WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Мелехов Александр Викторович

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДПРОБИВНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОДЕ С ПРИЭЛЕКТРОДНЫМИ ПУЗЫРЬКАМИ В МИКРОСЕКУНДНОМ ДИАПАЗОНЕ

Специальность 05.14.12 – Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет» и Институте лазерной физики СО РАН, г. Новосибирск.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, с.н.с.

Коробейников Сергей Миронович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ушаков Василий Яковлевич

кандидат технических наук, с.н.с.

Яншин Константин Васильевич

Ведущая организация: Филиал НТЦ Электроэнергетики - ОАО «Сибирский научно-исследовательский институт энергетики», г. Новосибирск

Защита диссертации состоится 13 ноября 2008 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.01 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан ____ октября 2008 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Тимофеев И.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Интенсивное использование жидких диэлектриков в технике высоких напряжений требует всестороннего изучения процессов, протекающих в них при электрических разрядах. Несмотря на ва жность полученн ы х ранее результатов, единой теории ра звития разряда в ж идких ди электри ках в настоящее время не существует, поскольку процесс развития разряда включает в себя элементы «пузырькового» и ионизационного механизмов пробоя.

Появление моделей, связанных с зарождением в жидкости парогазовой фазы, позволяет объяснить на качественном уровне зависимость импульсной электрической прочности от давления и температуры. Критерии пробоя основаны на появлении пузырьков за счет кипения жидкости при протекании тока, либо за счет кавитации под действием электростатических или кулоновских сил. Кроме того, в жидкости могут существовать микропузырьки еще до воздействия напряжения. Газовая фаза может состоять из воздуха и других газов, появившихся в жидкости в результате производства, хранения и эксплуатации. Наличие микрорельефа на поверхности электродов, а именно, пор и выступов способствует образованию стабильных микропузырьков, поэтому в обычных условиях электротехнических экспериментов пузырьки микронных размеров всегда присутствуют на электродах. Ясно, что в высоковольтных устройствах наличие пузырьков газа на поверхности электродов и изоляторов создает условия для развития первичных ионизационных процессов и приводит к снижению рабочего напряжения. Следовательно, появляется необходимость экспериментального исследования поведения микропузырьков под действием сильного электрического поля.

Особое место среди жидких полярных диэлектриков занимает дистиллированная вода (относительная диэлектрическая постоянная = 80 и неизменна до 1 ГГц), интенсивно используемая в высоковольтных импульсных накопителях и коммутаторах энергии. В мощных импульсных накопителях энергии цикл заряд-разряд длится около микросекунды, практическая напряженность поля составляет сотни киловольт на сантиметр. Характерные размеры пузырьков, приводящих к пробою в таких системах, должны составлять десятки микрометров. Поведение пузырьков под действием электрического поля может меняться в зависимости от диэлектрической проницаемости жидкости, в которой он находится. Поэтому необходимо исследовать их поведение в случае неполярной жидкости. Для сравнения результатов в качестве неполярной жидкости был выбран перфтортриэтиламин ( = 1.9), обладающий высокими электрофизическими и теплотехническими характеристиками.

Исследование поведения пузырьков в сильных полях важно для импульсных емкостных накопителей энергии, маслонаполненного электрооборудования, электрогидравлических и электрогидродинамических преобразователей и т.п., а также для экспериментальной проверки теоретических представлений «пузырьковых» моделей разряда.

Цель работы. Экспериментальное исследование предпробивных процессов в воде с приэлектродными пузырьками размером десятки микрометров в микросекундном диапазоне.

Задачи исследования

1. Разработка методики создания долгоживущих микропузырьков контролируемого размера в жидкости;

2. Экспериментальное исследование влияния сильных электрических полей на поведение пузырьков в полярной (воде) и неполярной (перфтортриэтиламине) жидкостях;

3. Экспериментальное исследование механизма зажигания разряда в воде с помощью микропузырьков;

4. Оптические и электрооптические исследования предпробойных катодных процессов в деионизованной воде.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту

1. В предпробивных полях впервые зарегистрирован "эффект полярности" в поведении анодных и катодных пузырьков в воде и его отсутствие в перфтортриэтиламине;

2. Наличие пузырьков на поверхности электрода приводит к более быстрому начальному инициированию катодных процессов, однако, вследствие их малой скорости распространения, разряд раньше развивается с анода;

3. Впервые установлено, что в воде развитие разряда в катодных пузырьках протекает в многолавинной форме, а в анодных пузырьках в стримерной форме;

4. Впервые показано, что анодное зажигание происходит при росте пузырька до критического размера и сопровождается веером сверхзвуковых стримеров и ударной волной с центром на поверхности пузырька;

5. Катодные процессы при наличии пузырьков и их отсутствии в однородном и неоднородном полях развиваются с дозвуковой скоростью, измеренное усиление поля вблизи катодных неоднородностей на порядок превышает среднюю напряженность электрического поля;

6. Предложен механизм электрогидродинамического развития разряда с катода, заключающийся в развитии неустойчивости заряженного слоя жидкости вследствие частичных разрядов в парогазовой фазе.

Достоверность результатов определяется использованием современных методов измерения, стандартных методов обработки экспериментальных данных и непротиворечивостью полученных результатов с теоретическим и экспериментальным результатами других авторов.

Практическая значимость работы

Результаты диссертации могут быть использованы при проектировании мощных высоковольтных импульсных накопителей и коммутаторов энергии.

Внедрение результатов работы

Результаты исследований были востребованы ЗАО «Сибел» при подготовке проекта по модернизации импульсных накопителей энергии. Они используются в учебном процессе в курсе «Физические основы техники высоких напряжений» на факультете энергетики Новосибирского государственного технического университета.

Апробация

Результаты научных исследований были представлены на обсуждение на 9-ой, 10-ой, 13-ой международных научных школах-семинарах «Физика импульсных разрядов в конденсированных средах» (Николаев, Украина, 1999, 2001, 2007 г), на 2-ом международном совещании по электрической проводимости, конвекции и пробою в жидкостях (Гренобль, Франция, 2000 г.), на 6-ой международной конференции “Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей” (Санкт-Петербург, Россия, 2000 г.), на 14-ой, 16-ой международных конференциях по жидким диэлектрикам (Грац, Австрия, 2002г, Пуатье, Франция, 2008 г), на научной конференции «Электрофизика материалов и установок» (Новосибирск, 2007 г.).

Работа выполнялась при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты № 98-02-17903-а, 01-02-16932-а, 03-02-16214-а, 06-08-00128-а).

Публикации

Всего опубликовано 82 печатные работы, в том числе 12 по теме диссертации, из них: 4 научные статьи в ведущих изданиях, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК РФ, одна научная статья в ведущем зарубежном рецензируемом журнале, 7 докладов в трудах международных научных конференций.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 103 страницах основного текста, включая 54 рисунка и список литературы из 86 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследований, указана практическая ценность работы, представлен анализ литературных данных.

В первой главе приводится описание экспериментального стенда включающего генератор прямоугольных импульсов напряжения (ГИН) с амплитудой до 100 кВ, генераторы запускающих импульсов амплитудой до 30 кВ, высоковольтную электродную ячейку с оптическими окнами, стационарный и импульсные лазеры, фотоэлектронный умножитель и фотодиод, систему синхронизации и экранированную комнату с регистрирующей аппаратурой (скоростные осциллографы, АЦП).

Глава посвящена отработке методики создания и регистрации долгоживущих микропузырьков контролируемого размера в жидкости. Для контроля размера инициирующих пузырьков радиуса r = (10-50) мкм и регистрации их деформации использовалась оптическая схема с использованием микроскопа с увеличением на фотопленку в 5-30 раз. Пространственное разрешение было не хуже 3-5 мкм.

Предложен способ создания пузырьков за счет насыщения жидкости воздухом и локального нагрева ее на поверхности электрода до температуры, близкой к точке кипения. При вскипании, образуются паровые пузырьки. В пузырьки диффундирует газ, растворенный в жидкости и находящийся в пересыщенном состоянии при повышенной температуре. При охлаждении пузырька пар конденсируется, и парогазовый пузырек превращается в чисто газовый пузырек, размером меньшим, чем максимальный размер исходного парового пузырька. Затем следует более медленная стадия - диффузионное растворение газового пузырька. В экспериментах генерация микропузырьков осуществлялась импульсным (100-500 миллисекунд) нагревом нихромовой проволочки диаметром 0.2 мм током не превышающем 3 А.

Показано, что основное влияние на генерацию долгоживущих пузырьков размером 50-100 мкм, оказывает газ, растворенный в жидкости и адсорбированный на поверхности электрода. Так, например, в воде пороговый ток появления первых пузырьков в зависимости от степени газосодержания может отличаться в два раза. Токовый порог образования пузырьков в перфтортриэтиламине примерно в три раза ниже, чем в воде, при этом в чистой жидкости пузырьки быстро, менее чем за одну секунду, исчезают. После принудительного насыщения жидкости воздухом и придания электроду шероховатости в области максимального поля образовывался, как правило, только один пузырек.

На рис. 1 приведены экспериментальные результаты по времени растворения s пузырьков радиуса r (точки) и расчет (линия). Расчеты проводились в соответствии с выражением (1):

, (1)

где D – коэффициент диффузии газа в жидкость, Сs – растворимость, C – газосодержание. Наилучшее соответствие для дистиллированной воды достигалось при D 210-5 см2/с и Cs-C 410-3 см3/см3, а перфтортриэтиламина при D ~ 10-5 см2/с и Cs-C 10-2 см3/см3. Это означает, что вода была насыщена на 80% от максимального содержания, а перфтортриэтиламин на 95%, т.е. пузырьки находились в состоянии, близком к равновесному.

б

Рис. 1. Аппроксимация экспериментальных данных по растворению микропузырьков в отстоянной дистиллированной воде (а) и в перфтортриэтиламине (б).

Из графиков видно, что время жизни пузырька в воде приблизительно 210 минут, т.е. за это время пузырек полностью растворяется в воде. В перфтортриэтиламине время жизни значительно меньше, чем в воде и для пузырька диаметром 70 мкм составляет менее 1 минуты, поэтому можно, получив пузырек некоторого размера в нужной области, подождать, пока он не уменьшится до требуемого размера. Если нужно увеличить пузырек, то это достигается последовательной подачей импульсов тока.

Интервал времени между фотографированием начального пузырька с помощью стационарного источника подсветки и включением импульсного напряжения и импульсного лазера не превышал 5 секунд. Зазор между кончиком U-образной нихромовой проволочки диаметром 0.2 мм с радиусом сгиба 0.5 мм и полусферическим высоковольтным электродом диаметром 10 мм составлял 10 мм. В исследуемой геометрии межэлектродного промежутка расчетная напряженность электрического поля на поверхности U-образного электрода составляет ЕЭ 9·U[кВ] кВ/см и спадает примерно как 1/R (R – расстояние от центра проволочки).

Вторая глава посвящена поведению пузырьков в сильных электрических полях. Напряжение на межэлектродный промежуток поступало от генератора импульсов напряжения с фронтом 0.1-0.2 мкс и спадом 100 мкс. Импульсная подсветка осуществлялась рубиновым лазером ОГМ-40 с длительностью экспозиции 30 нс с регулируемым временем задержки относительно начала импульса напряжения tЛ.

На рис. 2 приведены фотография динамики микропузырьков начального диаметра 70 мкм в перфтортриэтиламине ( = 1.9). Разницы между катодом и анодом нет. Перед отрывом пузырек имеет форму капли. Отрыв пузырьков от поверхности электрода при напряжении 30 кВ происходит через 50-60 мкс, а при 85 кВ через 15-20 мкс. На поздних стадиях движения оторвавшиеся пузырьки имеют форму, сплюснутую в направлении движения. Скорость движения пузырьков v 0.6 м/с для U = 30 кВ и 1.5 м/с для 85 кВ. Из более чем ста измерений, проведенных при напряжении ± 85 кВ, только в одном случае был зафиксирован незавершенный разряд.

© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»