâvsilʹnotočnoicepivysokovolʹtnogogeneratoragrozovyhrazrâdovimpulʹsovtokaiskusstvennoimolniisintegralomdeistviâdo15106džom AT knâzevvv koaksialʹnyidiskovyišuntdlâizmereniâvsilʹnotočnoicepivysokovolʹtnogogeneratoragrozovyhrazrâdovimpulʹsovtokaiskusstvennoimolniisintegralomdeistviâdo15106džom AT rudakovsv koaksialʹnyidiskovyišuntdlâizmereniâvsilʹnotočnoicepivysokovolʹtnogogeneratoragrozovyhrazrâdovimpulʹsovtokaiskusstvennoimolniisintegralomdeistviâdo15106džom AT baranovmi coaxialdiskshuntformeasuringintheheavycurrentchainofhighvoltagegeneratorofstormdischargesofimpulsesofcurrentofartificiallightningwiththeintegralofactionto15106johm AT knâzevvv coaxialdiskshuntformeasuringintheheavycurrentchainofhighvoltagegeneratorofstormdischargesofimpulsesofcurrentofartificiallightningwiththeintegralofactionto15106johm AT rudakovsv coaxialdiskshuntformeasuringintheheavycurrentchainofhighvoltagegeneratorofstormdischargesofimpulsesofcurrentofartificiallightningwiththeintegralofactionto15106johm
first_indexed	2025-11-25T23:08:41Z
last_indexed	2025-11-25T23:08:41Z
_version_	1850578833239965696
fulltext	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5 45 © М.И. Баранов, В.В. Князев, С.В. Рудаков УДК 621.3.022: 621.319.53: 621.317.32 doi: 10.20998/2074-272X.2017.5.07 М.И. Баранов, В.В. Князев, С.В. Рудаков КОАКСИАЛЬНЫЙ ДИСКОВЫЙ ШУНТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ В СИЛЬНОТОЧНОЙ ЦЕПИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ГЕНЕРАТОРА ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ ИМПУЛЬСОВ ТОКА ИСКУССТВЕННОЙ МОЛНИИ С ИНТЕГРАЛОМ ДЕЙСТВИЯ ДО 15·106 ДЖ/ОМ Описана конструкція розробленого і створеного вимірювального коаксіального дискового шунта типу ШК-300М2, що дозволяє за допомогою коаксіальної кабельної лінії зв'язку і цифрових осцилографів, що запам'ятовують, одночасно вимірювати амплітудно-часові параметри (АЧП) основних компонент струму штучної блискавки, що генеруються високовольтним генератором грозових розрядів відповідно до вимог нормативних документів США SAE ARP 5412: 2013 і SAE ARP 5416: 2013. Приведені основні технічні характеристики вимірювального коаксіального дискового шун- та типу ШК-300М2. Показано, що даний шунт дозволяє вимірювати і АЧП аперіодичного імпульсу струму часової форми 10 мкс/350 мкс, нормований інтеграл дії якого згідно вимог міжнародного стандарту IEC 62305-1: 2010 може чисельно складати до 13,5·106 Дж/Ом. Бібл. 11, рис. 4. Ключові слова: потужний високовольтний генератор струму блискавки, вимірювальний коаксіальний дисковий шунт, вимірювальний диск шунта з неіржавіючої сталі, розрахункова оцінка параметрів шунта. Описана конструкция разработанного и созданного измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК- 300М2, позволяющего с помощью коаксиальной кабельной линии связи и цифровых запоминающих осциллографов одновременно измерять амплитудно-временные параметры (АВП) основных компонент тока искусственной молнии, генерируемых высоковольтным генератором грозовых разрядов в соответствии с требованиями норма- тивных документов США SAE ARP 5412: 2013 и SAE ARP 5416: 2013. Приведены основные технические характе- ристики измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК-300М2. Показано, что данный шунт позво- ляет измерять и АВП апериодического импульса тока временной формы 10 мкс/350 мкс, нормированный инте- грал действия которого согласно требований международного стандарта IEC 62305-1: 2010 может численно составлять до 13,5·106 Дж/Ом. Библ. 11, рис. 4. Ключевые слова: мощный высоковольтный генератор тока молнии, измерительный коаксиальный дисковый шунт, измерительный диск шунта из нержавеющей стали, расчетная оценка параметров шунта. Введение. Нормативные документы США SAE ARP 5412: 2013 [1] и SAE ARP 5416: 2013 [2] опреде- ляют требования к амплитудно-временным парамет- рам (АВП) импульсов тока искусственной молнии, генерируемых соответствующими высоковольтными генераторами грозовых разрядов, обычно называемых у нас высоковольтными генераторами тока молнии (ГТМ), на электрических нагрузках аэрокосмической техники, испытываемой на молниестойкость. Один из подобных типов мощного ГТМ, воспроизводящего по требованиям [1, 2] на активно-индуктивной нагрузке необходимые АВП импульсов тока имитированной молнии, был разработан и создан в 2007 г. сотрудни- ками отделов №3 высоковольтной импульсной техни- ки и №4 электромагнитных испытаний НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» [3]. Согласно [1, 2] при ука- занных испытаниях устройств авиационной и ракет- но-космической техники могут использоваться им- пульсная А- (или повторная импульсная D- ), проме- жуточная В- и длительная С- (или укороченная дли- тельная С- ) компоненты тока искусственной молнии. Причем, сочетания данных токовых компонент, сле- дующих во времени друг за другом и резко отличаю- щихся своими амплитудами (от сотен килоампер до десятков ампер) и длительностями протекания (от сотен микросекунд до одной тысячи миллисекунд), могут быть по [1, 2] различными. Наиболее часто в практике испытаний отдельных элементов таких ле- тательных аппаратов как самолетов гражданского и военного назначения на молниестойкость применяют- ся следующие комбинации указанных компонент тока молнии [1-4]: А- , В- и С- компоненты, А- , В- и С- компоненты и D- , В- и С- компоненты. Для указан- ных компонент тока молнии такой важный параметр для электротермического нагружения в сильноточной разрядной цепи мощного ГТМ испытываемых объек- тов авиационной и ракетно-космической техники в соответствии с требованиями [1, 2] как интеграл их действия JL численно не превышает значения 2·106 Дж/Ом ± 20 %. Заметим, что именно величина этого интеграла JL определяет значение тепловой энергии, выделяющейся на испытываемом элементе того или иного объекта. Поэтому величина JL зачастую опре- деляет электротермическую молниестойкость такого объекта. Кроме того, при проведении натурных испы- таний по требованиям международного стандарта IEC 62305-1: 2010 [5] объектов электроэнергетики на мол- ниестойкость значения интеграла действия JL аперио- дического импульса тока искусственной молнии вре- менной формы 10 мкс/350 мкс, генерируемого разра- ботанным и созданным в 2012 г. в отделе №4 элек- тромагнитных испытаний НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» мощным ГТМ [6], для I уровня их защиты от молнии должны составлять 10·106 Дж/Ом ± 35 %. При электрическом токовом нагружении испытываемых объектов необходимо в оперативном режиме осуще- ствлять регистрацию и контроль АВП используемых при этом компонент тока молнии. Обычно подобные электротехнологические процедуры выполняются при помощи измерительных средств, в качестве которых выступают высоковольтные сильноточные измери- тельные шунты (ВСИШ) с коаксиальными кабельны- ми линиями связи, работающими в согласованном 46 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5 волновом режиме [3, 4], и цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО). Как правило, ВСИШ являются специальными нестандартизованными измеритель- ными средствами, которые промышленностью из-за своей незначительной количественной потребности и отсутствия у бизнесменов к такой продукции коммер- ческого интереса не выпускаются. Поэтому отечест- венным электротехникам-высоковольтникам вместе с инженерами-метрологами приходится самостоятельно решать возникающие инженерно-технические задачи по их разработке и изготовлению с последующей го- сударственной метрологической аттестацией. 1. Состояние инженерно-технической задачи. В [7] были описаны конструкция и технические ха- рактеристики измерительного коаксиального шунта типа ШК-300 для определения АВП импульсов тока искусственной молнии, генерируемых в сильноточ- ных разрядных цепях ГТМ в соответствии с требова- ниями нормативных документов [1, 2]. В состав кон- струкции данного шунта входит манганиновый изме- рительный диск толщиной hs≈0,3 мм с наружным диаметром Dse≈80 мм, определяющий импульсное активное сопротивление шунта, равное примерно RS≈0,185 мОм ± 1% [3, 7]. Практика эксплуатации в лабораторных условиях шунта типа ШК-300 показала его недостаточную электротермическую и электроди- намическую стойкость в сильноточной разрядной це- пи ГТМ, воспроизводящего на активно-индуктивной нагрузке (Rl≈0,1 Ом; Ll≈1 мкГн) импульсный ток iL(t) искусственной молнии с интегралом действия, рав- ным около JL≈2·106 Дж/Ом ±20 % [1, 2]. После при- мерно 100 указанных сильноточных разрядов ГТМ на испытываемую нагрузку и измерительный шунт типа ШК-300 последний теряет свои метрологические ха- рактеристики и становится не пригодным к его даль- нейшему использованию. При прохождении согласно [5] по токоведущим частям измерительного шунта типа ШК-300 апериодического импульса тока 15 мкс/315 мкс искусственной молнии амплитудой ImL≈184 кА (JL≈7,88·106 Дж/Ом) указанный шунт был разрушен внутренним импульсным газодинамиче- ским давлением в несколько сотен атмосфер из-за электрического взрыва (сублимации) части материала его тонкого измерительного манганинового диска [8]. Как видим, при использовании в области высоко- вольтной импульсной техники с разрядными токами конденсаторных батарей ГТМ в сотни килоампер к выбору конструкции соответствующего измеритель- ного шунта должны предъявляться повышенные тре- бования к его электротермической молниестойкости. В [9] была приведена конструкция стержневого шунта для измерения импульсных токов микросе- кундной длительности с амплитудой до 75 кА. В ка- честве высокоомного измерительного элемента в этой конструкции шунта были использованы параллельно соединенные прямолинейные отрезки нихромовой проволоки, размещенные по окружности между двумя массивными коаксиальными цилиндрическими элек- тродами шунта − внутренним латунным и наружным дюралюминиевым [9]. Концы каждого отрезка ни- хромовой проволоки, размещенного параллельно продольной оси шунта, были припаяны твердым при- поем к двум параллельно расположенным массивным латунным дискам, между которыми находился ци- линдрический керамический изолятор. При чувстви- тельности шунта около 350 мВ/кА он позволял на- дежно измерять лишь большие микросекундные им- пульсы токи высоковольтной электрофизической ус- тановки (амплитудой не более 75 кА) и передавать без искажений фронт токового импульса до 0,6 мкс [9]. Целью статьи является разработка и создание в НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» коаксиального дис- кового шунта типа ШК-300М2, позволяющего надеж- но измерять АВП импульсов тока искусственной молнии в широких амплитудных и временных диапа- зонах с интегралом действия до 15·106 Дж/Ом. 2. Постановка задачи. Накопленный в отделе №4 электромагнитных испытаний НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» опыт эксплуатации в составе мощного ГТМ [3] высоковольтного сильноточного измери- тельного шунта типа ШК-300 свидетельствует о том, что с учетом изложенного выше в разделе 1 состояния назревшей в области высоковольтной импульсной техники актуальной задачи метрологического обеспе- чения испытаний по [1, 2, 5] отечественной авиацион- ной и ракетно-космической техники, а также объектов электроэнергетики на молниестойкость в указанной конструкции шунта усовершенствованию должны подлежать: во-первых, тонкий измерительный манга- ниновый диск; во-вторых, изоляция между массив- ным внутренним латунным и массивным наружным латунным цилиндрическими электродами. Именно эти две позиции являются «слабыми звеньями» в кон- струкции измерительного шунта типа ШК-300 при его предполагаемом применении в составе измеритель- ных средств, предназначенных для реализации техни- ческих задач согласно жестких требований по [1, 2, 5]. Требуется в рамках прикладного инженерно- технического подхода рационально выбрать геомет- рию и материал измерительного диска, а также изоля- цию между основными латунными электродами в из- мерительном коаксиальном шунте, приобретшем по- сле усовершенствования название ШК-300М2. Кроме того, необходимо после модернизации измерительно- го коаксиального дискового шунта выполнить его практическую апробацию и проверку работоспособ- ности в составе сильноточной разрядной цепи дейст- вующего мощного высоковольтного ГТМ по [3]. 3. Расчетная оценка некоторых параметров измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК-300М2. В качестве материала измеритель- ного диска коаксиального шунта типа ШК-300М2 нами была выбрана широко распространенная в тех- нике и быту нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т отечественного производства [10]. Усредненная тол- щина hsm стенки измерительного диска исследуемого сильноточного высоковольтного коаксиального шун- та типа ШК-300М2 в адиабатическом режиме его ра- боты на основании известных законов электро- и теп- лофизики может быть оценено по соотношению вида: smh ≈   ,)/()()( 2/11 ssssLsm dTcJD   (1) где Dsm≈Dse/2; ρs, cs, ds − соответственно удельное электрическое сопротивление, удельная теплоемкость ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5 47 и плотность материала диска при температуре окру- жающей среды T0, равной комнатной температуре 20 С; ΔTs=(Ts−T0) − допустимый кратковременный перегрев материала диска шунта с его текущей температурой Ts, вызванной протекающим по нему током. Из конструкционных соображений принимаем, что наружный диаметр измерительного стального диска в шунте типа ШК-300М2 равен Dse≈80 мм, а его внутренний диаметр составляет Dsi≈10 мм. Тогда из (1) при Dsm≈40 мм, JL≈15·106 Дж/Ом, ΔTs≈100 С и известных согласно [10] исходных данных для нержа- веющей стали марки 12Х18Н10Т (ρs≈72,5·10-8 Ом·м; cs≈462 Дж/(кг·оС); ds≈7900 кг/м3) получаем, что ус- редненная по радиусу толщина стенки измерительно- го стального диска будет численно равной hsm≈1,4 мм. С учетом определенного запаса по толщине hsm и при- нимая во внимание наши весьма ограниченные техно- логические возможности в подборе материалов, вы- бираем толщину стенки измерительного диска из не- ржавеющей стали марки 12Х18Н10Т равной hsm≈2 мм. Отметим, что в (1) для исследуемого шунта типа ШК-300М2 величина кратковременного перегрева ΔTs материала измерительного диска, происходящая за время действия тока iL(t) не более 1000 мс практиче- ски в адиабатическом режиме, лимитируется видом твердой изоляции, применяемой для его отделения от основных латунных электродов шунта. При использо- вании фторопластовой изоляции величину перегрева ΔTs для надежной работы шунта ШК-300М2 в составе ГТМ целесообразно выбирать не более 100 С [3, 4]. При ΔTs≈50 С и принятых выше исходных данных для интеграла действия JL импульсного тока молнии, геометрических, электро- и теплофизических харак- теристик стального диска шунта из (1) следует, что толщина hsm диска как раз и будет равной около 2 мм. Активное сопротивление RS0 измерительного стального диска коаксиального шунта ШК-300М2 в квазистационарном режиме, практически соответст- вующем в рассматриваемом случае режиму протека- ния по нему постоянного тока, может быть в прибли- женном виде найдено по следующей формуле [11]: 0SR ≈0,5 )/ln()( 1 sisessm DDh   . (2) Из (2) при hsm≈2 мм, ρs≈72,5·10-8 Ом·м, Dse≈80 мм и Dsi≈10 мм вытекает, что искомая величина RS0 ока- зывается примерно равной 0,12 мОм. Измерение практически равного величине RS0 активного сопро- тивления шунта типа ШК-300М2 в сборе, проведен- ное специалистами-метрологами в высокостабильной схеме генератора постоянного тока силой 19 А, пока- зало, что в этом экспериментальном случае RS0≈0,094 мОм. Видно, что расхождение расчетных и опытных данных для RS0 в нашем случае не превышает 22 %. 4. Практическая реализация измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК-300М2. На рис. 1 и 2 приведены соответственно общий вид и схематическое устройство измерительного коакси- ального дискового шунта типа ШК-300М2. Масса этого измерительного шунта составляет около 3,2 кг, а его габаритные размеры не превышают 9095 мм. Рис. 1. Общий вид коаксиального дискового шунта типа ШК-300М2, предназначенного для измерения на экранах ЦЗО в согласованном режиме работы его коаксиальной кабельной линии связи мощных импульсов тока искусст- венной молнии в сильноточной разрядной цепи высоко- вольтного ГТМ с интегралом их действия до 15·106 Дж/Ом Из данных рис. 2 видно, что измерительный стальной диск 5 толщиной hsm≈2 мм на своем рабочем участке плотно зажат между массивными дисками 6 и 7 толщиной 10 мм, выполненными из листовой фто- ропластовой изоляции. Между массивными латунны- ми цилиндрическими электродами 1 и 4 шунта, через которые от конденсаторов ГТМ протекает измеряе- мый импульс тока iL(t) искусственной молнии, уста- новлены изоляционные втулки 2 и 3 толщиной 3 мм, изготовленные также из фторопластовой изоляции. Рис. 2. Элементы конструкции коаксиального дискового шунта типа ШК-300М2 в его продольном осевом разрезе (1 − массивный внутренний цилиндрический электрод; 2,3 − изоляционные втулки; 4 − массивный наружный цилиндри- ческий электрод; 5 − высокоомный стальной измеритель- ный диск; 6,7 − массивные изоляционные диски; 8 − бан- дажный диск; 9,10,12 − винты крепления; 11 − выходной коаксиальный разъем типа СР-75; 13 − массивное прижим- ное кольцо; 14,15 − соответственно входные (потенциаль- ные) и выходные (заземленные) элементы болтового под- соединения шунта к сильноточной разрядной цепи ГТМ) Данные втулки существенно повышают электри- ческую прочность изоляционных зазоров между токо- ведущими частями высоковольтного сильноточного шунта типа ШК-300М2, что положительно сказывает- ся на надежности его функционирования в составе мощного ГТМ. Повышенную электродинамическую 48 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5 стойкость исследуемого шунта обеспечивают массив- ное прижимное латунное кольцо 13 толщиной 7 мм, бандажный латунный диск 8 толщиной 5 мм и сталь- ные винты крепления 12 в количестве 8 шт., равно- мерно распределенные по наружному круговому пе- риметру массивного латунного электрода 4 шунта. Измерительный коаксиальный дисковый шунт типа ШК-300М2 включается в разрыв сильноточной высоковольтной разрядной цепи мощного ГТМ того или иного исполнения [3, 5]. Причем, внутренний цилиндрический латунный электрод 1 диаметром 29 мм шунта подсоединяется при помощи элементов 14 болтового соединения к потенциальной части сильноточной разрядной цепи ГТМ, а его наружный цилиндрический латунный электрод 4 диаметром 80 мм при помощи элементов 15 болтового соединения − к заземленной части разрядной цепи ГТМ (обычно к металлическому заземленному коллектору мощной высоковольтной конденсаторной батареи генератора). 5. Результаты экспериментальной апробации измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК-300М2 в сильноточной цепи высоко- вольтного ГТМ. На рис. 3 приведена осциллограмма импульсной А- компоненты тока искусственной мол- нии, полученная при помощи измерительного коакси- ального дискового шунта типа ШК-300М2, включен- ного в разрядную цепь мощного ГТМ [3], воспроиз- водящего по требованиям нормативных документов [1, 2] на активно-индуктивной нагрузке (Rl≈0,1 Ом; Ll≈1,5 мкГн) импульсы тока искусственной молнии. Рис. 3. Осциллограмма импульсной А- компоненты тока искусственной молнии с нормированными АВП в сильно- точной разрядной цепи ГТМ [3], полученная с помощью измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК-300М2 (ImA1≈−200 кА; tmA1≈38 мкс; JA≈2,39·106 Дж/Ом; UcA≈−29,7 кВ; SSA≈25·103 А/В; масштаб по вертикали − 125 кА/клетка; масштаб по горизонтали − 50 мкс/клетка) В ходе экспериментальных исследований пове- дения усовершенствованной конструкции и характе- ристик шунта типа ШК-300М2 в разрядной цепи ГТМ [3], конденсаторная батарея которого при формирова- нии приведенной на рис. 3 компоненты тока молнии заряжалась до постоянного напряжения UcA≈−29,7 кВ, было установлено, что его импульсное активное со- противление RS принимает численное значение, рав- ное около RS≈0,08 мОм ± 1%. Данное опытное значе- ние RS в условиях протекания по измерительному стальному диску шунта приведенного на рис. 3 им- пульсного тока iL(t) искусственной молнии отличается от активного сопротивления RS0≈0,094 мОм иссле- дуемого шунта постоянному току не более, чем на 15 %. Следует заметить то, что указанные значения ак- тивных сопротивлений RS и RS0 находятся в хорошем согласовании с результатами ранее выполненных ис- следований переходных электромагнитных процессов и глубин проникновения импульсного электромаг- нитного поля в проводящих немагнитных средах на участках трех первых полуволн воздействующего на них затухающего синусоидального импульса тока [4]. Из-за особенностей распределения в металле измери- тельного диска шунта импульсного электромагнитно- го поля от измеряемого импульсного тока iL(t) имити- рованной молнии его импульсное активное сопротив- ление RS будет всегда меньше активного сопротивле- ния RS0 диска, измеренного при постоянном токе [4]. Известно, что величина импульсного активного сопротивления RS измерительного диска шунта в со- гласованном режиме подключения его коаксиальной кабельной линии связи к ЦЗО определяет его коэф- фициент преобразования SS, имеющий размерность А/В и рассчитываемый по соотношению SS,≈2/RS. В этом случае значение параметра SS оказывается чис- ленно равным силе тока, протекающей по диску шун- та при подаче на его вход напряжения, равного 1 В. В этой связи АВП измеряемого при помощи коаксиаль- ного шунта типа ШК-300М2 импульсного тока iL(t) искусственной молнии в разрядной цепи мощного ГТМ будут определяться следующим соотношением: )(tiL ≈ )(tUS LOS , (3) где ULO(t) − импульсное напряжение, регистрируемое при помощи измерительного шунта на экране ЦЗО. С учетом представленных результатов находим, что коэффициент преобразования SS рассматриваемо- го измерительного шунта типа ШК-300М2 для режи- ма регистрации им согласно [1, 2] А- и D- компонент импульсного тока искусственной молнии, а также по [5] импульса тока временной формы 10 мкс/350 мкс будет составлять SSA≈2/RS≈25·103 А/В. При использо- вании в конце коаксиальной кабельной линии связи шунта, выполненной на основе радиочастотного ка- беля марки РК 75-7-11 с волновым сопротивлением 75 Ом, согласующего делителя напряжения (СДН) [3, 7] коэффициент преобразования SS исследуемого из- мерительного шунта типа ШК-300М2 в режиме реги- страции им промежуточной В-, длительной С- и уко- роченной длительной С- компонент тока искусствен- ной молнии будет равным SSC≈1/RS≈12,5·103 А/В. Ука- занный СДН выполняется с двумя выходными коак- сиальными разъемами 1:1 (для SSA) и 1:2 (для SSC) на базе трех резисторов номиналом 110 Ом и размещает- ся в отдельном экранированном корпусе [3, 7]. На рис. 4 приведена осциллограмма укороченной длительной С- компоненты тока искусственной молнии в сильноточной разрядной цепи ГТМ [3], следующей во времени сразу за импульсной А- токовой компонентой молнии и одновременно зафиксированной на экране ЦЗО при помощи измерительного коаксиального ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5 49 дискового шунта типа ШК-300М2. Укажем, что в проведенных экспериментах были использованы ЦЗО серии Tektronix TDS 1012, размещенные в заглублен- ном измерительном бункере и удаленные от разряд- ных цепей ГТМ на расстоянии примерно 70 м. Рис. 4. Осциллограмма укороченной длительной С- компо- ненты тока искусственной молнии с нормированными АВП в разрядной цепи ГТМ [3], полученная одновременно с про- текающей перед нею токовой А- компонентой при помощи измерительного коаксиального дискового шунта типа ШК-300М2 (ImС≈−750 А; tmС≈5 мс; τpС≈15 мс; qС≈−18,1 Кл; SSС≈12,5·103 А/В; UcС≈−4 кВ; масштаб по вертикали − 625 А/клетка; масштаб по горизонтали − 10 мс/клетка) Зарядное напряжение отрицательной полярности конденсаторной батареи ГТМ [3], формирующей на активно-индуктивной нагрузке (Rl≈0,1 Ом; Ll≈1,5 мкГн) укороченную длительную С- компоненту тока имитированной молнии, применительно к данным рис. 4 составляло UcС≈−4 кВ. Заметим, что приведен- ные на рис. 3 и 4 АВП импульсной А- и укороченной длительной С- компонент тока моделируемой в ла- бораторных условиях молнии соответствуют дейст- вующим требованиям нормативных документов [1, 2]. Выводы. 1. Разработанный и созданный в отделе №4 электромагнитных испытаний НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» усовершенствованный измерительный коаксиальный дисковый шунт типа ШК-300М2 по- зволяет при его прямом размещении в сильноточной высоковольтной разрядной цепи мощного ГТМ с по- мощью одной дополнительно экранированной коак- сиальной кабельной линии связи длиной до 70 м и нескольких находящихся в удаленном от ГТМ заглуб- ленном экранированном бункере ЦЗО в согласован- ном режиме их работы одновременно и многократно измерять на активно-индуктивной нагрузке испыты- ваемого объекта основные компоненты тока искусст- венной молнии с нормированными АВП по требова- ниям нормативных документов США SAE ARP 5412: 2013 и SAE ARP 5416: 2013 при их амплитуде до ±220 кА и интеграле действия до 2,4·106 Дж/Ом. 2. Измерительный коаксиальный дисковый шунт типа ШК-300М2 способен многократно регистриро- вать на активно-индуктивной нагрузке и передавать в согласованном режиме по коаксиальной кабельной линии связи на ЦЗО формируемые в сильноточной высоковольтной разрядной цепи мощного ГТМ апе- риодические импульсы тока временной формы 10 мкс/350 мкс короткого удара искусственной молнии с нормированными АВП по требованиям международ- ного стандарта IEC 62305-1: 2010 при их амплитуде до ±220 кА и интеграле действия до 13,5·106 Дж/Ом. 3. Проведенные в июне 2017 г. на эксперимен- тально-испытательном полигоне НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» сильноточные эксперименты на мощном высоковольтном ГТМ подтвердили согласно требова- ниям нормативных документов США SAE ARP 5412: 2013 и SAE ARP 5416: 2013 работоспособность изме- рительного коаксиального дискового шунта типа ШК- 300М2, прошедшего государственную метрологиче- скую аттестацию в ГП «Харьковстандартметрология» (сертификат соответствия №06/0206 от 19.07.2017 г.). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. SAE ARP 5412: 2013. Aircraft Lightning Environment and Ralated Test Waveforms. SAE Aerospace. USA, 2013. − pp. 1-56. 2. SAE ARP 5416: 2013. Aircraft Lightning Test Methods. SAE Aerospace. USA, 2013. − pp. 1-145. 3. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Nedzel’skii O.S., Dnyshchenko V.N. A Current Generator of the Artificial Lightning for Full-Scale Tests of Engineering Objects // Instruments and Experimental Technique. – 2008. – no.3. – pp. 401-405. doi: 10.1134/s0020441208030123. 4. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Мо- нография в 3-х томах. Том 2, Кн. 2: Теория электрофизиче- ских эффектов и задач. − Х.: Точка, 2010. − 407 с. 5. IEC 62305-1: 2010 «Protection against lightning. Part 1: General principles». Geneva, IEC Publ., 2010. 6. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Rudakov S.V. A generator of aperiodic current pulses of artificial light- ning with a rationed temporal form of 10 μs/350 μs with an am- plitude of ±(100–200) kA // Instruments and Experimental Techniques. − 2015. − vol.58. − no.6. − pp. 745-750. doi: 10.1134/s0020441215060032. 7. Дныщенко В.Н., Еремеев В.О., Недзельский О.С., Пону- ждаева Е.Г. Измерительный шунт ШК-300 для определения амплитудно-временных параметров имитированного импуль- са тока молнии // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: «Техніка та еле- ктрофізика високих напруг». − 2007.− №20. − С. 75-79. 8. Баранов М.И., Князев В.В., Рудаков С.В. Расчетная и опытная оценка результатов электротермического воздейст- вия нормированного по международному стандарту IEC 62305-1-2010 импульса тока короткого удара искусственной молнии на тонкостенное покрытие из нержавеющей стали // Електротехніка і електромеханіка. − 2017. − №1. − С. 31-38. doi: 10.20998/2074-272X.2017.1.06. 9. Донец С.Е., Леденев В.В., Литвиненко В.В. Стержневой шунт для измерения сильных токов микросекундной дли- тельности // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: «Техніка та електро- фізика високих напруг». – 2008. − №44. − С. 39-44. 10. http://prom.ua/p19700265-pischevaya-nerzhaveyuschaya- stal.html. 11. Баранов М.И., Белый И.В., Хименко Л.Т. Эквивалент- ные электрические параметры коаксиальных систем раз- личной формы с однородным азимутальным магнитным полем в зазоре // Теоретическая электротехника. − 1976. − Вып. 20. − С. 67-74. REFERENCES 1. SAE ARP 5412: 2013. Aircraft Lightning Environment and Ralated Test Waveforms. SAE Aerospace. USA, 2013. − pp. 1-56. 2. SAE ARP 5416: 2013. Aircraft Lightning Test Methods. SAE Aerospace. USA, 2013. − pp. 1-145. 50 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №5 3. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Nedzel’skii O.S., Dnyshchenko V.N. A Current Generator of the Artificial Lightning for Full-Scale Tests of Engineering Objects. Instruments and Experimental Technique, 2008, no.3, pp. 401- 405. doi: 10.1134/s0020441208030123. 4. Baranov M.I. Izbrannye voprosy elektrofiziki. Tom 2, Kn. 2: Teoriia elektrofizicheskikh effektov i zadach [Selected topics of Electrophysics. Vol.2, Book 2. A theory of electrophysical effects and tasks]. Kharkiv, Tochka Publ., 2010. 407 p. (Rus). 5. IEC 62305-1: 2010 «Protection against lightning. Part 1: General principles». Geneva, IEC Publ., 2010. 6. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Rudakov S.V. A generator of aperiodic current pulses of artificial light- ning with a rationed temporal form of 10 μs/350 μs with an amplitude of ±(100–200) kA. Instruments and Experimental Techniques, 2015, vol.58, no.6, pp. 745-750. doi: 10.1134/s0020441215060032. 7. Dnyshchenko V.N., Eremeev V.O., Nedzelsky O.S., Ponudzhaeva E.G. SC-300 measuring shunt for determining the amplitude-time parameters of the simulated lightning current pulse. Bulletin of NTU «KhPI». Series: Technique and electro- physics of high voltage, 2007, no.20. pp. 75-79. (Rus). 8. Baranov M.I., Kniaziev V.V., Rudakov S.V. Calculation and experimental estimation of results of electro-thermal action of rationed by the international standard IEC 62305-1-2010 im- pulse current of short blow of artificial lightning on the thin- walled coverage from stainless steel. Electrical engineering & electromechanics, 2017, no.1, pp. 31-38. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2017.1.06. 9. Donets S.E., Ledenev V.V., Litvinenko V.V. Rod shunt to measure strong currents of microsecond duration. Bulletin of NTU «KhPI». Series: Technique and electrophysics of high voltage, 2008, no.44. pp. 34-44. (Rus). 10. Available at: http://prom.ua/p19700265-pischevaya- nerzhaveyuschaya-stal.html (accessed 12 June 2014). (Rus). 11. Baranov M.I., Belyi I.V., Khimenko L.T. Equivalent electri- cal parameters of coaxial systems of various shapes with a ho- mogeneous azimuthal magnetic field in the gap. Theoretical electrical engineering, 1976, no.20, pp. 67-74. (Rus). Поступила (received) 09.08.2017 Баранов Михаил Иванович1, д.т.н., гл.н.с., Князев Владимир Владимирович1, к.т.н., с.н.с, Рудаков Сергей Валерьевич2, к.т.н., доц., 1 НИПКИ «Молния» Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, тел/phone +38 057 7076841, e-mail: baranovmi@kpi.kharkov.ua, knyaz2@i.ua 2 Национальный университет гражданской защиты Украины, 61023, Харьков, ул. Чернышевского, 94, тел/phone +38 057 7073438, e-mail: serg_73@i.ua M.I. Baranov1, V.V. Kniaziev1, S.V. Rudakov2 1 Scientific-&-Research Planning-&-Design Institute «Molniya», National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 47, Shevchenko Str., Kharkiv, 61013, Ukraine. 2 National University of Civil Protection of Ukraine, 94, Chernyshevska Str., Kharkiv, 61023, Ukraine. Coaxial disk shunt for measuring in the heavy-current chain of high-voltage generator of storm discharges of impulses of current of artificial lightning with the integral of action to 15·106 J/Ohm. Purpose. Description of construction and basic technical de- scriptions developed and created in Research & Design Institute «Molniya» National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» high-voltage heavy-current coaxial disk shunt of type of SC-300M2, allowing reliably to measure the peak-temporal parameters (PTP) of impulses of current of artificial lightning in wide peak and temporal ranges with the integral of their action to 15·106 J/Ohm. Methodology. Electrophysics bases of high- voltage impulsive technique, scientific and technical bases of development and creation of high-voltage heavy-current impul- sive electrical equipment, including the powerful generators of current of lightning (GCL), and also measuring methods in bit chains powerful high-voltage GCL AVP large impulsive cur- rents of micro- and millisecond temporal ranges. Results. Of- fered and described new construction of measuring high-voltage heavy-current shunt, containing a measuring round disk from stainless steel easily soiled a 12Х18Н10Т thickness 2 mm and external diameter 80 mm. Experimental a way impulsive active resistance of RS≈0,08 mOhm of the indicated measuring disk and on his basis a calculation coefficient transformation is found of SS of coaxial disk shunt of type of SC-300M2, numeral equal in the concerted mode of operations of his coaxial cable line (CCL) SS≈2/RS≈25·103 A/V. It is rotined that it is expedient to use this value SS for measuring in the heavy-current bit chain of GCL ATP impulsive A- and repeated impulsive D- component of current of artificial lightning, and also ATP of aperiodic im- pulse of current of artificial lightning of temporal form 10 μc/350 μc. It is set that taking into account application in the end CCL of shunt of a co-ordinate divizor of voltage with two output coaxial sockets 1:1 (for SSA≈25·103 A/V) and 1:2 (SSC≈12,5·103 A/V) at measuring of ATP intermediate B-, pro- tracted C- and shortened protracted C- component of current of artificial lightning in GCL it is expedient to utillize a numeral value SS for the examined shunt, equal 12,5·103 A/V. Practical approbation and verification of capacity of the improved meas- uring coaxial disk shunt of type of SC-300M2 is executed in the high-voltage heavy-current bit chain of powerful GCL, forming on the actively-inductive loading of A- and C*- the components of current of artificial lightning with rationed ATP. Originality. Developed and created new high-voltage heavy-current measur- ing shunt of type of SC-300M2, allowing reliably to register rationed ATP of attenuation sinewave and aperiodic impulses of current of artificial lightning in the bit chains of powerful GCL with amplitude to ±220 кА and integral them action to 13,5·106 J/Ohm. On the measuring coaxial disk shunt of type of SC- 300M2 from government metrology service of Ukraine the cer- tificate of accordance of the set form is got. Practical value. Application of the created shunt of type of SC-300M2 in compo- sition the high-voltage heavy-current bit chains of powerful GCL will allow in a certain measure to improve the metrology providing of tests of aviation and space-rocket technique, and also objects of electroenergy on stability to lightning. Refer- ences 11, figures 4. Key words: powerful high-voltage generator of current of lightning, measuring coaxial disk shunt, measuring disk of shunt from stainless steel, calculation estimation of parame- ters of shunt.

Institution

Ähnliche Einträge