Резюме проекта, выполняемого/выполненного в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» по этапу № 2

Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.579.21.0041
Тема: «Разработка экспериментального образца разрядной камеры, обеспечивающей безаварийную работу электрических сетей при воздействии молниевых перенапряжений.»
Приоритетное направление: Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Критическая технология: Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии
Период выполнения: 21.08.2014 - 31.12.2016
Плановое финансирование проекта: 98.00 млн. руб.
Бюджетные средства 58.00 млн. руб.,
Внебюджетные средства 40.00 млн. руб.
Получатель: Открытое акционерное общество "НПО "Стример"
Индустриальный партнер: Закрытое акционерное общество r «Технопарк «Циолковского»


Ключевые слова: Грозозащита, импульсный ток молнии, гашение без сопровождающего тока, мультикамерная система, разрядная камера, спектральный анализ, пирометрическое измерение, газовое течение, струйное течение; спектрограф, плазменный канал.


1. Цель проекта

1. Исследование основных физических процессов, протекающих в разрядных камерах мультикамерной системы
2. Целью настоящего проекта является разработка модуля (разрядной камеры) устройства молниезащиты воздушных линий электропередачи, обеспечивающей безаварийную работу электрических сетей при воздействии молниевых перенапряжений.


2. Основные результаты проекта
Определен спектральный состав плазмы, диапазоны изменения температуры и давления во времени внутри разрядной камеры, разработаны математические модели струйного течения и упрощенной физической картины плазменных процессов в разрядной камере при ее работе, проведена доработка испытательных установок и проведен ряд испытаний, проведена скоростная съемка разряда. Выработаны общие рекомендации по выбору материалов для разрядной камеры.

Определена необходимость повышения скорости фотосъемки с 1 кадра в 100 мкс до 1 кадра в 1 мкс. Проведена съемка со скоростью 1 кадр в 1 мкс с экспозицией до нескольких нс.

С использованием скоростной фотосъемки определено, что для максимума тока средняя плотность тока ~30, 100, 200 и 300 кА/см2 для тока 3, 10, 20 и 30 кА соответственно.

Установлен диапазон скорости истечения газов из камеры (222-1110 м/с).

Установлено опережающее развитие давления относительно температуры в камере при разряде.

Получены спектры истекающих газов для различных конструкций камер.

Были проведены серии расчетов теплофизических свойств плазмы для диапазона давлений 1–20 атм и диапазона температуры 500-30 000 К.

Анализ результатов зависимостей свойств плазмы от давления (при всех исследованных составах плазмы) показывает, что с ростом давления:
- плотность, вязкость, электропроводность и теплопроводность плазмы увеличивается;
- энтальпия плазмы уменьшается (здесь необходимо заметить, что энтальпия – это энергосодержание единицы массы плазмы, т.е. одного килограмма; если же путем перемножения энтальпии на плотность рассчитать объемное энергосодержание, то оно, конечно, будет расти с увеличением давления);
- нелинейная зависимость удельной теплоемкости от температуры несколько спрямляется.

Разработана математическая модель упрощенной физической картины плазменных процессов при работе разрядной камеры без учета процесса истекания ионизированного газа.

Проведены расчеты по разработанной модели, позволяющие сделать следующие выводы:
- максимальная температура плазмы при разряде достигает 30 000 К;
- высокотемпературная струя достигает выхода разрядника примерно через 30 мкс для случая медных электродов и примерно через 40–45 мкс для случая вольфрамовых электродов;
- скорость плазмы в разрядной камере может достигать 3000–4000 м/с;
- избыточное давление в зоне горения дуги может достигать 20–30 атм в начальной стадии развития разряда, но по мере увеличения области с высокой температурой максимальное значение избыточного давления уменьшается до 2–3 атм;
- область высокого давления достигает выхода разрядной камеры раньше области высокой температуры.

Разработано несколько моделей газового течения при разряде в РК в нульмерной, одномерной и двумерной постановке.

Проведенный численный анализ по разработанной модели показал, что при решении задач газовой динамики применительно к этой задаче целесообразно использовать явные двухслойные по времени монотонные схемы с противоточными аппроксимациями потоков.

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного
исследования и экспериментальной разработки

В отчетный период с 01.01-2015 года по 30.06.2015 года получение РИД не предусмотрено план-графиком и не получены.


4. Назначение и область применения результатов проекта
1) Полученные в ходе прикладных научных исследований (ПНИ) результаты несомненно будут полезны в области изучения физики плазмы.
2) Полученные данные найдут свое применение в молниезащитных (разрядники), а также, возможно, в коммутационных аппаратах (выключатели).
3) Практическим результатом ПНИ будет являться универсальный модуль молниезащитного устройства - разрядная камера.
4) Разработка разрядной камеры, обеспечивающей гашение импульсной дуги без сопровождающего тока сети, даст толчок для развития целого класса новых молниезащитных устройств, в том числе не имеющих в своей конструкции нелинейных резисторов.


5. Эффекты от внедрения результатов проекта
С точки зрения энергетики, данные устройства помогут значительно повысить надежность электроснабжения объектов промышленно-энергетического комплекса, а также объектов социальной инфраструктуры.


6. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта
Проектом предусмотрена коммерциализация - заключен Договор с Индустриальным партнером о дальнейшем использовании результатов ПНИ.


7. Наличие соисполнителей
В качестве соисполнителей к выполнению работ, предусмотренных план-графиком в отчетный период с 01.01-2015 года по 30.06.2015 года, привлекались:

1. ЗАО «Северо-Западный региональный инновационный центр наукоемких технологий «Артес»
2. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (ФГАОУ ВО «СПбПУ»)
3. ООО «ЮКОН»
4. ООО «АТР «Вектор1»

Отчет по этапу 2. pdf