Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрогидроимпульсный эффект для динамических испытаний вагонов. Монография
.pdf
21
При инициировании пробоя применяется способ, при котором в межэлектродный промежуток подается струя из более электропроводной жидкости, чем
окружающая среда [76].
Инициирование разряда позволяет сократить энергию предпробойных
потерь, определить место образования стримера, увеличить разрядный промежуток.
Подводный разряд как средство преобразования энергии характеризуется
акустическим
а
и гидравлическим
г
КПД. При этом под акустическим КПД
понимается отношение энергии ударной волны к подведенной энергии:
2
2
0
CU
E
0
=
,
где С — емкость конденсаторной батареи;
0
U
— начальное напряжение [62].
Для оценки акустического КПД можно воспользоваться формулой Арсентьева [3]:
( )
4/1
/1101
41,0
N'l
а
+
=
, (1.13)
где
N'
— скорость выделения мощности;
или аппроксимационной зависимостью [16]:
*
а
lC/L+
=
61
35,0
, (1.14)
где L — индуктивность разрядного контура, мкГ;
*
l
— предельный межэлектродный промежуток, мм.
Величина
а
, как правило, не превышает 30 % от подведенной энергии [84].
Гидравлический КПД — отношение начальной энергии парогазовой полости к подведенной энергии.
С увеличением емкости и индуктивности
г
растет при малых значениях
С и U0. При l > l* лидерная форма разряда в воде переходит в тепловую, причем
увеличивается время задержки самого пробоя. КПД парогазовой полости с
дальнейшим ростом зазора уменьшается. Однако, на предельном пробивном зазоре нерегулярно наблюдаются случаи мощного (по энергии парогазовой полости) теплового пробоя с КПД [45], достигающим 70 % и более.
22
Величина
г
определяется по формуле:
−
+=
−
1110
52,1
1
36
0
r
S
r
СU
M
г
, (1.15)
где r — расстояние от центра электрического высоковольтного разряда, мм;
SM — наибольшее перемещение воды под действием расширяющегося
пузыря на расстоянии r от места разряда, мм.
При лидерном режиме разряда увеличение зазора приводит к возрастанию не только акустического, но и гидравлического КПД. При переходе в тепловой режим разряда
а
и
г
понижаются [85].
По мере возрастания емкости конденсаторов гидравлический КПД
г
растет до некоторого критического значения С*, а затем снижается и становится
постоянным [16].
Наибольшего значения
г
достигает в области смены лидерного режима
тепловым.
При электрическом разряде в воде можно добиться следующего распределения энергии (%); энергия ударной волны — 30; энергия парогазовой полости — 22; потери энергии при пробое в воде — 10; излучение — 10; прочие потери — 28.
Экспериментально и теоретически [62] установлено, что реальный гидравлический КПД разряда в замкнутом объеме определяется по формуле:
,T,
LCL
l
,
LCL
U
f
E
W
k
2
0
г0
к
эг
=
0
2
(1.16)
где Wк — объем электроразрядной камеры;
kэ — коэффициент камерности, т. е. доля использованной энергии парога-
зовой полости;
E0 — подведенная энергия;
U0 — начальное напряжение;
T0 — температура жидкости.
43
3
161521401
/
г0
к
э
E
W
,,k
−
−+=
. (1.17)
23
1.3. Математические модели
электрогидроимпульсных процессов
В настоящее время существует несколько математических моделей процесса распространения ударной волны при электрогидроимпульсном эффекте в
жидкости.
1. Для расчета параметров канала электрического разряда в воде можно
использовать модель, предложенную В. В. Арсентьевым [3, 4].
В этой модели начальный процесс образования канала разряда описывается следующей системой уравнений:
Уравнение электрического контура:
0
2/3
0
2
=+
+
−
LC
u
dt
du
nT
p
SL
l
dt
ud
p
2
, (1.18)
где u — напряжение на емкости;
t — время;
0
— плотность воды;
L — индуктивность цепи разряда;
S — площадь поперечного сечения канала;
n — число электронов в 1 см3, определяемое из уравнения Саха;
lp — длина канала разряда;
C — емкость;
р — величина давления в канале;
Т — температура в канале.
Уравнение баланса энергии, правая часть которой представляет мощность, вводимую в канал разряда:
2/3
2
7
0
2
10
11
−
=
−
+
− nT
p
dt
du
S
C
dt
dS
p
t
p
S
, (1.19)
где γ — эффективный показатель адиабаты плазмы канала.
Уравнение потока частиц:
=
2/143/2
2)( ST
dt
nSd
, (1.20)
где ω — энергия испарения на молекулу;
σ — проводимость плазмы.
24
Уравнение для оценки величины давления в канале:
2
21
21
2
2
82
−
=
dt
dSl
ln
dt
Sd
p
/
/
. (1.21)
2. А. И. Иоффе, К. А. Наугольный, Н. А. Рой [44, 45] разработали следу-
ющую модель электрогидроимпульсных процессов.
Уравнение неразрывности или уравнение потока частиц:
=
4
2
)(
T
dt
nSd
СБ
, (1.22)
где S — площадь поперечного сечения канала электрического разряда;
σСБ — постоянная Стефана-Больцмана;
ω — энергия испарения на молекулу.
При выводе этого уравнения предполагается, что температура поверхности канала электрического разряда незначительно отличается от температуры в
центре, а спектральный состав излучения близок к излучению абсолютно черного тела.
Выражение постулата сохранения импульса или количества движения
имеет вид:
2
0
2
2
0
8
ln
2
−
=
dt
dS
S
l
dt
Sd
p
p
. (1.23)
Выражение постулата сохранения энергии в виде баланса следующих составляющих, отнесенных к единице длины:
2
1 ( )
1
э
dS d pS
p i R
dt dt
+=
−
, (1.24)
где
p
э
l
R
S
=
— омическое сопротивление канала электрического разряда;
σ — проводимость плазмы.
Уравнение состояния для плотности частиц n (1/м3):
0 Б
p nk T=
, (1.25)
где kБ — постоянная Больцмана.
25
Кроме основных уравнений используется уравнение колебательного контура:
0
2
2
=++
LC
u
dt
du
L
R
dt
ud
э
, (1.26)
где L — индуктивное сопротивление разрядного контура;
С — емкостное сопротивление разрядного контура.
3. Математическая модель, разработанная в ПКБ ЭГ АН УССР Е. В. Кри-
вицким [31, 34], включает следующие уравнения:
1. Уравнение движения:
2
0
21
21
2
2
0
82
−
=
dt
dS
S
l
lln
dt
Sd
p
/
/
p
. (1.27)
2. Уравнение баланса энергии:
S
i
dt
pSd
dt
dS
p
=
−
+
2
)(
1
1
. (1.28)
3. Уравнение разрядного контура:
0
2
2
=+
+
+
э
уp
э
C
i
S
iRil
dt
d
dt
id
L
. (1.29)
Получение расчетных методик для процесса распространения ударных
волн на базе этих математических моделей для объемов, ограниченных поверхностями, в общем случае произвольной геометрии представляет определенную
трудность, поэтому в работах по электрогидроимпульсному эффекту используются в основном эмпирические зависимости, что в свою очередь затрудняет
проектирование новых установок и поиск оптимальных режимов работы существующих.
1.4. Электрогидроимпульсная установка
Техническим устройством для реализации электровзрывных процессов в
технологических целях является электрогидроимпульсная установка (ЭГУ) [86,
87]. Основные узлы установки — генератор импульсных токов или напряже-
26
ний, электродная система, специальная разрядная камера. Можно выделить две
стадии процесса преобразования энергии в ЭГУ. На первой происходит постепенное накопление электрической энергии в емкостном или индуктивном
накопителе, а на втором – ее мгновенное преобразование подводным разрядом
в энергию ударных волн и гидродинамических течений.
1.4.1. Генераторы импульсных токов
Генератор импульсных токов (ГИТ) представляет собой батарею параллельно заряженных конденсаторов, количество, напряжение и емкость которых
определяют его энергию. Энергия в батарее накапливается за счет заряда конденсаторов в относительно длительный интервал времени от специального источника напряжения (зарядного устройства) и выделяется в относительно короткий промежуток времени в разрядном промежутке. Специальное коммутирующее устройство — управляемый разрядник — отделяет нагрузку от батареи
в процессе ее заряда и соединяет их в нужный момент времени [82].
Существующие принципиальные схемы генераторов импульсных токов
можно разделить на две группы: простейшие схемы, в которых вся батарея
конденсаторов разряжается на нагрузку через один коммутирующий разрядник,
и схемы, содержащие несколько разрядников, каждый из которых осуществляет коммутацию соответствующей части батареи, в связи с тем, что коммутирующие разрядники имеют ограниченную пропускную способность, поэтому в
таких схемах генераторов токов больших энергий коммутация осуществляется
несколькими параллельно включенными и синхронно работающими управляемыми разрядниками [22].
Известны две схемы [22], которые обеспечивают синхронную работу параллельно включенных разрядников: схема с кабелями задержки и схема, в которой каждый разрядник шунтируется специальным малоиндуктивным конденсатором небольшой емкости.
В схеме с кабелями задержки задержка напряжения на разрядниках осуществляется с помощью специальных малоиндуктивных кабелей задержки одинаковой длины, которые соединяют разрядник и нагрузку, в результате чего при
пробое одного разрядника напряжение на других разрядниках изменяется только
после распространения электромагнитной волны от сработавшего разрядника по
кабелю до нагрузки и дальше по кабелям до остальных разрядников.
В схеме, в которой каждый разрядник шунтируется специальным малоиндуктивным конденсатором небольшой емкости, конденсатор при пробое од-
27
ного из разрядников поддерживает напряжение на непробитых разрядниках и
при искровых разрядниках разряд малоиндуктивного конденсатора способствует быстрому расширению искрового канала и снижению его индуктивности.
Для получения импульса тока с малым временем нарастания и медленным спадом применяется схема с замыкателем нагрузки. Это достигается
включением в момент максимума тока малоиндуктивного устройства, замыкающего нагрузку. Энергия, запасенная к этому времени в магнитном поле в индуктивном контуре с током, не переходит далее в энергию электрического поля
конденсаторов батареи, а рассеивается в активном сопротивлении межэлектродного промежутка и замыкающего устройства.
1.4.2. Генератор импульсных напряжений
Для получения импульсного напряжения в сотни и тысячи киловольт
наиболее часто применяется схема умножения напряжения с разрядниками,
называемая схемой Аркадьева-Маркса [22, 40]. Несколько конденсаторов с емкостью С каждый соединяются параллельно и заряжаются через сопротивление
R1 и R до напряжения U0. Если замкнуть все коммутаторы одновременно, то
конденсаторы С соединяются последовательно, и на сопротивлении Rн образуется импульс напряжения с амплитудой, близкой к NU0. Общая величина разрядной емкости составит C/N. Основным недостатком схемы АркадьеваМаркса является ограниченная возможность вариации режима энерговклада.
Так как схема содержит большое число последовательно включенных элементов, индуктивность разрядной цепи не может быть существенно снижена, соответственно, при увеличении периода энерговклада растет длительность фронта
импульса [53].
Рациональным представляется использование двух источников импульсов, работающих параллельно на одну нагрузку, что позволяет независимо регулировать параметры электрического сигнала в предпробивной и завершающей стадии электрического пробоя.
Существует метод ступенчатой подачи энергии [22], который позволяет по-
высить КПД электрогидравлической установки за счет исключения потерь в
начальный период развития заряда и заключается в том, что канал искрового разряда необходимой длины создается слабым импульсом высокого напряжения, а
затем в образовавшийся канал разряжается основной накопитель генератора импульсного тока. Для этого установка представляет сочетание ГИН и ГИТ.
28
Требования минимальной длительности фронта импульса ГИН и форме
импульса, близкой к апериодической сохраняет свою силу. Для уменьшения
фронта импульса уменьшают время коммутации разрядников и индуктивность
всего разрядного контура ГИН. Этот первый путь получения импульсов с крутым фронтом, который на практике сводится к использованию в ГИН малоиндуктивных конденсаторов, помещению разрядных промежутков в атмосферу
сжатого газа и уменьшению габаритов генератора. Обычно генераторы с малоиндуктивными конденсаторами имеют небольшую ударную емкость и применяются для питания стримерных камер небольших размеров.
Другой путь формирования наносекундных импульсов заключается в
следующем: сначала формируется импульс микросекундной длительности, использующийся для зарядки малоиндуктивного накопительного элемента (конденсатора или линии). Затем накопительный элемент с помощью наносекундного коммутатора разряжается на нагрузку и на ней появляется импульс с
фронтом наносекундной длительности [30].
Системы, использующиеся для зарядки накопительных элементов, называют медленными системами, а накопительные элементы, формирующие наносекундный импульс, называют быстрыми системами. В зависимости от типа
применяемой быстрой системы в общую схему наносекундного генератора для
формирования импульсов определенной длительности входит специальное срезающее устройство или импульс необходимой длительности формируется без
применения срезающего устройства за счет определенного включения отрезков
линии (двойная формирующая линия).
Медленная система может быть построена по принципу накопления энергии электрического поля в конденсаторе или энергии магнитного поля в катушке индуктивности. Следует заметить, что, несмотря на малое энергосодержание
в единице объема, конденсаторы могут обеспечить очень большие импульсные
токи в импульсе.
Быстрые системы определяют параметры импульса на выходе: длительность фронта, длительность импульса, амплитуду напряжения и тока. В качестве быстрых систем используют коаксиальные и полосковые линии или конденсаторные батареи с импульсной зарядкой. Использование импульсной зарядки накопителя позволяет существенно сократить его размеры и уменьшить
паразитную индуктивность контура, формирующего наносекундный импульс.
При импульсной зарядке в накопителе в качестве диэлектрика применяют жидкости с большой диэлектрической проницаемостью (глицерин, очищенная во-
29
да), которые обладают значительной проводимостью и делают невозможной
заряд накопителя при постоянном напряжении.
Кроме схем, имеющих два независимых источника импульса, существуют генераторы, в которых независимые источники можно выделить, проанализировав функциональное назначение элементов.
1.4.3. Высоковольтные импульсные конденсаторы
Высоковольтные импульсные конденсаторы чаще всего работают в режиме, близком к короткому замыканию [35].
Высоковольтные импульсные конденсаторы должны обладать:
1) возможно большим запасом энергии в единице объема;
2) малой внутренней индуктивностью и относительно хорошей добротностью;
3) высокой динамической устойчивостью внутренних соединений секций
и групп секций, а также контактных соединений;
4) конструкцией, обеспечивающей минимальные габариты и удобное со-
единение конденсаторов в батарею малой индуктивности;
5) достаточным сроком службы в режиме многократных разрядов на ма-
лую индуктивность.
Величина собственной индуктивности конденсаторов в целом состоит из
индуктивностей его отдельных элементов: секций, внутренних соединений и
внешних выводов.
Индуктивность выводов в основном зависит от конструкции соединения
конденсаторов в батарее. Конденсаторные секции по способу выполнения обкладок можно разбить на две основные группы: рулонные и пластинчатые.
Индуктивность конденсаторов с рулонными секциями определяется геометрическими размерами секций, количеством выводов и их расположением.
Высоковольтный конденсатор с пластинчатыми секциями состоит из ряда
последовательно соединенных пакетов, в которых секции соединены параллельно и помещены в металлический бак. Обкладки выполнены из алюминиевой фольги. Общая индуктивность пакетов складывается из суммы собственных индуктивностей пакетов и суммы взаимных индуктивностей всех пакетов
между собой.
В настоящее время применяются малоиндуктивные импульсные конденсаторы, имеющие диапазоны параметров: напряжение до 100 кВ; емкость порядка 250 мкФ; индуктивность — до 103 нГн.
30
1.4.4. Коммутирующие устройства
В зависимости от способа накопления энергии в импульсном генераторе
используют замыкающие или размыкающие коммутирующие устройства. Первые применяются в генераторах с емкостным накоплением энергии, а вторые —
с индуктивным [48].
Коммутирующие устройства должны удовлетворять следующим основным требованиям:
1. Выдерживать без самопроизвольных пробоев и перекрытий рабочее
напряжение установки. Коммутатор конденсаторной батареи на нагрузку, должен длительное время выдерживать статическое напряжение без нарушения
изоляции. Коммутирующее устройство, действующее как замыкатель, может
оказаться под воздействием не только статического, но и различного по амплитуде импульсного напряжения в зависимости от его места в схеме.
2. Иметь относительно малую индуктивность сравнительно с индуктив-
ностью шин и нагрузки. Чаще всего это достигается увеличением числа разрядников.
3. Обладать необходимой точностью срабатывания, в зависимости от пе-
риода или фронта тока, а также от числа параллельно включаемых коммутирующих устройств.
4. Обладать относительно малым сопротивлением. Желательно, чтобы
среднее сопротивление коммутирующего устройства за несколько периодов
было не больше потерь в диэлектрике конденсатора.
5. Обладать определенной долговечностью или сроком службы.
Различают следующие типы коммутирующих устройств: с высоким давлением газа (двухэлектродные коммутаторы, трехэлектродные коммутаторы,
тригатроны, разрядники с запуском от внешнего излучения, последовательный
многоэлектродный разрядник), коммутаторы низкого давления (вакуумные,
импульсные водородные тиратроны), коммутаторы с пробоем жидкого и твердого диэлектриков.
Коммутаторы с высоким давлением газа
Особенностью коммутаторов с высоким давлением газа являются малые
межэлектродные промежутки, которые обеспечиваются высокой электрической
прочностью газа при повышенном давлении.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]