Тут нам слід почати з того, що протягом 1964-1996 рр. в НДПКІ «Молнія» НТУ «ХПІ» на його експериментальній базі (п. Андріївка, Харківської обл.) на основі високовольтних генераторів імпульсних напруг (ГІН) і струмів (ГІС) з потужними ємнісними накопичувачами енергії за участю співробітників відділу ЕМІ були створені унікальні випробувальні електрофізичні установки типу ІЕМІ-10 (рис. 1), ГІНТ-1,6-5 (рис. 2) і ГІНТ-12-30 (рис. 3), призначені для проведення комплексних досліджень поведінки різних технічних об’єктів (наприклад, радіоелектронної та електротехнічної апаратури) в умовах впливу на них потужних електромагнітних завад (ПЕМЗ) природного (струми і поля блискавки) і штучного (струми і поля електроустановок надвисокої напруги) походження. Активну участь у створенні цього і подібного випробувального електрообладнання в області ВІТ внесли такі вчені і фахівці інституту як: к.т.н. Фертик С.М., к.т.н. Конотоп В.В., к.т.н. Нескородов Г.Ф., к.т.н. Гладков В.С., к.т.н. Пекар І.Р., к.т.н. Коліушко Г.М., к.т.н. Коробко А.І., д.т.н. Баранов М.І., д.т.н. Рудаков В.В., д.т.н. Бойко М.І., к.т.н. Науменко О.А., к.т.н. Губарєв Г.Г., к.т.н. Хворост В.Ю., к.т.н. Ігнатенко М.М., Бочаров В.А., Клімов О.Л., Колобовский А.К., Ігнатов В.А., Золотих В.І., Зіньковський В.М., Солдатенко Л.Г., Круглик М.І., Козлов А.Є., Немченко Ю.С., Зябко Ю.П., Тур А.М., Цехмістро В.Л. та ін.
Рис. 1. Загальний панорамний вид вітчизняної средньогабаритних високовольтної випробувальної електрофізичної установки ІЕМІ-10 (фото 2008 р характеристики генеруються електромагнітних полів цією установкою вказані в наведеній нижче табл. 1)
У 2001 році зазначені вище випробувальні електроустановки надвисокої напруги і великих імпульсних струмів нашого інституту увійшли до Міжнародного реєстру унікального високовольтного випробувального електрофізичного обладнання світу (IEC 61000-4-32). За допомогою цього високовольтного випробувального електрофізичного обладнання за минулі десятиліття в НДПКІ «Молнія» НТУ «ХПІ» були успішно проведено комплексні електромагнітні випробування більше 3000 найменувань технічних виробів різного цивільного і військового призначення на електромагнітну сумісність і стійкість до дестабілізуючого і вражаючому дії ПЕМЗ з широким діапазоном зміни амплітудно-часових параметрів їх основних характеристик, наведених у табл. 1.
Рис. 2.Зовнішній вигляд вітчизняної малогабаритної високовольтної випробувальної електрофізичної установки ГІНС-1,6-5 (фото 2008 року, характеристики електромагнітних полів, що генеруються цією установкою, вказані в поданій табл. 1)
Рис. 3. Зовнішній вигляд вітчизняної великогабаритної високовольтної випробувальної електрофізичної установки ГІНС-12-30 (фото 2008 р характеристики електромагнітних полів, що генеруються цією унікальною установкою, вказані в поданій табл. 1)
Таблиця 1. Технічні характеристики основних високовольтних випробувальних електроустановок відділу ЕМІ НДПКІ “Молнія” НТУ “ХПІ”
| Високовольтна випробувальна установка | Напруга, МВ |
Робочий об’єм, м3 |
E-поле, кВ/м |
H-поле, А/м |
Тривалість імпульсу, нс |
|
| Фронт | Спад | |||||
| ІЕМІ-10 | 2,5 | 10х10х50 | 100 | 370 | 25 | 350 |
| ГІНС-1,6-5 | 1,6 | 5х5х6 | 150 | 400 | 5 | 200 |
| ГІНС-12-30 | 4,5 | 30х50х50 | 120 | 320 | 5 | 250 |
В даний час зазначені високовольтні випробувальні електроустановки типу ІЕМІ-10, ГІНС-1,6-5 і ГІНС-12-30, розміщені на експериментальній базі інституту, що стала в 1999 році об’єктом національного надбання України, зусиллями співробітників відділу ЕМІ не тільки підтримуються в робочому стані, але і певним чином модернізуються. Так, в період 2011-2012 рр. на основі високовольтних об’єктів і генератора ГІНС-4/1 випробувального комплексу ІЕМІ-10 для потреб вітчизняної електроенергетики був створений дослідний зразок унікальної установки для формування за вимогами чинного міждержавного ГОСТ 1516.2-97 стандартного аперіодичного комутаційного імпульсу напруги з наступними технічними характеристиками: час підйому імпульсу напруги = (250 ± 50) мкс; тривалість полуспаду імпульсу напруги = (2500 ± 750) мкс; Максимальне значення напруги імпульсу = (2 ± 0,2) МВ; еквівалент електричного навантаження – повітряний проміжок «стрижень-площина» довжиною до 5 м.
У 2014 році силами співробітників відділу ЕМІ на експериментальній базі інституту відповідно до чинних на сьогодні жорсткими вимогами міжнародного стандарту IEC 62305-1-2010 був створений і введений в дослідну експлуатацію унікальний генератор струму штучної блискавки типу ГІСМ-10/350, здатний формувати на низькоомному (до 0,1 Ом) і малоіндуктивному (до 1,5 мкГн) електричному навантаженні електроенергетичного характеру нормовані аперіодичні імпульси струму першого короткого удару лінійної блискавки тимчасовою формою / = 10 мкс / 350 мкс і амплітудою = ± (200 ± 20) кА, де , – відповідно тривалість фронту на рівні (0,1-0,9) і тривалість на рівні 0,5 токового імпульсу штучної блискавки з відповідними нормованими допусками на його амплітудно-часові параметри.
На наш погляд, тут важливо підкреслити спадкоємність поколінь співробітників, які працювали в нашому інституті в області техніки високих напруг. Так, наприклад, закладені в секторі ГІН інституту нашими попередниками, і перш за все його керівником к.т.н. Пекарем І.Р., науково-технічні традиції по розробці і створенню високовольтної імпульсної техніки були в подальшому успішно продовжені співробітниками відділу ЕМІ (рис. 4). Так, в 2006 році співробітниками даного відділу НДПКІ «Молнія» НТУ «ХПІ» був створений пересувний ГІН етажерочного типу на номінальну напругу 1,2 МВ (ГІН-1,2) з наступними технічними характеристиками: вихідна робоча електрична напруга – 1 МВ; ємність в “ударі” – 20,8 нФ; електрична енергія, що запасається – 15 кДж; власна індуктивність – 6 мкГн; активний опір низькоіндуктивних демпфуючих резисторів – 48 Ом. Даний мегавольтний генератор ГІН-1,2 висотою 3 м з низькою погонною індуктивністю (до 6 мкГн / МВ), наведений на рис. 5, побудований за класичною високовольтною електричною схемою Аркадьєва – Маркса і призначений для генерування на випробувальному технічному об’єкті (наприклад, на високовольтному опорному ізоляторі) стандартних (згідно з вимогами чинного міждержавного ГОСТ 1516.2-97) і нестандартних грозових і комутаційних хвиль напруги амплітудою від ± 190 до ± 1000 кВА.
Створений у відділі ЕМІ в “металі” вказаний пересувний мегавольтний генератор ГІН-1,2 з вхідними в його комплектацію омічним і ємнісним дільниками напруги на 1,2 МВ в даний час успішно експлуатується у складі заводського високовольтного випробувального комплексу (рис. 6 і 7) і використовується в виробничо-технологічному циклі підприємства “ES Полімер” (м Артемівськ, Донецької обл.) при дрібносерійному випуску вітчизняних полімерних підвісних і опорних ізоляторів класів напруги 35-1150 кВ для потреб електроенергетики і електрифікованих залізниць України та Росії.
Рис. 4. Співробітники відділу ЕМІ (фото 2003 року) на території високовольтного випробувального комплексу ГІН-1,2, розміщеного в м.Харкові в лабораторному корпусі інституту (зліва-направо: зав. сектором Ігнатенко М.М., інж. II кат. Кіліна Л.О., н.с. Мельніков П.М., зав. відділом, д.т.н. Баранов М.І., зав. лаб. Бочаров В.А., н.с. Носенко М.О., зав . лаб. Колобовський А.К., н.с. Зябко Ю.П.)
Рис. 5. Пересувний генератор імпульсної напруги ГІН-1,2 на номінальну напругу 1,2 МВ і енергією, що запасається, 15 кДж, створений співробітниками відділу ЕМІ у 2006 році
Рис. 6. Практичне застосування генератора ГІН-1,2 в складі високовольтного випробувального комплексу розробки відділу ЕМІ на території внутрішньозаводської лабораторії підприємства “ES Полімер” (фото 2006 року, м Артемівськ, Донецької обл.)
Рис. 7. Зовнішній вигляд чинного високовольтного випробувального комплексу на основі пересувного генератора ГІН-1,2 (фото 2007 року, підприємство “ES Полімер”, м Артемівськ, Донецької обл.)
Наразі працівниками відділу ЕМІ виконуються як експериментальні роботи з дослідження електромагнітної сумісності та стійкості різних зразків техніки загальногромадянського і військового призначення, так і теоретичні фундаментальні і прикладні дослідження, в тому числі електрофізичних механізмів впливу ПЕМЗ, великих імпульсних струмів і високих імпульсних напруг на електропровідні структури (наприклад , на металеві корпуси авіаційної і ракетно-космічної техніки) і електричні ланцюги (наприклад, на їх кабелі та проводи). Крім того, тут проводяться пошукові роботи по вивченню електрофізичних явищ лінійної і кульової блискавки і глибинних електрофізичних механізмів виникнення фундаментального явища електромагнітної індукції в рухомих і нерухомих провідниках (контурах) технічних об’єктів. Результати даних досліджень співробітниками відділу ЕМІ регулярно публікуються в провідних науково-технічних журналах України, Російської Федерації та Білорусі, а також доповідаються на внутрішньоукраїнських і міжнародних конференціях і симпозіумах. Щорічно число таких наукових публікацій співробітниками відділу становить від 20 до 25. Протягом 2008-2014 рр. науковим керівником відділу ЕМІ, д.т.н. Барановим М.І. були видані чотири томи наукової монографії “Вибрані питання електрофізики” і два томи наукової монографії “Антологія видатних досягнень в науці і техніці”. У грудні 2008 року співробітником відділу ЕМІ Ігнатенко М.М. була успішно захищена кандидатська дисертація на тему “Підвищення енергетичної ефективності розрядних ланцюгів генераторів великих імпульсних струмів блискавки” (науковий керівник, д.т.н. Баранов М.І.). У лютому 2013 року асистентом кафедри інженерної електрофізики НТУ «ХПІ» Петрової В.О. була успішно захищена кандидатська дисертація на тему “Електродинамічна стійкість високовольтної ізоляції з деревини до впливу великої імпульсного струму блискавки” (науковий керівник, д.т.н. Баранов М.І.). У відділі ЕМІ працює один лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки (д.т.н. Баранов М.І., 2006 рік). Відділ ЕМІ активно співпрацює з персоналом кафедри інженерної електрофізики НТУ «ХПІ» в частині підготовки висококваліфікованих кадрів і бере участь в навчальному процесі університету. Студентам-електрофізики старших курсів силами співробітників відділу ЕМІ (д.т.н., с.н.с. Барановим М.І.), починаючи з 2006 року, регулярно читаються лекції з основ науково-технічної творчості, проблем електромагнітної сумісності та стійкості технічних об’єктів, а також техніки випробувань і наукового експерименту з демонстрацією на діючому високовольтному обладнанні НДПКІ «Молнія» НТУ «ХПІ» вражаючого впливу ПЕМЗ, високих імпульсних напруг і великих імпульсних струмів на елементи електроенергетичних об’єктів та пристроїв ВІТ.
В даний час у відділі ЕМІ як в складі зазначених вище електрофізичних установок ІЕМІ-10, ГІНС-1,6-5 і ГІНС-12-30, так і випробувального комплексу, розміщеного в лабораторному корпусі в м.Харкові, є діючі генератори ГІН і ГІС, здатні забезпечити проведення випробувань різних технічних об’єктів на електричну міцність їх внутрішньої і зовнішньої ізоляції, а також на електромагнітну сумісність і стійкість до різних електромагнітним факторів відповідно до вимог діючих вітчизняних і зарубіжних стандартів. Дані генератори розміщені як на відкритому повітрі випробувальних майданчиків експериментальної бази, так і на випробувальних полях всередині опалювальних приміщень НДПКІ «Молнія» НТУ «ХПІ». Основні тактико-технічні характеристики цього енергоємного випробувального високовольтного обладнання і його основні електротехнологічні можливості вказані в наведеній вище табл. 1.
У 2007 році співробітниками відділу ЕМІ в науково-технічній кооперації з відділом ВІТ (зав. відділом, к.т.н. Коліушко Г.М.) НДПКІ «Молнія» НТУ «ХПІ» на експериментальній базі інституту було створено унікальний генератор струму штучної блискавки (ГСБ), загальний вигляд якого наведено нижче на рис. 8. Даний потужний високовольтний генератор ГСБ з сумарною запасається електричною енергією, що запасається, в 1 МДж в своєму складі містить п’ять окремих генераторів на номінальну зарядну напругу від ± 5 до ± 50 кВ, що відтворюють згідно жорстким вимогам міжнародних нормативних документів стосовно авіаційної техніки на загальній активно-індуктивному навантаженні імпульсну А, проміжну B, тривалу С, скорочену тривалу C* і повторну імпульсну D компоненти струму штучної блискавки. Формуються в зазначеному ГСБ як окремо, так і в необхідній комбінації наведені компоненти струму лінійної блискавки відповідають жорстким чинним міжнародним вимогам і стандартам, які висуваються до подібних струмовим імпульсам при випробуваннях різних літальних апаратів на блискавкостійкості. Всі окремі генератори ГІТ даного ГСБ побудовані за класичною схемою ГІТ і містять в своєму складі високовольтні низькоіндуктівні конденсатори і повітряні сильноточні керовані і некеровані комутатори. Технічні характеристики формованих імпульсів струму імітованої блискавки в генераторі ГСБ зведені в прикладену нижче табл. 2. В даний час вказаний унікальний генератор ГСБ ефективно використовується при виконанні госпдоговірних робіт інституту при випробуваннях на електротермічну і електродинамічну стійкість до прямих ударів імітованої в лабораторних умовах блискавки елементів металевих і композиційних обшивок і антенно-фідерних пристроїв літаків таких широко відомих у світі авіабудівних корпорацій як АНТК “Антонов” (Україна) і “Боїнг” (США).
Рис. 8. Зовнішній вигляд потужного генератора струму штучної блискавки ГСБ (на передньому плані знаходиться робочий стіл з високовольтним повітряним розрядником, випробовуваним зразком алюмінієвої обшивки літального апарату і системою повітряної витяжки, а на задньому плані – генератори ГІС-А, ГІС -D, ГІС -B, ГІС -З і ГІС -C *, фото 2008 року)
Таблиця 2. Амплітудно-часові параметри струму штучної блискавки, що відтворюються генератором ГСБ розробки НДПКІ “Молнія” НТУ “ХПІ”
| Компонента струму | Максимальний струму, кА | Середний струм, кА | Заряд , Кл | Интеграл дії, А2·с | тривалість фронта , мкс | Длительность компоненты , мкс |
| А | 200±10% | – | – | 2·106±20% | ≤50 | ≤500 |
| В | – | 2±20% | 10±10% | – | – | 5·103±10% |
| С | 0,2÷0,8 | – | 200±20% | – | – | (0,25÷1)·106 |
| С* | – | 0,4 | – | – | – | (20÷50)·103 |
| D | 100±10% | – | – | 0,25·106±20% | ≤25 | ≤500 |
У 2007-2010 рр. співробітники відділу ЕМІ взяли активну участь у виконанні розрахункових та експериментальних робіт з КБ “Південне” (м.Дніпропетровськ) в рамках міжнародного співробітництва з китайською державною ракетно-космічною корпорацією з метою забезпечення стійкості відповідної техніки до впливу струму лінійної блискавки. В результаті виконання даних робіт по забезпеченню грозозахисту ракетно-космічної техніки (РКТ) були розроблені експериментально апробовані в лабораторних умовах розрахункові методики для визначення електротермічної та електродинамічної стійкості складових металевих елементів даної техніки (її обшивки і кабельно-провідникової продукції) до дії на них основних компонент струму штучної блискавки. На рис. 9 наведені результати руйнівної дії на випробовувану алюмінієву обшивку РКТ в ланцюзі ГСБ імпульсного струму штучної блискавки з нормованими згідно з даними табл. 2 амплітудно-часовими параметрами його основних імпульсної A- і тривалої C- компонент.
Рис. 9. Зовнішній вигляд зони наскрізного проплавлення зразка обшивки РКТ товщиною 1 мм з алюмінієвого сплаву АМГ2М від спільної дії на нього в розрядному ланцюзі ГСБ спочатку імпульсної A- (= -216,2 кА; = 2,03 ∙ 106 А2 ∙ с; = 500 мкс) і потім тривалої C- компоненти (= -0,869 кА; = 1000 мс; = 216 Кл) струму штучної блискавки
В рамках госпдоговірної тематики співробітниками відділу ЕМІ в період 2010-2011 рр. були проведені експериментальні дослідження блискавкостійкості діючих дослідних зразків (моделей) приймально-передавальних антен авіаційної техніки, що розробляється вітчизняними авіабудівельними підприємствами. На рис. 10 і 11 наведені деякі результати такої оцінки за допомогою ГСБ ступеня грозозахисту зазначених моделей авіаційних антен в умовах прямого удару в них струму штучної блискавки з нормованими амплітудними і тимчасовими параметрами його імпульсної A- компоненти, наведеними в табл. 2.
Рис. 10. Зовнішній вигляд дослідної моделі авіаційної приймально-передавальної антени до прямого впливу на неї в розрядної ланцюга ГСБ імпульсної А-компоненти струму штучної блискавки
Рис. 11. Зовнішній вигляд дослідної моделі авіаційної приймально-передавальної антени після прямого впливу на неї в розрядної ланцюга ГСБ імпульсної А-компоненти струму штучної блискавки (= 212 кА; = 1,96 ∙ 106 А2 ∙ с; = 500 мкс)
З експериментальних даних, представлених на рис. 9-11, слідує, що як металева обшивка, так і приймально-передавальні антени, що розробляється і випускається нової вітчизняної та зарубіжної авіаційної техніки в обов’язковому порядку повинні проходити відповідні натурні електротермічні і електродинамічні випробування для визначення показників їх реальної грозозахисту.
Зав. відділом №4, д.т.н., с.н.с. М.І. Баранов
Телефон +(38057) 707-68-41
