No Image

Электрический пробой в воде

СОДЕРЖАНИЕ
1 просмотров
22 января 2020

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Важов Владислав Фёдорович, Козлова Наталия Владиславовна

Проведены исследования вольтсекундных характеристик воды и гранита при пробое на спаде косоугольного импульса напряжения с целью реализации электроимпульсного эффекта. Показана возможность 100 % пробоя воды и гранита в определённом временном интервале. При этом пробивные напряжения гранита на спаде в 1,5 раза меньше, чем при пробое на фронте.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Важов Владислав Фёдорович, Козлова Наталия Владиславовна

Текст научной работы на тему «Импульсная электрическая прочность воды и гранита»

ИМПУЛЬСНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВОДЫ И ГРАНИТА

В.Ф. Важов, Н.В. Козлова

Томский политехнический университет E-mail knv66@mail.ru

Проведены исследования вольтсекундных характеристик воды и гранита при пробое на спаде косоугольного импульса напряжения с целью реализации электроимпульсного эффекта. Показана возможность 100% пробоя воды и гранита в определённом временном интервале. При этом пробивные напряжения гранита на спаде в 1,5 раза меньше, чем при пробое на фронте.

Вольтсекундные характеристики, спад напряжения, вода, гранит.

Исследования закономерностей поведения вольтсекундных характеристик (ВСХ) жидких и твёрдых диэлектриков, проведённые в конце 50-х начале 60-х гг. прошлого века, привели к обнаружению эффекта инверсии их электрической прочности в микросекундном диапазоне времён воздействия импульсного напряжения [1, 2]. Этот результат был зарегистрирован как научное открытие [1].

На базе этого открытия разрабатывается целый ряд электроимпульсных технологий разрушения твёрдых диэлектрических и полупроводящих материалов. В частности, бурение и резание горных пород и искусственных материалов [2].

Вольтсекундные характеристики жидких и твёрдых диэлектриков для реальных условий электроимпульсных технологий позволяют определить диапазон времени воздействия импульса напряжения, при котором ещё возможен электроимпульсный эффект.

В абсолютном большинстве литературных источников вольтсекундные характеристики жидких диэлектриков и воды получены для электродных систем «остриё-плоскость» или «остриё-остриё» [1-7]. При этом отмечается, что большое влияние на величину разрядного напряжения оказывают геометрические размеры электродов, их расположение, расстояние между электродами [4]. Форма и расположение электродов на одной поверхности образца, необходимые для электроимпульсной технологий, таких как резание, бурение и других (рис. 1), коренным образом отличаются от приведённых в литературе. Поэтому использование литературных данных для конкретных электроимпульсных технологических устройств представляет определённые трудности.

Реализация электроимпульсного эффекта в технологиях осуществлялась при использовании косоугольных импульсов напряжения со спадом его на хвосте импульса до нуля. При этом пробой происходит на фронте импульса напряжения [2, 5, 6]. Имеется упоминание о возможности электроимпульсного эффекта на прямоугольных импульсах с наносекундным фронтом [2]. Проведены исследования и показано практическая применимость для электроимпульс-ных технологий пробоя твёрдых диэлектриков и горных пород на спадающей части (хвосте) косоугольного импульса. Но при этих условиях в них отсутствуют вольтсекундные характеристики жидких диэлектриков и, в частности, воды, что не позволяет определять временной диапазон, в котором может осуществляться электроимпульсный эффект. Поскольку электроим-

Важов Владислав Фёдорович, доцент Института физики высоких технологий ТПУ. E-mail: vashov@tpu.ru Область научных интересов: электроимпульсный пробой твердых и жидких диэлектриков.

Козлова Наталия Владиславовна, старший преподаватель кафедры экономики инженерно-экономического факультета ТПУ.

E-mail: nvkozlova@tpu.ru Область научных интересов: водные ресурсы, особенности их оценки.

пульсные технологии разрушения твёрдых тел осуществляются в жидкой среде, то наиболее доступной и технологичной жидкостью является пресная вода. Поэтому все исследования в данной работе проведены в воде.

Источником высоковольтных импульсов являлся генератор импульсных напряжений Аркадьева-Маркса (ГИН) с номинальным напряжением 500 кВ, разрядной ёмкостью 35-10"9 Ф и энергией в разряде 4375 Дж. Длительность фронта импульса на холостом ходу ГИН составляла ^ = 0,15-10"6 с, а длительность импульса до полуспада ^ = 50,040"6 с. Испытания проводились в изолированном от «земли» диэлектрическом баке, который заполнялся водой с различным удельным сопротивлением р. В бак помещалась испытательная ячейка, состоящая из двух электродов типа «стержень-стержень» с плоскими торцами, расположенных под углом друг к другу (рис.1). Стержни одинаковых размеров диаметром 10 мм и длиной 150 мм. Выбор формы, размеров и расположения электродов обусловлен требованиями электроимпульсных технологий бурения, резания и др., когда электроды располагаются на одной поверхности разрушаемого материала. На каждой ступени напряжения производилось не менее 10 пробоев и определялось среднее значение пробивного напряжения Uпр и время до пробоя ^р. Пробой воды осуществлялся без образца гранита. В процессе испытаний р воды периодически контролировалось для каждой ступени напряжения.

Рис. 1. Эффект внедрения канала разряда в твердый диэлектрик (горная порода): 1 – электроды; 2 – горная порода; 3 – канал разряда; 4 – жидкость; Р – ударные волны от канала разряда; Н -глубина внедрения

Суть метода определения вольтсекундных характеристик на спаде импульса напряжения состоит в следующем. Фронт и длительность импульса напряжения остаются неизменными, изменяется только амплитуда импульса. При этом пробой происходит на спадающей части [8]. Напряжение пробоя соответствует амплитудному значению импульса, а время до пробоя определяется по резкому уменьшению напряжения на спаде импульса. Преобладающее большинство исследований механизма пробоя и электрической прочности жидкостей выполнено на положительной полярности потенциального электрода, поскольку этот случай соответствует минимальной электрической прочности жидкостей [4]. Основные результаты получены нами также для положительной полярности импульса в диапазоне расстояний между электродами S = 10^90 мм.

На рис. 2 приведены осциллограммы импульсов напряжения на холостом ходу ГИН (кривая 1), при пробое воды р>4-103 Ом-см (кривая 2), отсутствие пробоя в воде с р 4,1-103 Ом-см; 3) отсутствие пробоя воды р 4,1-103 Ом-см. Подобные изменения параметров импульса напряжения имеют место в электроимпульсных технологиях [9-11], поскольку энергетические характеристики ГИН, используемого нами в экспериментах, соответствовали применяемым в технологических схемах.

Процессы зажигания и развития канала пробоя в жидких и твёрдых диэлектриках на импульсном напряжении имеют стохастическую природу и вероятностный характер, что наиболее характерно для электроимпульсного эффекта. Вероятностный характер развития канала разряда проявляется также в том, что в определённом интервале при увеличении времени воздействия импульса напряжения уменьшается вероятность пробоя среды вплоть до полного непробоя. С точки зрения электроимпульсных технологий наибольший интерес представляет определение времени воздействия напряжения, при котором осуществляется 100 % пробой, обеспечивающий наибольшую эффективность разрушения твёрдых тел (горных пород). Горная порода – гранит выбрана нами в качестве модельного материала, как наиболее распространённого в природе и обладающего высокой механической прочностью. Образцы гранита вырезались из одного блока. Размеры образцов достигали значений (200*200* 100) мм3.

Экспериментальные данные по электрической прочности даже «предельно чистых» жидкостей очень разнообразны [4]. Вопреки распространённому мнению, уменьшение электропроводности воды очень тщательной очисткой не является эффективным способом повышения электрической прочности изоляционных конструкций [12].

На рис. 3 приведены ВСХ воды с удельным сопротивлением р = 4,1-103 Ом-см при пробое на спаде импульса напряжения Uпр для электродной системы, показанной на рис. 1, и с расстояниями между электродами S = 10^90 мм. Увеличение времени до пробоя ^ приводит к сближению ВСХ для разных S, т. е. пробивные напряжения приближаются к напряжению зажигания разряда в воде. Известно, что напряжение зажигания канала разряда в жидкости слабо зависит от длины межэлектродного промежутка при изменении её в широких пределах (1^17)

см [12]. На рис. 3 пунктиром отмечены временные уровни 100 % пробоя воды для всех S. При изменении S в 9 раз напряжение, соответствующее 100 % пробою изменяется на 55 кВ или в 1,44 раза. Время, соответствующее 100 % уровню пробоя, изменяется от 4-10"6с до 6,4-10"6 с или в 1,6 раза. С учётом большой дисперсии времён до пробоя можно предположить, что это изменение не существенно.

10"’ 2 4 6 8 10 ” 2 4 6 8 10

Рис. 3. Вольтамперные характеристики воды р = 4,1-103 Ом-см 1) S = 10 мм; 2) S = 20 мм; 3) S = 50 мм; 4) S = 90 мм; 5) S = 50 мм, р = 3-105 Ом-см, электроды острие-плоскость, пробой щ фронте

На рис. 4 приведены ВСХ воды для разных удельных сопротивлений при S = 20 мм (кривые 1, 2). Из кривых 1, 2 следует, что с уменьшением удельного сопротивления воды, её пробивные напряжения возрастают при одинаковом времени до пробоя.

10-7 2 4 6 8 10 6 2 4 6 8 10’* їпр.с

Рис. 4. Вольтсекундные характеристики воды и гранита при S = 20 мм 1) р = 4,1-103 Ом-см; 2) р = 1,8^103 Ом-см; 3) гранит, пробой на спаде; 4) гранит пробой на фронте

Этот эффект, в первую очередь, обусловлен скоростью спада напряжения. Литературные данные о влиянии р на электрическую прочность жидкостей с повышенной проводимостью противоречивы [4, 12]. Электрическая прочность (пробивное напряжение) жидкостей с повышенной проводимостью может определяться не столько физическими процессами в разрядном промежутке, сколько зависящей от р и параметров разрядного контура деформацией импульса [4, 12]. С этим предположением авторов можно согласиться.

Необходимо отметить, что временной интервал 100 % пробоя воды практически не зависит от её удельного сопротивления в исследованном нами диапазоне р (кривые 1, 2).

Вышеприведённые предположения подтверждаются при сравнении литературных ВСХ (рис. 3, кривая 5) для р = 3-105 Ом-см при пробое на фронте импульса и результатов, полученных нами (кривая 3) для р = 4,1-103 Ом-см при пробое на спаде импульса. Также для кривой 3 пробивные напряжения в изучаемом временном диапазоне выше, чем для кривой 5. В данном случае свою роль играет и разная форма электродов в этих экспериментах, но тенденция сохраняется. Анализ пробивных напряжений воды в резко неоднородных полях при одинаковых условиях испытаний на фронте и спаде импульсов напряжения показывает, что пробивные напряжения практически одинаковы, что обусловлено механизмом возникновения и развития канала разряда в жидкости.

Реализация пробоя на спаде импульса напряжения даёт наибольший эффект для горных пород [7, 8]. Исследования механизма пробоя твёрдых диэлектриков, проведённые в работе [7], показали, что напряжение зажигания канала разряда в твёрдых диэлектриках в 2,5-3 раза ниже, чем напряжение пробоя на фронте. Мы предполагаем, что подобного эффекта можно достичь и при электроимпульсных технологиях разрушения горных пород, осуществляя пробой на спаде и оптимизируя соответствующим образом форму и параметры импульса напряжения.

Нами получены ВСХ гранита для всех, указанных выше, расстояний между электродами. На рис. 4 приведены ВСХ пробоя гранита в воде на спаде импульса (кривая 3) и при пробое на фронте (кривая 4) для S = 20 мм. Пробивные напряжения при пробое на спаде существенно меньше (приблизительно в 1,5 раза), чем при пробое на фронте. Это чрезвычайно важный эффект для электроимпульсных технологий, поскольку позволяет значительно снизить рабочие напряжения генераторов и передающих систем, что уменьшает как массогабаритные параметры технологических установок, так и повышает их надёжность и срок службы. Кроме этого, во всём временном диапазоне, характерном для электроимпульсных технологий при рассматриваемом расстоянии между электродами, реализуется 100 % пробой гранита, в то время как при пробое на фронте вероятность пробоя гранита не превышает 80 % [13]. Зависимости пробивного напряжения от расстояния между электродами, при одинаковом времени до пробоя, представлены на рис. 5.

Читайте также:  Телевизоры sony отзывы покупателей

Пробивные напряжения воды (рис. 5, кривая 1) в исследованном диапазоне расстояний между электродами существенно выше, чем для гранитов (рис. 5, кривые 2, 3, 4), что обусловливает высокую вероятность внедрения канала разряда в горную породу. Этот эффект возрастает с увеличением расстояния. Граниты отличаются физико-механическими и структурными свойствами. Например, для кривой 2 удельная механическая прочность гранита при одноосном сжатии составляет 180 МПа, для кривой 3 – 140 МПа, а для кривой 4 – 233 МПа. Известно, что увеличение механической прочности горных пород вызывает увеличение пробивного напряжения [2, 14]. Тем не менее, при пробое гранита на спаде (кривая 4) пробивные напряжения в 1,5 раза ниже по сравнению с кривой 2, даже не смотря на то, что механическая прочность этого гранита в 1,29 раза выше. Кроме этого, увеличение расстояния между электродами вызывает быстрое насыщение пробивных напряжений при пробое на спаде (кривая 4), в результате эффективность снижения напряжения в этом случае возрастает с увеличением расстояния между электродами.

Рис. 5. Зависимость пробивного напряжения воды (р = 4,1-103 Ом-см) от расстояния между электродами при ^р = 0,5^10"6 ^ 1) вода р = 4,1-103 Ом-см; 2) гранит, пробой на фронте; 3) гранит, пробой на фронте; 4) гранит пробой на спаде

Исследования ВСХ воды и гранита при пробое на спаде импульса напряжения с целью реализации электроимпульсного эффекта показало, что имеет место 100 % пробой в соответствующем временном интервале для всех исследованных расстояний между электродами.

Электрическая прочность воды при 100 % пробое во всём диапазоне времён воздействия импульса напряжения и расстояний между электродами существенно выше, чем гранита. Уменьшение удельного сопротивления воды до 1,8-103 Ом-см вызывает увеличение пробивного напряжения, что обусловлено схемными и энергетическими параметрами генератора импульсов, соответствующего технологическим применениям.

Величина пробивного напряжения гранита на спаде импульса напряжения значительно меньше (в 1,5 раза и более), чем при пробое на его фронте, что обусловлено физическими особенностями развития канала разряда на спаде в жидком и твёрдом диэлектриках.

1. Воробьёв А.А., Воробьёв Г.А., Чепиков А.Т. Закономерности пробоя твёрдого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульса напряжения // Свидетельство на открытие № А-122 от 29.04.1998 г. с приоритетом от 14.12.1961 г.

2. Сёмкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. – СПб.: Наука, 1995. – 276 с.

3. Балыгин И.Е. Электрическая прочность жидких диэлектриков. – М., Л.: Энергия, 1964. – 228 с.

4. Ушаков В.Я., Климкин В.Ф., Коробейников С.М., Лопатин В.В. Пробой жидкостей при импульсном напряжении. – Томск: Изд-во НТЛ, 2005. – 488 с.

5. Воробьёв А.А., Воробьёв Г.А., Заводовская Е.К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород. – Томск: Изд-во ТГУ, 1971. – 225 с.

6. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. -Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002. – 324 с.

7. Кузнецов Ю.И. Исследование пространственно-временных характеристик импульсного электрического разряда в каменной соли: дис. канд. физ.-мат. наук. – Томск, 1974. – 159 с.

8. Жгун Д.В. Исследование электроимпульсного пробоя и разрушения гранита и бетона в воде: автореф. дис. . канд. техн. наук. – Томск, 2000. – 23 с.

9. Техника высоких напряжений / под ред. П.И. Сиротинского. – М., Л.: ГЭИ, 1940. – 352 с.

10. Важов В.Ф., Дацкевич С.Ю., Журков М.Ю., Муратов В.М. Электроимпульсный способ бурения и резания горных пород // Становление и развитие научных исследований в высшей школе: Труды Междунар. науч. конф. – Томск: Изд-во ТПУ, 2GG9. – Т. 2. – С. 209-214.

11. Усов А.Ф., Сёмкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные процессы в установках электроимпуль-сной технологии. – СПб.: Наука, 2000. – 16G с.

12. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. – Томск: Изд-во ТГУ, 1975. -190 с.

13. Жгун Д.В., Борисенко С.В. Электроимпульсный пробой твёрдых диэлектриков // Современные техника и технологии: Труды VI Междунар. научно-практ. конф. – Томск: Изд-во ТПУ, 2000. – С. 350-351.

14. Брылин В.И. Бурение скважин специального назначения. – Томск: Изд-во ТПУ, 2GG9. – 255 с.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Важов Владислав Фёдорович, Козлова Наталия Владиславовна

Проведены исследования вольтсекундных характеристик воды и гранита при пробое на спаде косоугольного импульса напряжения с целью реализации электроимпульсного эффекта. Показана возможность 100 % пробоя воды и гранита в определённом временном интервале. При этом пробивные напряжения гранита на спаде в 1,5 раза меньше, чем при пробое на фронте.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Важов Владислав Фёдорович, Козлова Наталия Владиславовна

Текст научной работы на тему «Импульсная электрическая прочность воды и гранита»

ИМПУЛЬСНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВОДЫ И ГРАНИТА

В.Ф. Важов, Н.В. Козлова

Томский политехнический университет E-mail knv66@mail.ru

Проведены исследования вольтсекундных характеристик воды и гранита при пробое на спаде косоугольного импульса напряжения с целью реализации электроимпульсного эффекта. Показана возможность 100% пробоя воды и гранита в определённом временном интервале. При этом пробивные напряжения гранита на спаде в 1,5 раза меньше, чем при пробое на фронте.

Вольтсекундные характеристики, спад напряжения, вода, гранит.

Исследования закономерностей поведения вольтсекундных характеристик (ВСХ) жидких и твёрдых диэлектриков, проведённые в конце 50-х начале 60-х гг. прошлого века, привели к обнаружению эффекта инверсии их электрической прочности в микросекундном диапазоне времён воздействия импульсного напряжения [1, 2]. Этот результат был зарегистрирован как научное открытие [1].

На базе этого открытия разрабатывается целый ряд электроимпульсных технологий разрушения твёрдых диэлектрических и полупроводящих материалов. В частности, бурение и резание горных пород и искусственных материалов [2].

Вольтсекундные характеристики жидких и твёрдых диэлектриков для реальных условий электроимпульсных технологий позволяют определить диапазон времени воздействия импульса напряжения, при котором ещё возможен электроимпульсный эффект.

В абсолютном большинстве литературных источников вольтсекундные характеристики жидких диэлектриков и воды получены для электродных систем «остриё-плоскость» или «остриё-остриё» [1-7]. При этом отмечается, что большое влияние на величину разрядного напряжения оказывают геометрические размеры электродов, их расположение, расстояние между электродами [4]. Форма и расположение электродов на одной поверхности образца, необходимые для электроимпульсной технологий, таких как резание, бурение и других (рис. 1), коренным образом отличаются от приведённых в литературе. Поэтому использование литературных данных для конкретных электроимпульсных технологических устройств представляет определённые трудности.

Реализация электроимпульсного эффекта в технологиях осуществлялась при использовании косоугольных импульсов напряжения со спадом его на хвосте импульса до нуля. При этом пробой происходит на фронте импульса напряжения [2, 5, 6]. Имеется упоминание о возможности электроимпульсного эффекта на прямоугольных импульсах с наносекундным фронтом [2]. Проведены исследования и показано практическая применимость для электроимпульс-ных технологий пробоя твёрдых диэлектриков и горных пород на спадающей части (хвосте) косоугольного импульса. Но при этих условиях в них отсутствуют вольтсекундные характеристики жидких диэлектриков и, в частности, воды, что не позволяет определять временной диапазон, в котором может осуществляться электроимпульсный эффект. Поскольку электроим-

Важов Владислав Фёдорович, доцент Института физики высоких технологий ТПУ. E-mail: vashov@tpu.ru Область научных интересов: электроимпульсный пробой твердых и жидких диэлектриков.

Козлова Наталия Владиславовна, старший преподаватель кафедры экономики инженерно-экономического факультета ТПУ.

E-mail: nvkozlova@tpu.ru Область научных интересов: водные ресурсы, особенности их оценки.

пульсные технологии разрушения твёрдых тел осуществляются в жидкой среде, то наиболее доступной и технологичной жидкостью является пресная вода. Поэтому все исследования в данной работе проведены в воде.

Источником высоковольтных импульсов являлся генератор импульсных напряжений Аркадьева-Маркса (ГИН) с номинальным напряжением 500 кВ, разрядной ёмкостью 35-10"9 Ф и энергией в разряде 4375 Дж. Длительность фронта импульса на холостом ходу ГИН составляла ^ = 0,15-10"6 с, а длительность импульса до полуспада ^ = 50,040"6 с. Испытания проводились в изолированном от «земли» диэлектрическом баке, который заполнялся водой с различным удельным сопротивлением р. В бак помещалась испытательная ячейка, состоящая из двух электродов типа «стержень-стержень» с плоскими торцами, расположенных под углом друг к другу (рис.1). Стержни одинаковых размеров диаметром 10 мм и длиной 150 мм. Выбор формы, размеров и расположения электродов обусловлен требованиями электроимпульсных технологий бурения, резания и др., когда электроды располагаются на одной поверхности разрушаемого материала. На каждой ступени напряжения производилось не менее 10 пробоев и определялось среднее значение пробивного напряжения Uпр и время до пробоя ^р. Пробой воды осуществлялся без образца гранита. В процессе испытаний р воды периодически контролировалось для каждой ступени напряжения.

Рис. 1. Эффект внедрения канала разряда в твердый диэлектрик (горная порода): 1 – электроды; 2 – горная порода; 3 – канал разряда; 4 – жидкость; Р – ударные волны от канала разряда; Н -глубина внедрения

Суть метода определения вольтсекундных характеристик на спаде импульса напряжения состоит в следующем. Фронт и длительность импульса напряжения остаются неизменными, изменяется только амплитуда импульса. При этом пробой происходит на спадающей части [8]. Напряжение пробоя соответствует амплитудному значению импульса, а время до пробоя определяется по резкому уменьшению напряжения на спаде импульса. Преобладающее большинство исследований механизма пробоя и электрической прочности жидкостей выполнено на положительной полярности потенциального электрода, поскольку этот случай соответствует минимальной электрической прочности жидкостей [4]. Основные результаты получены нами также для положительной полярности импульса в диапазоне расстояний между электродами S = 10^90 мм.

На рис. 2 приведены осциллограммы импульсов напряжения на холостом ходу ГИН (кривая 1), при пробое воды р>4-103 Ом-см (кривая 2), отсутствие пробоя в воде с р 4,1-103 Ом-см; 3) отсутствие пробоя воды р 4,1-103 Ом-см. Подобные изменения параметров импульса напряжения имеют место в электроимпульсных технологиях [9-11], поскольку энергетические характеристики ГИН, используемого нами в экспериментах, соответствовали применяемым в технологических схемах.

Процессы зажигания и развития канала пробоя в жидких и твёрдых диэлектриках на импульсном напряжении имеют стохастическую природу и вероятностный характер, что наиболее характерно для электроимпульсного эффекта. Вероятностный характер развития канала разряда проявляется также в том, что в определённом интервале при увеличении времени воздействия импульса напряжения уменьшается вероятность пробоя среды вплоть до полного непробоя. С точки зрения электроимпульсных технологий наибольший интерес представляет определение времени воздействия напряжения, при котором осуществляется 100 % пробой, обеспечивающий наибольшую эффективность разрушения твёрдых тел (горных пород). Горная порода – гранит выбрана нами в качестве модельного материала, как наиболее распространённого в природе и обладающего высокой механической прочностью. Образцы гранита вырезались из одного блока. Размеры образцов достигали значений (200*200* 100) мм3.

Читайте также:  Телефоны слайдеры 2018 года новинки

Экспериментальные данные по электрической прочности даже «предельно чистых» жидкостей очень разнообразны [4]. Вопреки распространённому мнению, уменьшение электропроводности воды очень тщательной очисткой не является эффективным способом повышения электрической прочности изоляционных конструкций [12].

На рис. 3 приведены ВСХ воды с удельным сопротивлением р = 4,1-103 Ом-см при пробое на спаде импульса напряжения Uпр для электродной системы, показанной на рис. 1, и с расстояниями между электродами S = 10^90 мм. Увеличение времени до пробоя ^ приводит к сближению ВСХ для разных S, т. е. пробивные напряжения приближаются к напряжению зажигания разряда в воде. Известно, что напряжение зажигания канала разряда в жидкости слабо зависит от длины межэлектродного промежутка при изменении её в широких пределах (1^17)

см [12]. На рис. 3 пунктиром отмечены временные уровни 100 % пробоя воды для всех S. При изменении S в 9 раз напряжение, соответствующее 100 % пробою изменяется на 55 кВ или в 1,44 раза. Время, соответствующее 100 % уровню пробоя, изменяется от 4-10"6с до 6,4-10"6 с или в 1,6 раза. С учётом большой дисперсии времён до пробоя можно предположить, что это изменение не существенно.

10"’ 2 4 6 8 10 ” 2 4 6 8 10

Рис. 3. Вольтамперные характеристики воды р = 4,1-103 Ом-см 1) S = 10 мм; 2) S = 20 мм; 3) S = 50 мм; 4) S = 90 мм; 5) S = 50 мм, р = 3-105 Ом-см, электроды острие-плоскость, пробой щ фронте

На рис. 4 приведены ВСХ воды для разных удельных сопротивлений при S = 20 мм (кривые 1, 2). Из кривых 1, 2 следует, что с уменьшением удельного сопротивления воды, её пробивные напряжения возрастают при одинаковом времени до пробоя.

10-7 2 4 6 8 10 6 2 4 6 8 10’* їпр.с

Рис. 4. Вольтсекундные характеристики воды и гранита при S = 20 мм 1) р = 4,1-103 Ом-см; 2) р = 1,8^103 Ом-см; 3) гранит, пробой на спаде; 4) гранит пробой на фронте

Этот эффект, в первую очередь, обусловлен скоростью спада напряжения. Литературные данные о влиянии р на электрическую прочность жидкостей с повышенной проводимостью противоречивы [4, 12]. Электрическая прочность (пробивное напряжение) жидкостей с повышенной проводимостью может определяться не столько физическими процессами в разрядном промежутке, сколько зависящей от р и параметров разрядного контура деформацией импульса [4, 12]. С этим предположением авторов можно согласиться.

Необходимо отметить, что временной интервал 100 % пробоя воды практически не зависит от её удельного сопротивления в исследованном нами диапазоне р (кривые 1, 2).

Вышеприведённые предположения подтверждаются при сравнении литературных ВСХ (рис. 3, кривая 5) для р = 3-105 Ом-см при пробое на фронте импульса и результатов, полученных нами (кривая 3) для р = 4,1-103 Ом-см при пробое на спаде импульса. Также для кривой 3 пробивные напряжения в изучаемом временном диапазоне выше, чем для кривой 5. В данном случае свою роль играет и разная форма электродов в этих экспериментах, но тенденция сохраняется. Анализ пробивных напряжений воды в резко неоднородных полях при одинаковых условиях испытаний на фронте и спаде импульсов напряжения показывает, что пробивные напряжения практически одинаковы, что обусловлено механизмом возникновения и развития канала разряда в жидкости.

Реализация пробоя на спаде импульса напряжения даёт наибольший эффект для горных пород [7, 8]. Исследования механизма пробоя твёрдых диэлектриков, проведённые в работе [7], показали, что напряжение зажигания канала разряда в твёрдых диэлектриках в 2,5-3 раза ниже, чем напряжение пробоя на фронте. Мы предполагаем, что подобного эффекта можно достичь и при электроимпульсных технологиях разрушения горных пород, осуществляя пробой на спаде и оптимизируя соответствующим образом форму и параметры импульса напряжения.

Нами получены ВСХ гранита для всех, указанных выше, расстояний между электродами. На рис. 4 приведены ВСХ пробоя гранита в воде на спаде импульса (кривая 3) и при пробое на фронте (кривая 4) для S = 20 мм. Пробивные напряжения при пробое на спаде существенно меньше (приблизительно в 1,5 раза), чем при пробое на фронте. Это чрезвычайно важный эффект для электроимпульсных технологий, поскольку позволяет значительно снизить рабочие напряжения генераторов и передающих систем, что уменьшает как массогабаритные параметры технологических установок, так и повышает их надёжность и срок службы. Кроме этого, во всём временном диапазоне, характерном для электроимпульсных технологий при рассматриваемом расстоянии между электродами, реализуется 100 % пробой гранита, в то время как при пробое на фронте вероятность пробоя гранита не превышает 80 % [13]. Зависимости пробивного напряжения от расстояния между электродами, при одинаковом времени до пробоя, представлены на рис. 5.

Пробивные напряжения воды (рис. 5, кривая 1) в исследованном диапазоне расстояний между электродами существенно выше, чем для гранитов (рис. 5, кривые 2, 3, 4), что обусловливает высокую вероятность внедрения канала разряда в горную породу. Этот эффект возрастает с увеличением расстояния. Граниты отличаются физико-механическими и структурными свойствами. Например, для кривой 2 удельная механическая прочность гранита при одноосном сжатии составляет 180 МПа, для кривой 3 – 140 МПа, а для кривой 4 – 233 МПа. Известно, что увеличение механической прочности горных пород вызывает увеличение пробивного напряжения [2, 14]. Тем не менее, при пробое гранита на спаде (кривая 4) пробивные напряжения в 1,5 раза ниже по сравнению с кривой 2, даже не смотря на то, что механическая прочность этого гранита в 1,29 раза выше. Кроме этого, увеличение расстояния между электродами вызывает быстрое насыщение пробивных напряжений при пробое на спаде (кривая 4), в результате эффективность снижения напряжения в этом случае возрастает с увеличением расстояния между электродами.

Рис. 5. Зависимость пробивного напряжения воды (р = 4,1-103 Ом-см) от расстояния между электродами при ^р = 0,5^10"6 ^ 1) вода р = 4,1-103 Ом-см; 2) гранит, пробой на фронте; 3) гранит, пробой на фронте; 4) гранит пробой на спаде

Исследования ВСХ воды и гранита при пробое на спаде импульса напряжения с целью реализации электроимпульсного эффекта показало, что имеет место 100 % пробой в соответствующем временном интервале для всех исследованных расстояний между электродами.

Электрическая прочность воды при 100 % пробое во всём диапазоне времён воздействия импульса напряжения и расстояний между электродами существенно выше, чем гранита. Уменьшение удельного сопротивления воды до 1,8-103 Ом-см вызывает увеличение пробивного напряжения, что обусловлено схемными и энергетическими параметрами генератора импульсов, соответствующего технологическим применениям.

Величина пробивного напряжения гранита на спаде импульса напряжения значительно меньше (в 1,5 раза и более), чем при пробое на его фронте, что обусловлено физическими особенностями развития канала разряда на спаде в жидком и твёрдом диэлектриках.

1. Воробьёв А.А., Воробьёв Г.А., Чепиков А.Т. Закономерности пробоя твёрдого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульса напряжения // Свидетельство на открытие № А-122 от 29.04.1998 г. с приоритетом от 14.12.1961 г.

2. Сёмкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. – СПб.: Наука, 1995. – 276 с.

3. Балыгин И.Е. Электрическая прочность жидких диэлектриков. – М., Л.: Энергия, 1964. – 228 с.

4. Ушаков В.Я., Климкин В.Ф., Коробейников С.М., Лопатин В.В. Пробой жидкостей при импульсном напряжении. – Томск: Изд-во НТЛ, 2005. – 488 с.

5. Воробьёв А.А., Воробьёв Г.А., Заводовская Е.К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород. – Томск: Изд-во ТГУ, 1971. – 225 с.

6. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. -Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002. – 324 с.

7. Кузнецов Ю.И. Исследование пространственно-временных характеристик импульсного электрического разряда в каменной соли: дис. канд. физ.-мат. наук. – Томск, 1974. – 159 с.

8. Жгун Д.В. Исследование электроимпульсного пробоя и разрушения гранита и бетона в воде: автореф. дис. . канд. техн. наук. – Томск, 2000. – 23 с.

9. Техника высоких напряжений / под ред. П.И. Сиротинского. – М., Л.: ГЭИ, 1940. – 352 с.

10. Важов В.Ф., Дацкевич С.Ю., Журков М.Ю., Муратов В.М. Электроимпульсный способ бурения и резания горных пород // Становление и развитие научных исследований в высшей школе: Труды Междунар. науч. конф. – Томск: Изд-во ТПУ, 2GG9. – Т. 2. – С. 209-214.

11. Усов А.Ф., Сёмкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные процессы в установках электроимпуль-сной технологии. – СПб.: Наука, 2000. – 16G с.

12. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. – Томск: Изд-во ТГУ, 1975. -190 с.

13. Жгун Д.В., Борисенко С.В. Электроимпульсный пробой твёрдых диэлектриков // Современные техника и технологии: Труды VI Междунар. научно-практ. конф. – Томск: Изд-во ТПУ, 2000. – С. 350-351.

14. Брылин В.И. Бурение скважин специального назначения. – Томск: Изд-во ТПУ, 2GG9. – 255 с.

Рубрика: 14. Общие вопросы технических наук

Статья просмотрена: 3559 раз

Библиографическое описание:

Юшков Ю. Г., Климов А. С., Гричневский Е. А., Юшков А. Ю. Исследование инициирования электрического разряда в воде при разработке электрогидравлической технологии [Текст] // Технические науки: теория и практика: материалы Междунар. науч. конф. (г. Чита, апрель 2012 г.). — Чита: Издательство Молодой ученый, 2012. — С. 139-141. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/7/2189/ (дата обращения: 02.01.2020).

В последние годы растет интерес к использованию электрогидравлических технологий в различных областях промышленности. Например, в строительстве при создании фундаментов, утилизации железобетонных изделий и уплотнении грунтов.

В основе электрогидравлических технологий лежит «электрогидравлический эффект» [1], заключающийся в преобразовании электрической энергии в механическую за счет мощного электрического разряда, возбужденного в жидкости. Для получения такого разряда требуется импульс тока с крутизной фронта до 2 &#; 10 11 А/с и абсолютными значениями токов до 250 кА, мощностью до 100 МВт и энергией 10 6 Дж [2]. Такие большие значения энергии и быстрое ее выделение за единицы или десятки микросекунд в малом объеме вызывают процесс, аналогичный взрыву химических взрывчатых веществ. В канале разряда осуществляется преобразование электрической энергии в тепловую, в результате чего осуществляется нагрев вещества в разряда канале до температур (10…40) &#; 10 3 К и, как следствие, рост в нем давления до (1…1,5) &#; 10 3 МПа, что приводит к расширению канала с высокой скоростью и передаче импульсного давления через жидкость к объекту обработки.

Читайте также:  Тарифный план общайся мтс беларусь

Различают несколько стадий развития процесса: формирование токопроводящего канала разряда между электродами; выделения в канале разряда энергии накопителя; завершающая стадия, когда все электрические процессы в канале разряда завершены, газовые продукты под действием остаточных температур расширяются и пульсируют до полного восстановления свойств среды в рабочем промежутке. На рис. 1. показана схема электрогидравлического процесса.

Рис. 1. Схема электрогидравлического процесса (а) и зависимость изменения давления от расстояния до канала разряда (б)

Для практической реализации электрогидравлического эффекта используются высоковольтные электрические установки, состоящие из узлов, функционально относящихся к зарядному контуру, разрядному контуру, контуру заземления, схеме управления и сигнализации. Структурная схема установки показана на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема установки: 1) пульт управления; 2) зарядное устройство; 3) устройство защитного заземления; 4) генератор импульсных токов; 5) коммутатор; 6) передающая линия; 7) электродная система

Основные энергетические параметры установок: разрядное напряжение 5…50 кВ; максимальная энергия в импульсе 100 кДж; частота следование импульсов 0,1…2 Гц.

Основной проблемой препятствующей внедрению электрогидравлической технологии в производство связано с получением стабильного электрического разряда в проводящих средах, таких как техническая вода и цементный раствор [3].

Используемые в настоящее время электрогидравлические установки в основном обеспечивают электротепловой механизм пробоя рабочего промежутка. В этом случае за счет токов ионной проводимости происходит разогрев значительной области раствора между электродами. Затем образуется парогазовая среда, в которой формируется канал разряда. При этом большая часть энергии импульса затрачивается на ее образование. Наличие потерь энергии на стадии формирования канала разряда оказывать отрицательное влияние на эффективность процесса в целом. Для компенсации этих потерь приходится увеличивать энергию импульса, что приводит к сокращению срока службы электродных систем, в частности к разрушению изоляции электродов. Поэтому важной задачей является снижение потерь энергии на стадии формирования канала разряда, что позволяет уменьшить непроизводительные потери энергии импульса и, соответственно, снизить запасаемую в генераторе энергию. Для уменьшения этого типа потерь энергии используются различные методы инициирования [4]. Но большинство из них усложняют электрическую или технологическую схемы установок и не всегда их можно применить в скважинах, бетонных растворах и установках разрушения железобетона.

Известно [5], что разряд в жидкости начинает формироваться как с острия потенциального электрода, так и из «тройной точки», которая находится в месте контакта металла потенциального электрода, изоляции электрода и воды. На рис. 3 приведена фотография развитие разряда с тройной точки.

Рис. 3. Развитие разряда с тройной точки: 1) изолятор высоковольтного электрода; 2) высоковольтный электрод; 3) заземленный электрод

Эффект тройной точки можно использовать как инициирующий фактор, организуя ее у острия потенциального электрода. Результаты исследований [6] показали, что разряд начинает развиваться из тройной точки, вынесенной в рабочий промежуток. Использование диэлектрических вставок из полиэтилена высокого и низкого давления, увеличивает вероятность пробоя промежутка по сравнению с пробоем таких же промежутков без вставки на 20…22 %. Однако, был установлен экспериментальный факт, что после 30…50 разрядов влияние диэлектрической вставки на вероятность пробоя промежутка прекращается.

Решения этой проблемы является использование керамической вставки, но из-за неплотного соединения вставки с электродом ударные воздействия при наличии концентратов напряжений в виде щелей вызывают ее быстрое разрушение. Поэтому было предложено использовать электронно-лучевую сварку керамики с металлом [7]. Сварка керамики с металлами проводилась на установке, подробно описанной в работе [8]. В качестве свариваемых материалов были выбраны алюмооксидная керамика и сталь.

Для определения влияния керамической вставки была проведены исследования с пробоя различных промежутков в технической воде.

В качестве источника импульсов в работе применялся генератор импульсных токов с параметрами: U 0 = 25…35 кВ, L = 5…7 мкГн, С 0 = 0,25…0,5 мкФ. Схема экспериментальной установки показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема установки: 1) высоковольтный трансформатор; 2) высоковольтный выпрямитель; 3) шаровой разрядник; 4) конденсаторная батарея; 5) рабочая камера; 6) высоковольтный электрод; 7) изолятор; 8) керамическая вставка; 9) заземленный электрод

Использовалась система электродов «острие – плоскость». Высоковольтный электрод металлический стержень диаметром 10 мм, который через проходной изолятор вводился в рабочую камеру. Длина изолятора позволяла варьировать длину оголенной части потенциального электрода (оголенная часть составляла 10 мм). Длина рабочего промежутка между электродами варьировалась от 10…50 мм. Располагалась электродная система в рабочей камере, которая заполнялась технической водой с удельным электрическим сопротивлением &#; &#; 1·10 3 Ом·см.

В результаты предварительных исследований установлено, что использование керамики, расположенных в торце потенциального электрода, увеличивает вероятность пробоя промежутка по сравнению с пробоем таких же промежутков без вставки до 27 %, а также вставка меньше поддается ударному и эрозионному разрушению.

Проведенные эксперименты показали возможность использования металлокерамических соединений для инициирования разряда в электрогидравлических установках. Предложенный метод инициирования разряда позволяет создать надежную электродную систему для электрогидравлических установок.

1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. – Л.: «Машиностроение», 1986. – 253 с.

2. Гулый Г.А. Научные основы разрядноимпульсных технологий. – Киев.: Наукова думка, 1990. – 208 с.

3. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. – Киев: Наукова думка, 1986. – 206 с.

4. Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. – Киев: Наукова думка, 1983. – 272 с.

5. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. – Томск: Изд. ТПИ, 1975. – 256 с.

6. Курец В.И., Филатов Г.П., Юшков А.Ю. Влияние методов инициирования импульсного разряда на вероятность пробоя жидких проводящих сред // Электронная обработка материалов, 2004. – №1. с.54-57.

7. Бурдовицин В.А., Климов А.С., Окс Е.М. О возможности электронно-лучевой обработки диэлектриков плазменным источником электронов в форвакуумной области давлений // Письма в ЖТФ. 2009 – Т. 35, Вып. 11. – С. 61–66.

8. Бурдовицин В.А., Жирков И.С., Окс Е.М. и др. Источник электронов с плазменным катодом для генерации сфокусированного пучка в форвакуумном диапазоне давлений // ПТЭ. 2005 – № 6. – С. 66–68.

Похожие статьи

Модернизированная учебно-лабораторная установка для.

потенциальный электрод, высоковольтный электрод, канал разряда, рабочий промежуток, вероятность пробоя промежутка, техническая вода, рабочая камера, керамическая вставка, электрическая энергия.

Электрогидроимпульсный способ измельчения волластонитовый.

Для определения влияния керамической вставки была проведены исследования с пробоя различных промежутков в технической воде. 1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности.

Частичные разряды в диагностике изоляционных систем.

Частичный разрядэлектрический разряд, локализованный внутри изоляционной среды, расположенной между двумя электродами [1]. Рассмотрим

Рис. 2. Схема замещения изоляционного промежутка с включением.

Частичные разряды с низкой плотностью энергии.

Переработка углей с помощью подводного искрового разряда

Исследование инициирования электрического разряда в воде при. Рис. 1. Схема электрогидравлического процесса (а) и зависимость изменения давления от расстояния до канала разряда (б).

Скважинный электротермический комплекс. | Молодой ученый

Это позволяет вносить в пласт равное количество тепловой энергии при нагнетании

Внутри корпуса на тоководе (3) через равные промежутки, разделенные трубчатыми термостойкими

Каждый фазный электрод помещен в керамический стакан, имеющий боковую стенку (6) и.

Механизмы пробоя твердых диэлектриков с неоднородной.

Чем больше толщина диэлектрика и площадь электродов, тем больше пор и микротрещин, заполненных газом, попадают в пределы

Исследование инициирования электрического разряда в воде при. 5. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей.

Методика оценки электрогерметичности ВЧ-соединений

Рубрика: Технические науки.

Полученные данные позволяют сделать вывод о исправности оборудования и уровнях промышленных помех на рабочем месте испытаний.

Процесс испытаний на радиоизлучение: В первую очередь необходимо определить передающие.

Исследование влияния количества электродов на.

Влияние положения электродов свечей зажигания на межцикловую неидентичность рабочего процесса бензиновых двигателей в режиме холостого хода / Е. А

При этом свеча зажигания может стать неисправной из-за плохой напряженности искрового промежутка, это говорит об.

Оксидно-цинковые варисторы с повышенной тепловой.

Варисторы получали по классической керамической технологии.

Варистор или ОПН не имеют последовательно включенных искровых промежутков

Время жизни (срок службы) окисла по отношению к TDDB сильно зависит от электрического поля в окисле и рабочей температуры.

Похожие статьи

Модернизированная учебно-лабораторная установка для.

потенциальный электрод, высоковольтный электрод, канал разряда, рабочий промежуток, вероятность пробоя промежутка, техническая вода, рабочая камера, керамическая вставка, электрическая энергия.

Электрогидроимпульсный способ измельчения волластонитовый.

Для определения влияния керамической вставки была проведены исследования с пробоя различных промежутков в технической воде. 1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности.

Частичные разряды в диагностике изоляционных систем.

Частичный разрядэлектрический разряд, локализованный внутри изоляционной среды, расположенной между двумя электродами [1]. Рассмотрим

Рис. 2. Схема замещения изоляционного промежутка с включением.

Частичные разряды с низкой плотностью энергии.

Переработка углей с помощью подводного искрового разряда

Исследование инициирования электрического разряда в воде при. Рис. 1. Схема электрогидравлического процесса (а) и зависимость изменения давления от расстояния до канала разряда (б).

Скважинный электротермический комплекс. | Молодой ученый

Это позволяет вносить в пласт равное количество тепловой энергии при нагнетании

Внутри корпуса на тоководе (3) через равные промежутки, разделенные трубчатыми термостойкими

Каждый фазный электрод помещен в керамический стакан, имеющий боковую стенку (6) и.

Механизмы пробоя твердых диэлектриков с неоднородной.

Чем больше толщина диэлектрика и площадь электродов, тем больше пор и микротрещин, заполненных газом, попадают в пределы

Исследование инициирования электрического разряда в воде при. 5. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей.

Методика оценки электрогерметичности ВЧ-соединений

Рубрика: Технические науки.

Полученные данные позволяют сделать вывод о исправности оборудования и уровнях промышленных помех на рабочем месте испытаний.

Процесс испытаний на радиоизлучение: В первую очередь необходимо определить передающие.

Исследование влияния количества электродов на.

Влияние положения электродов свечей зажигания на межцикловую неидентичность рабочего процесса бензиновых двигателей в режиме холостого хода / Е. А

При этом свеча зажигания может стать неисправной из-за плохой напряженности искрового промежутка, это говорит об.

Оксидно-цинковые варисторы с повышенной тепловой.

Варисторы получали по классической керамической технологии.

Варистор или ОПН не имеют последовательно включенных искровых промежутков

Время жизни (срок службы) окисла по отношению к TDDB сильно зависит от электрического поля в окисле и рабочей температуры.

Комментировать
1 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector