Резюме проекта, выполненного в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» по этапу №5 / итоговое

Номер Соглашения о предоставлении субсидии/государственного контракта: 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 (ЭЭ)

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/Исполнитель: Открытое акционерное общество «НПО «Стример»

Индустриальный партнер: Общество с ограниченной ответственностью «Технопарк «Циолковский»


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) Разработка новых конструкций разрядных камер, способа их изготовления.
2) Создание экспериментального образца разрядной камеры, обеспечивающего 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 уста-новок и проведен ряд испытаний, проведена скоростная съемка разряда. Выработа-ны общие рекомендации по выбору материалов для разрядной камеры. Разработан экспериментальный стенд для проведения исследований разряда в отдельной дугогасительной камере МКС. Осуществлено гашения импульсного тока без протекающего сопровождающего тока промышленной частоты для одиночной дугогасительной камеры. Измерено давление и температура в разрядном объёме дугогасительной камеры и на выходе из камеры. Проведены численные эксперименты с помощью физико-математической модели дуги с целью оптимизировать конструкцию камеры для повышения эффективности гашения. Рассчитан равновесный состав разряда. Разра-ботан расчётный модуль для 3D-моделирования разряда в дугогасительной камере. Проведены численные эксперименты, рассчитаны временные зависимости основных характеристик разряда. Выявлены зависимости между эффективностью гашения и материалом стенок камеры. Определена необходимость повышения скорости фото-съемки 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 энергосодер-жание, 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 иони-зированного 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 нульмер-ной, 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 мо-нотонные схемы с противоточными аппроксимациями потоков.


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

1) Изобретение заявка № 2015154066 от 17.12.2015 "Разрядник с напорными камерами", РФ

2) Изобретение заявка № 2015154067 от 17.12.2015 "Мультикамерный разрядник с общей напорной камерой", РФ

3) Изобретение заявка №2016144974 от 16.11.2016 "Разрядник с открытыми выходами из разрядных камер", РФ

4) Изобретение заявка №2016144975 от 16.11.2016 "Разрядник с общими напорными камерами", РФ


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 мол-ниезащитных 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 01.07.2016 года по 31.12.2016 года, привлекались:
1. ЗАО «Северо-Западный региональный инновационный центр наукоемких технологий «Артес»

2. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение выс-шего образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (ФГАОУ ВО «СПбПУ»).