WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 12 04;12 Динамика энерговыделения в импульсной дуге с низким напряжением горения в воздухе 1 1 © А.Н. Довбня,1 К.В. Корытченко,2 М.А. Красноголовец, Ю.Я. Волколупов, 1 1 1 Ю.Д. Тур, С.М. Шкирида, А.И. Косой 1 Научно-исследовательский комплекс „Ускоритель“, 61108 Харьков, Украина e-mail: dovbnya@nik.kharkov.ua 2 Харьковский институт танковых войск, 61034 Харьков, Украина e-mail: entropia@rambler.ru (Поступило в Редакцию 5 февраля 2003 г. В окончательной редакции 27 мая 2003 г.) В работе рассмотрено влияние условий реализации разряда на динамику энерговыделения для импульсных дуг в воздухе в диапазоне начальных давлений 105-8 · 105 Pa и напряжении заряда низковольтной емкости C1 до 400 V. Предложена методика экспериментальной оценки сопротивления разрядного канала на конечной стадии развития искрового разряда. Приведены результаты этой оценки.

Введение Следует отметить, что в искровом разряде достигается высокая степень ионизации канала. Тем не менее В стационарной дуге высокого давления достигается для дальнейшего протекания тока разряда необходимым термодинамическое равновесие в газовой среде, чем условием является удержание порогового напряжения обеспечиваются оптимальные условия разогрева среды на электродах. Величина этого напряжения определяетэлектрическим током. Очевидно, что исследование про- ся, в том числе исходя из температуры газа в разрядном цесса перехода искрового разряда в дуговой позволя- канале. Полагается, что при низком напряжении на ет решить задачу быстрого и эффективного разогрева электродах возникающей при этом величины напряженгазовой среды. При малой длительности переходного ности поля недостаточно для осуществления ионизапроцесса создается возможность реализации плазменно- ции молекул газа в канале электронным ударом. При волновой системы формирования интенсивных удар- незначительном энерговыделении в искровом разряде и ных волн с последующим созданием новых техниче- соответственно достигаемой при этом низкой кинетиских устройств, например газодинамического пульсиру- ческой температуре газа в канале указанная величина ющего лазера детонационного горения и прямоточно- порогового напряжения оказывается больше величины падения потенциала на электродах, соответствующих пульсирующего воздушного реактивного двигателя [1].

стационарному дуговому разряду. Если после искрового пробоя при удержании на электродах напряжения, незнаЗадачи, решаемые при исследовании чительно отличающегося от величины падения потенциимпульсной дуги в газе ала в положительном столбе равновесной дуги, удается развить разрядный ток, то можно судить о достижении Переход искрового разряда в дугу сопровождается извысокой кинетической температуры газа в разрядном менением типов столкновений, приводящих к ионизации канале на конечной стадии развития искры. Определив газа в разрядном канале. Если в первый период пресопротивление искрового канала на конечной стадии обладает ионизация нейтральных молекул электронным его развития на фиксированном разрядном промежутке, ударом, то в дальнейшем она сменяется ступенчатой путем сравнительного анализа возможно оценить соотионизацией с последующим переходом к ионизации, ветствие параметров газа в разрядном канале на этот возникающей в результате столкновений возбужденных момент параметрам газа в стационарной дуге.

атомов с нейтральными молекулами. Последнее имеет Отсюда возникла задача определить сопротивление место при достижении высокой температуры газа. При разрядного канала на конечной стадии развития исэтом под ступенчатой ионизацией понимается ионизация крового разряда путем оценки величины порогового молекул путем их прохождения через возбужденные напряжения, при котором происходит развитие тока в состояния. Эти процессы ионизации сопровождаются данной электрической схеме при фиксированной веизменением напряженности электрического поля в раз- личине энерговыделения в искровом разряде. Примерядном канале.

нительно к плазменно-волновой системе требовалось Таким образом, установив на электродах напряжение, оценить этот параметр при величине энергии, вкладынезначительно отличающееся от величины падения по- ваемой в искровой разряд, не превосходящей 1 J на тенциала в положительном столбе равновесной дуги, 1 cm межэлектродного расстояния. Кроме этого, тревозможно развить дуговой режим разряда. бовалось установить зависимость периода и динамики 88 А.Н. Довбня, К.В. Корытченко, М.А. Красноголовец, Ю.Я. Волколупов, Ю.Д. Тур...

энерговыделения при импульсной дуге от напряжения заряда низковольтной емкости, величины межэлектродного расстояния, начального давления газовой среды в разрядном промежутке. Установление этих параметров позволяет оценить область применения импульсных дуг в технических устройствах с точки зрения требуемой скорости энерговыделения.

Экспериментальная часть 1. Характеристики опытной установки и о б л а с т ь и с с л е д о в а н и й. Электрическая схема опытной установки приведена на рис. 1. Она обеспечивала возможность регулирования амплитуды высоковольтного импульса напряжения на вторичной обмотке трансРис. 2. Осциллограммы тока и напряжения. Развертки: скоформатора T до 26 kV. Напряжение заряда низковольтрость — 50 µs/ square, I = 5.4 A / square, U = 500 V / square.

ной емкости C1 регулировалось в диапазоне 0-400 V.

Коэффициент трансформации импульсного трансформатора T составил 1 : 2. Сердечник трансформатора был 2. Оценка сопротивления разрядного кавыполнен из электротехнической стали марки ЭТ нала на конечной стадии развития искры.

сечением 7.5 · 10-4 m2 и средней длиной магнитной линии 0.44 m. В качестве высоковольтной емкости C2 Сопротивление разрядного канала удалось оценить следующим образом. Искровой разряд производился на применялись конденсаторы марки КВИ-3 суммарной фиксированном разрядном промежутке. Изменяя напряемкостью 6 680 pF. Максимально возможная величина жение заряда низковольтной емкости C1, производились энергии, вкладываемой в искровой разряд, не превосизмерения динамики развития тока в цепи разряда. Это ходила 0.7 J. Так как емкость C2 была включена в позволило для фиксированного разрядного промежутка схему с полным разрядом накопителя, то, учитывая что определить минимальное напряжение Umin, при котором коэффициент полезного действия данного трансформапроисходит дальнейшее протекание тока разряда. Зная, тора составляет около 90%, можно было с небольшой что величина прогового тока пятна на катоде опрепогрешностью установить энергию, вкладываемую в деляет минимальный ток Imin, при котором протекает искровой разряд. Данные исследования были проведены разряд, возможно определить сопротивление R канала для разряда в воздухе при начальной температуре 293 K на конечной стадии развития искрового разряда по и давлении газа в диапазоне 105-8 · 105 Pa. Расстояния формуле R = Umin/Imin. Согласно данным [3], пороговый между электродами в разрядном промежутке составляли ток пятна для катода из железа составляет Imin = 1.5A.

0.9, 1.9, 3 mm. Электроды разрядника были изготовлены В результате исследования организации импульсной из стали марки X18H10T. На указанных расстояниях, дуги на разрядном промежутке 0.9 mm было определечтобы учесть влияние неоднородности электрического но минимальное напряжение, при котором происходит поля, были измерены напряжения статического пробоя протекание тока разряда. Как видно из рис. 2, протепри атмосферных условиях, которые составили 3, кание тока происходит при напряжении на разрядном и 9 kV соответственно. Короткая длительность высокопромежутке равном 35 V, а амплитудное значение тока вольтного импульса напряжения не позволила осущедля данной разрядной емкости составляет около 3 A.

ствить разряды на большем расстоянии [2].

При заряде емкости C1 до 30 V протекания тока в цепи разряда не наблюдалось. Для исключения предположения, что параметры цепи ограничивают ток разряда до минимальной величины тока зажигания дуги и тем самым срывают разряд, данная электрическая цепь была исследована на разряд через контакты реле.

Амплитудное значение тока в этом случае составило до 100 A (рис. 3). Измерение указанной величины минимального напряжения на разрядном промежутке расстоянием 1.9 mm дало значение около 45 V при амплитудном значении тока в разряде до 6 A. В разряде через реле при этом напряжении величина амплитуды тока в цепи составила более 160 A. В обоих случаях Рис. 1. Схема импульса-дугового разряда: 1 — зарядное величина энергии, вкладываемой в искровой пробой, устройство, 2 — коммутатор, R — измерительный шунт, 3 — разрядный промежуток. была чуть более 0.1 J. При данном энерговкладе в Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Динамика энерговыделения в импульсной дуге с низким напряжением горения в воздухе позволило сравнить длительность и динамику энерговыделения, получаемые на экспериментальной установке в разных условиях разряда. Характерной особенностью, выявленной при сравнении этих графиков, оказалось уменьшение длительности разряда с возрастанием напряжения заряда низковольтной емкости на фиксированном разрядном промежутке. Например, при величине напряжения заряда емкости C1 равной 100 V длительность периода горения импульсной дуги составила около 0.14 ms, а при величине напряжения в 400 V период горения импульсной дуги составил около 0.06 ms (рис. 4, a, b).

Следует отметить, что при изучении динамики энерговыделения в данной схеме разряда довольно трудно Рис. 3. Осциллограмма тока при разряде через контакты точно определить влияние каждой составляющей услореле. Напряжение заряда U1 = 35 V. Развертка: скорость — вий реализации разряда. Это вызвано тем, что нагрузка 0.2 ms / square, I = 27 A / square.

и часть элементов разрядной цепи имеют нелинейные параметры. Поэтому потребовалось дополнительискровой пробой сопротивление искрового канала на конечной стадии его развития составило: для разрядного промежутка расстоянием 0.9 mm R = 23, для 1.9 mm R = 30. Сравнение этих значений с сопротивлением положительных столбов стационарных дуг показывает, что при тех же условиях разряда сопротивление последних на порядок меньше [3]. Отсюда делается вывод, что дальнейшее развитие разряда при низком напряжении на разрядном промежутке возможно в данном случае путем ступенчатой ионизации газа.

Следует отметить, что при минимальных напряжениях, обеспечивающих дальнейшее протекание тока разряда, происходит частичный разряд низковольтной емкости C1. Следовательно, данное напряжение на электродах не обеспечивает поддержание степени ионизации в разрядном канале, полученной в результате искрового разряда, что и приводит к возрастанию сопротивления в разрядном канале и соответственно к прекращению разряда.

Таким образом, установить величину порогового напряжения, при котором происходит зажигание импульсной дуги, возможно путем установления напряжения заряда емкости C1, приводящего к ее полному разряду.

В результате исследования было установлено, что пороговое напряжение при величине энерговыделения в искровой разряд не более 1 J на 10-2 m межэлектродного расстояния составляет не менее 60 V / mm. Следует отметить, что включенные в цепь разряда индуктивности в виде вторичной обмотки трансформатора и собственная индуктивность емкости влияют на значение порогового напряжения. Это вызвано задержкой нарастания тока, что влияет на баланс процессов ионизации и деионизации. Поэтому данная цифра дает приблизительную оценку этой величины.

3. Влияние напряжения заряда низкоРис. 4. a — осциллограммы тока и напряжения.

вольтной емкости и величины межэлектРазвертки: скорость — 20 ms / square, I = 270 A / square, родного расстояния на динамику энергоU = 1000 V / square. b — осциллограммы тока и напряжевыделения в импульсной дуге. Изучение ния. Развертки: скорость — 20 ms / square, I = 1351 A / square, графиков развития тока и напряжения в разрядной цепи U = 200 V / square.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 90 А.Н. Довбня, К.В. Корытченко, М.А. Красноголовец, Ю.Я. Волколупов, Ю.Д. Тур...

ное исследование собственных параметров цепи, что величины межэлектродного расстояния, начального давбыло сделано путем замены разрядного промежутка на ления газовой среды в разрядном промежутке. Оценка значительно более низкоомную нагрузку. В результате динамики энерговыделения показала возможность привыяснилось, что пологая кривая нарастания тока и менения данной схемы организации импульсной дуги зависимость длительности разряда от величины заряда в плазменно-волновой системе формирования интенсивемкости C1 определяются в том числе и собственными ных ударных волн.

параметрами цепи. Поэтому установление влияния других условий разряда проводилось при фиксированных Список литературы значениях отдельных параметров.

При фиксированных параметрах напряжения заряда [1] Корытченко К.В., Волколупов Ю.Я. и др. // ЖТФ. 2002.

емкостей и увеличении межэлектродного расстояния Т. 72. Вып. 4. С. 124–125.

происходило незначительное возрастание длительности [2] Дж. Мик, Дж. Крег. Электрический пробой в газах. М.:

разряда с уменьшением амплитуды тока разряда. Так, ИЛ, 1960. 495 с.

при напряжении заряда емкости C1 равной 200 V дли- [3] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

591 с.

тельность импульсной дуги на промежутке 0.9 mm составляла 0.075 ms, а на промежутке 3 mm — 0.08 ms.

Падение амплитуды тока в этом случае составило около 30 A при величинах амплитуд тока более 1000 A.

4. Влияние начального давления газовой среды в разрядном промежутке на длительность и динамику энерговыделения в с х е м е р а з р я д а. Данное исследование было проведено для разряда в воздухе на „открытых“ промежутках расстоянием 0.9 и 1.9 mm, давлении газа в диапазоне 105-8 · 105 Pa и его начальной температуре, равной 293 K. Термин „открытый“ здесь применяется потому, что объем разрядной полости на несколько порядков превосходит объем разрядного канала. Для уменьшения погрешностей в процессе измерений проводилось только изменение давления воздуха в разрядной полости при фиксированных напряжениях заряда емкостей.

В результате исследований было выявлено, что с ростом начального давления газа в разрядной полости в данных условиях происходит падение амплитуды разряда с возрастанием его длительности. Такой процесс более выражен при возрастании величины напряжения U1 заряда емкости C1. Например, при U1 = 200 V и начальном давлении 5.8 · 105 Pa падение амплитуды тока составило не менее 30 A, а при U1 = 60 V и той же величине давления, падение амплитуды тока составило около 12 A. При этом возрастание длительности разряда в первом случае составило около 5 ms, во втором — около 20 ms. Такое влияние начального давления объясняется зависимостью от этого параметра сопротивления разрядного канала с учетом прикладываемого напряжения к разрядному промежутку.

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.