Коронний розряд зі стрижневих блискавкоприймачів в умовах дії сильного електричного поля від грозової хмари

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.09.13 – Техніка сильних електричних та магнітних полів – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" (НТУ "ХПІ"), Харків, 2020. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі стосовно надання дозволу на застосування нових типів блискавкоприймачів, які реалізують механізм ранньої стримерної емісії (Early streamer emission – ESE). Для застосування новітніх пристроїв у практиці блискавкозахисту потрібно мати впевненість у тому, що властивості, які анонсує виробник, відповідають дійсності. Контроль якості здійснюється за методикою, яку регламентує стандарт Франції NF 17-102:2011. Але, цей стандарт є таким, що визнаний лише в деяких країнах крім Франції, у тому числі в Іспанії, Казахстані, Литві та інших. Світова наукова спільнота вважає положення цього стандарту недостатньо обґрунтованими, тому що достовірність запропонованого методу ще не доведено відповідними науковими дослідженнями. Серед основних недоліків методу вказано на такі: - відсутнє обґрунтування екстраполяції результатів лабораторних випробувань на реальні умови; - відсутнє обґрунтування заданого значення швидкості зустрічного лідеру; - відсутні дані щодо визначення параметрів стрижневого блискавкоприймача, який слід визнати референтним, що не дає змогу здійснювати порівняння результатів, які отримані у різних випробувальних лабораторіях. Дуже наполегливі зусилля іноземних компаній щодо оснащення об’єктів в Україні ESE-терміналами спонукали необхідність здійснення вхідного контролю таких пристроїв. Виходячи з назви блискавкоприймачів, основою їх функціонування є стримерно-лідерний процес зі стрижневих елементів. Початковою фазою цього процесу є коронний розряд, що виникає з гострих кромок при знаходженні у сильному електричному полі. Дослідження цих процесів є необхідним для надання об’єктивних доказів щодо властивостей ESE-терміналів. В дисертації доведено необхідність змінити вимогу стандарту до величини дисперсії функції розподілу часу випередження, що забезпечує перехоплення блискавки з прогнозованою ймовірністю, за урахування часу за якого розподіл має максимальне значення. Розроблено метод вимірювання швидкості просування лідеру в між електродному просторі, який заснований на порівняльному аналізі осцилограм напруги між електродами і струму з електрода, що формує розряд. Показано, що швидкість лідера зростає у міру просування його головки. Доведено, що швидкість просування лідера у міжелектродному просторі довжиною 1,2 м не перевищує 1,14∙10⁶ м/с, а середня за час просування дорівнює 1,3∙10⁵ м/с. Визначено закономірність між значенням напруженості постійного електричного поля, при якій починається коронний розряд, та висотою стрижнів різноманітної форми перерізу (квадрат, коло, шестигранник) з плоскою вершиною, та круглого перерізу із загостреною вершиною. Для повітряних проміжків більш ніж 1 м, експериментально доведено, що в діапазоні напруженості електричного поля від 4 кВ/м до 120 кВ/м коронний розряд формується імпульсами окремих електронних лавин, які мають тривалість фронту одиниці наносекунд і тривалість напівспаду десятки наносекунд. Причому, часові параметри практично не залежать від значення напруженості електричного поля. Встановлено, що частота появи імпульсів струму однозначно залежить від рівня напруженості електричного поля. Цей аспект доповнює результати отримані Тричелом и Кіпом (1938 р.) для коротких проміжків (до 10 см). Крім того, значні людські жертви, що спостерігаються у світі в наслідок влучення блискавки, наприклад, у Німеччині під час рок фестивалю у червні 2016 року, обумовили актуальність створення систем попередження про грозову небезпеку. Одним з аспектів цього напряму є розробка елементів системи, які реагують на підвищення напруженості електричного поля в навколишньому середовищі до критичних значень, що є передумовою розвитку розряду блискавки. Функціональну залежність частоти стримерів корони від напруженості електричного поля покладено в основу створення низки індикаторів для застосування в якості пристрою попередження про грозову небезпеку. Таким чином, обидва напрями поєднано дослідженням коронного розряду у сильному електричному полі, що обумовило актуальність роботи. Вирішення вказаних задач визначило напрямок досліджень дисертаційної роботи. Метою роботи є підвищення ефективності блискавкозахисту шляхом дослідження фізичних процесів коронного розряду зі стрижневих блискавкоприймачів в умовах дії сильного електричного поля від грозової хмари. Об’єктом дослідження є процеси, пов’язані з взаємодією стрижньових блискавкоприймачів з електричним полем грозової хмари. Предметом дослідження є коронний розряд зі стрижньових блискавкоприймачів в умовах дії сильного електричного поля грозової хмари. Методи дослідження. У дисертаційній роботі застосовано методи комп’ютерного та фізичного моделювання. Теоретичною базою виконаних досліджень є фундаментальні положення теорії електромагнітного поля в частині вирішення задач розподілу електричного поля у системі електродів з урахуванням гострих кутів. Моделювання здійснено за використанням модулю AC/DC COMSOL 5.3. Для узагальнення результатів експериментальних досліджень застосовано метод багатофакторного експерименту та регресивного аналізу. Дані про закономірності розвитку коронного розряду, формування стримеру та лідеру досягнуто шляхом фізичного моделювання з використанням високовольтного обладнання та відповідних засобів вимірювальної техніки. Наукова новизна результатів: 1. Доведено що пробій повітряного проміжку стрижень-площина при застосуванні стрижня квадратного перерізу (розмірами 12х12 мм²) має найбільш стабільні характеристики серед розглянутих варіантів. Цей факт свідчить про доцільність використання у практиці блискавкозахисту саме таких стрижнів. Крім того, пропонується у якості референтного блискавкоприймача при тестуванні ESE-терміналів відповідно до методики стандарту NF C 102-17:2011 застосовувати стрижень квадратного перерізу. 2. Вперше визначено закономірність між значенням напруженості постійного електричного поля, при якій починається коронний розряд, та висотою стрижнів різноманітної форми перерізу (квадрат, коло, шестигранник) з плоскою вершиною. 3. Вперше розроблено метод вимірювання швидкості просування лідеру в міжелектродному просторі, який базується на порівняльному аналізі осцилограм напруги між електродами і струму з електрода, що формує розряд. Показано, що швидкість лідера зростає за квадратичним законом у міру просування його головки. Отримано задовільний (в межах 15 %) збіг з результатами вимірювань, за використанням надшвидкісної відеореєстрації. Доведено, що швидкість просування лідеру у міжелектродному просторі довжиною 1,2 м не перевищує 1,14∙10⁶ м/с, а середня за час просування дорівнює 1,3∙10⁵ м/с. 4. Уточнено вимогу стандарту NF C 102-17:2011 до величини дисперсії функції розподілу часу випередження, що зв'язує значення середньоквадратичного відхилення (σ) і часу випередження (Δt), для перехвату блискавки ESE-терміналом з імовірністю не менш ніж 95 %: σESE <(0,5 Δt - σF), де нижній індекс при σ відноситься відповідно до ESEтерміналу та референтного блискавкоприймача (F). 5. Вперше експериментально встановлено, що струм корони зі стрижня квадратного перерізу з плоскою вершиною починається при значеннях напруженості електричного поля більших, ніж зі стрижня круглого перерізу з загостреною вершиною (при довжині стрижня 2 м, відповідно, 10 кВ/м та 4 кВ/м), але, сила струму корони зі стрижня з загостреною вершиною на порядок менша, що обумовлює можливе зупинення протікання струму при деяких значеннях напруженості електричного поля в залежності від гостроти конусу. 6. Вперше для повітряних проміжків більш ніж 1 м, експериментально доведено, що в діапазоні напруженості електричного поля від 4 кВ/м до 120 кВ/м коронний розряд зі стрижня формується імпульсами окремих електронних лавин, схожих на імпульси зафіксовані для коротких (<10 см) повітряних проміжків Тричелом та Кіпом (1938 р.). Встановлено, що частота появи імпульсів струму однозначно залежність від рівня напруженості електричного поля, а амплітудно-часові параметри кожного окремого імпульсу при цьому змінюються у межах 30%. Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному: − розроблено та створено універсальний високовольтний випробувальний стенд ВВС-1.2, який забезпечує можливість тестування блискавкоприймачів ESE типу на відповідність вимогам стандарту Франції NF C 102-17. За використанням стенду здійснено випробування зразків ESEтерміналів практично всіх відомих компаній, які представлені на світовому ринку. В наслідок чого захищено ринок України від застосування ESEтерміналів, які не відпадають заявленим характеристикам. Крім того, за використанням ВВС-1.2 проведено низку інших видів випробувань; − сформульовані уточнення та додаткові вимоги до стандарту Франції NF C 102-17:2011 (Додаток С), який стосується методики тестування ESEтерміналів та визначення їх захисних властивостей, що підвищить достовірність отриманих результатів; − розроблено основи створення нового типу індикатора рівня напруженості електричного поля атмосфери за використанням встановленої функціональної залежності частоти появи імпульсів струму коронного розряду з металевого стрижня від рівня напруженості у діапазоні від 4 кВ/м до 120 кВ/м. Такий індикатор має суттєві переваги перед існуючими роторними («млин») та заснованими на MEMS технології, головним чином за відсутності рухомих частин, в наслідок чого, потребує значно меншої енергії живлення. − створено низку опитних зразків індикаторів для застосування в якості пристрою попередження про грозову небезпеку, які проходять перевірку в реальних умовах довкілля. Результати, які отримані в ході виконання дисертаційної роботи, надали докази, які використані Технічним комітетом України «Електромагнітна сумісність та стійкість радіоелектронних, електронних та електротехнічних засобів» (ТК 22) та Технічним комітетом України «Засоби техногенної безпеки будівель і споруд» (ТК 315) під час вирішення питання щодо впровадження в Україні стандарту Франції NF C 102-17, та під час голосування за проектом відповідного міждержавного стандарту (2019-2020 роки). Обґрунтована критична оцінка достовірності положень стандарту Франції NF C 102-17 забезпечила захист ринку України від продукції сумнівних захисних властивостей. Також, результати впроваджено у навчальний процес в Харківському філіалі ДП "Український науководослідний і навчальний центр проблем стандартизації, сертифікації та якості", та використано ДП "Конструкторське бюро "Південне" при виконанні міжнародного контракту.Dissertation on achieving the scientific degree of Candidate of Technical Sciences (Doctor of Philosophy), specialty 05.09.13 – Engineering of Strong Electric and Magnetic Fields – National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” (NTU “KhPI”), Kharkiv, 2020. The dissertation deals with solution of the topical scientific-practical problem of granting permission to use new types of lightning rods that realize mechanism of Early Streamer Emission (ESE). To use the newest devices in practice of lightning protection, it is necessary to have confidence that properties announced by a manufacturer correspond to the facts. Quality control is proposed to be carried out according to the procedure regulated by France standard NF17-102:2011. But this standard is recognized only in some countries besides France including Spain, Kazakhstan, Lithuania, and some others. In the dissertation it is proved that it is necessary to change the requirement of the standard to the value of dispersion of function of distribution of lead time which ensures lightning interception with predicted probability taking into account the time at which the distribution has the maximal value. Method of measuring the velocity of propagation of leader in interelectrode space, which is based on comparative analysis of oscillograms of voltage between the electrodes and current from the electrode that forms discharge has been developed. It is shown that leader velocity increases by square law as his head propagates. It is proved that velocity of streamer propagation in the interelectrode space with length 1.2 m is no more than 1,14·10⁶ m/s, and the average value over the time of propagation is equal to 1.3·10⁵ m/s. The relationship between the value of constant electric field strength at which corona discharge begins, and height of rods of different forms of cross-section (square, circle, hexagon) with flat top, and round cross-section with pointed top, was determined. For air gaps that are more than 1 m it is experimentally proved that in the range of electric field strength from 4 kV/m to 120 kV/m, corona discharge is formed by pulses of individual electron avalanches that have front duration of units of nanoseconds and half-decay duration of tens of nanoseconds. And the time parameters practically do not depend on the value of electric field strength. It was determined that frequency of occurrence of current pulses depends uniquely on the level of electric field strength. This aspect supplements results obtained by Trichel and Kipp (1938) for short gaps (up to 10 cm). Functional dependence of frequency of corona streamers on electric field strength was used as a basis for creating a number of indicators used as a device for warning against thunderstorm hazard. The investigation was performed by experimental methods with the use of created specialized high-voltage complex ВВС-1.2 and the corresponding mathematical models. According to the results of the performed investigations, a number of important conclusions concerning the possibility of introduction of France standard NF C 102-17:2011 in Ukraine. It is proved that breakdown of air gap rod-plane with the use of rod of square section (dimensions 12x12 mm²) has the most stable characteristics among the considered variants, including the traditional pointed rod. This fact indicates appropriateness of the use of rod with square section in lightning protection practice. The requirement, which deals with assessment of results of certification of lightning rods by the procedure of France standard NF C 102-17:2011, to the value of dispersion of function of distribution of lead time was improved, which provides increase of reliability of advantages in relation to interception of lightning with predicted probability. Relationship between the value of constant electric field strength, at which corona discharge begins, and height of rods of different form of cross-section (square, circle, hexahedron) with flat top was determined. Besides, considerable human casualties in the world that occurred as a result of lightning strike, for example, in Germany during the rock festival in June 2016, caused relevance of creation of systems of warning about lightning hazard. One of the aspects of this trend is development of elements of the system that react to increase of electric field strength in environment to critical values, which is a precondition of development of lightning discharge. Therefore, the two trends are united by investigation of corona discharge in strong electric field, which made this work relevant. The obtained functional dependence of streamer frequency on electric field strength was used as the basis for creation of a number of indicators to use as the device of warning against lightning hazard.