НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Дубовенко Костянтин Вікторович

УДК 621.316: 621.373

НАУКОВІ ОСНОВИ РОЗРОБКИ

ВИСОКОВОЛЬТНИХ ЕЛЕКТРОРОЗРЯДНИХ КОМПАКТНИХ СИСТЕМ

З УРАХУВАННЯМ ВТОРИННИХ ЕЛЕКТРОФІЗИЧНИХ ПРОЦЕСІВ

Спеціальність 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі імпульсних процесів перетворення енергії та керування ними Інституту імпульсних процесів і технологій НАН України (м. Миколаїв) та відділі електроживлення технологічних систем Інституту електродинаміки НАН України (м. Київ)

Науковий консультант

Офіційні опоненти:–

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Щерба Анатолій Андрійович, Інститут електродинаміки НАН України, завідувач відділу електроживлення технологічних систем.–

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Рєзцов Віктор Федорович, Інститут відновлюваної енергетики НАН України, заступник директора з наукової роботи;–

доктор технічних наук, професор Пентегов Ігор Володимиро-вич, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник відділу електротермії;–

доктор технічних наук, с.н.с. Бойко Микола Іванович, Науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут “Молнія” Національного технічного університету “ХПІ” МОН України, головний науковий співробітник відділу електрофізичних технологій.

Захист відбудеться “ 06 _листопада 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розіслано 02 жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю.М. Гориславець

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Високовольтні електророзрядні системи (ВЕРС) використовують для реалізації сучасних високопродуктивних розрядно-імпульсних технологій (РІТ) руйнування, подрібнення та диспергування непластичних матеріалів, імпульсної обробки матеріалів та деталей тиском, очищення ливарних виробів від формувальної суміші, електровибухової обробки розплаву, генерування потужного електромагнітного і акустичного випромінювання та інших. Більшість ВЕРС базується на повільному накопиченні енергії від первинного джерела і наступному швидкому (імпульсному) її виділенні у плазмовому каналі іскрового розряду у робочому середовищі міжелектродного проміжку. Ефективність ВЕРС залежить від можливості реалізації в їх технологічних навантаженнях необхідних значень імпульсної потужності та густини електричної енергії. У більшості сучасних промислових РІТ мікросекундного діапазону накопичують енергію в імпульсі до (102...107) Дж та генерують імпульси з потужністю розрядів (109...1012) Вт при частоті їх проходження (10-2...103) Гц. При цьому в іскророзрядному каналі виникає плазма з температурою (104...105) К і тиском (106...109) Па, внутрішня енергія якої перетворюється в інші види енергії навантаження (механічну, теплову, електромагнітного випромінювання).

Значні результати у дослідженні ВЕРС та використанні енергетичних і електродинамічних процесів в них отримали В.А.Авруцький, М.І.Бойко, В.А.Бурцев, О.І.Вовченко, І.В.Волков, Г.П.Гулий, Б.М.Ковальчук, Є.В.Кривицький, Г.А.Місяць, В.М.Михайлов, К.А.Наугольних, І.З.Окунь, І.В.Пентегов, В.Ф.Рєзцов, Н.А.Рой, В.В.Рудаков, Ф.Г.Рутберг, О.А.Самарський, І.М.Сливков, В.Я.Ушаков, А.К.Шидловський, А.А.Щерба, Л.О.Юткін, H.Knoepfel, M.Kristiansen, R.Koul, E.Kunhardt, T.Martin, K.Schoenbach, E.Strickland, W.Weldon, I.McNab та інші. Було доведено, що підвищення енергоефективності ВЕРС тільки за рахунок використання основних процесів електричного розряду, пов’язаних з безпосереднім формуванням плазмового каналу та перетворенням у ньому електричної енергії в інші види, має значні обмеження і при реалізації деяких РІТ стає неможливим. Виконані дослідження показали, що для підвищення енергоефективності і питомих характеристик сучасних ВЕРС та розширення їх застосування у РІТ необхідно вирішення складної науково-прикладної проблеми розвитку теорії електромагнітних процесів в обмежених об’ємах високовольтних електророзрядних систем з урахуванням та використанням впливу вторинних механізмів перетворення енергії.

Актуальність теми. Використання вторинних механізмів перетворення енергії у ВЕРС є особливо ефективним при створенні компактного устаткування з високими питомими енергетичними характеристиками та обмеженими розмірами (наприклад, для свердловинних і глибоководних установок, космічних апаратів, обладнання для роботи в агресивних середовищах з високим тиском та температурою). Такий підхід створює можливості для суттєвого покращення енергоефективності і питомих характеристик компактних ВЕРС, зокрема питомої енергії, що накопичується, значень питомих потужностей зарядки та розряду при заданих значеннях надійності та ресурсу. Енергоефективність ВЕРС є комплексною характеристикою і визначається сукупністю параметрів, які характеризують ступінь корисного використання енергії на всіх етапах її перетворення упродовж робочого циклу. Компактними названо ВЕРС, у яких обмеження розмірів та підвищення питомих характеристик призводить до такого зростання впливу вторинних процесів, без урахування та використання якого стає неможливою реалізація високоефективних РІТ. Стан розробки сучасних ВЕРС вимагає урахування та використання цілої низки вторинних енергетичних процесів, таких як вплив вторинних гідродинамічних хвиль в обмежених об’ємах розрядних камер на електродинаміку плазми і електроенергетику розряду, вплив нестаціонарної авто- і термо-електронної емісії в неоднорідних електричних полях на розвиток електророзрядних процесів та ін.

Тривалий час створення нових ВЕРС з високими питомими характеристиками виконувалось практично виключно на основі аналогів-прототипів. У компактних ВЕРС за рахунок збільшення взаємодії первинних та вторинних процесів фізична подібність порушується. Цим пояснюється невідповідність існуючих математичних моделей та методів розрахунків реальним процесам імпульсного перетворення енергії у компактних ВЕРС, що ускладнює, а в багатьох випадках унеможливлює їх розробку та оптимізацію експлуатаційних режимів. Тому розвиток теорії електро-магнітних процесів в обмежених об’ємах та нелінійних електричних колах компактних ВЕРС, з урахуванням вторинних процесів для підвищення енергоефективності та питомих характеристик високовольтного електророзрядного обладнання є актуальною науково-прикладною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації виконувались: у відповідності з постановами Бюро відділення фізико-технічних проблем матеріалознавства НАН України за держбюджетними темами № ДР (1989 – рр.) – дисертантом виконано моделювання розрядів при підвищених значеннях тиску і температури); №ДР (1990 –  рр.) – дисертантом у математичній моделі електричного розряду ураховано електричні перехідні процеси у розрядному контурі; № ДР (1991 р.) – дисертантом на основі моделювання обґрунтовано кореляцію між розподілом напруженості електричного поля в електродній системі та часом запізнення пробою; № ДР (1991 р.) – дисертантом виконано моделювання електророзрядних систем з комбінованими накопичувачами енергії (ударним уніполярним генератором та індуктивним накопичувачем), запропоновано та обґрунтовано конструкції високовольтної електророзрядної компактної системи із змінною індуктивністю індуктивного накопичувача; № ДР01910040784 (1993 –  рр.) – дисертантом виконано тестування математичної моделі електричного розряду; № ДР (1995 – рр.) – дисертантом досліджено просторово-часові характеристики розрядів; № ДР U005362 (2002 –  рр.) – дисертантом розроблено метод розрахунку імовірнісних характеристик пробою, математичну модель відновлення електричної міцності газової ізоляції; № ДР U004072 (2002 –  рр.) –дисертантом розроблено метод розрахунку процесів у зарядних пристроях з проміжним перетворенням частоти та математичну модель дистанційної зарядки ємнісних накопичувачів через лінії з розподіленими параметрами;

- за грантами міжнародного наукового фонду CRDF(USA) № (1997 р.), TGP-497 (2001 р.) – дисертантом досліджено характеристики та виконано оптимізацію зарядних та розрядних процесів у широкому діапазоні параметрів контурів;

- за грантом міжнародного наукового фонду SCTU (Ukraine, USA, Canada, EC) №104 (2002 – рр.) – дисертантом виконано аналіз перехідних процесів у компактних зарядних пристроях імпульсних джерел живлення електронних прискорювачів, аналіз електричної міцності газової та вакуумної ізоляції, розроблено схемотехнічні рішення функціональних вузлів систем керування багатомодульних ємнісних накопичувачів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток теорії електромагнітних процесів в обмежених об’ємах та нелінійних електричних колах високовольтних електророзрядних компактних систем шляхом розробки нових методів і математичних моделей, що ураховують вплив вторинних електрофізичних процесів для визначення характеристик електророзрядних режимів і параметрів розрядно-імпульсного устаткування з підвищеною енергоефективністю і покращеними питомими енергетичними характеристиками.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

1. На основі аналізу наявних результатів досліджень перехідних процесів в обме-жених обємах високовольтних електророзрядних установок визначити перспективні підходи та методи для урахування впливу вторинних електрофізичних процесів.

2. Розробити математичну модель для аналізу просторових і часових характерис-тик електричних розрядів у газових та конденсованих середовищах з урахуванням впливу вторинних процесів в обмежених об’ємах високовольтних електророзрядних компактних систем і їх розрядних контурах з різними типами накопичувачів енергії.

3. З урахуванням неоднорідного розподілу характеристик електричного поля розробити метод розрахунку і математичні моделі для комплексного аналізу ймовірнісних характеристик пробою га-зової ізоляції і стану електричної міцності вакуумної ізоляції у різних режимах та умовах їх роботи.

4. Розробити метод аналізу процесів зарядки ємнісних накопичувачів енергії в електричних колах зарядних пристроїв високовольтних електророзрядних компактних систем з високочастотним перетворенням параметрів електроенергії.

5. Розвинути метод та розробити математичну модель для дослідження режимів роботи зарядних пристроїв високовольтних електророзрядних компактних систем, побудованих з використанням електричних кіл з розподіленими параметрами.

6. Із застосуванням розроблених методів, математичних моделей та методик обгрунтувати і удосконалити схемні рішення, конструкції, режими роботи високовольтних електророзрядних компактних систем з урахуванням взаємного впливу процесів в їх обмежених об’ємах.

Об’єктом дослідження є високовольтні електророзрядні компактні системи з імпульсним перетворенням електромагнітної енергії в обмежених об’ємах неоднорідних рухомих фізичних середовищ.

Предмет дослідження – просторові і часові електроімпульсні процеси у розрядних та зарядних контурах високовольтних електророзрядних компактних систем з урахуванням вторинних електрофізичних процесів.

Методи дослідження базуються на теорії електромагнітного поля, електричних кіл, магнітної гідродинаміки. Для побудови моделей застосовано чисельні методи скінченних різниць для розра-хунку електромагнітних полів, формалізований метод перемикальних функцій для розрахунку електричних кіл змінної топології, теорії ймовірності для аналізу стохастичних процесів у високо-вольтній ізоляції та характеристик її пробою, методи статистичної обробки результатів експери-менту, отриманих засобами електричних та оптичних вимірювань швидкоплинних процесів.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблено нову узагальнену математичну модель для аналізу характеристик електричних розрядів, яка ураховує вторинні процеси взаємодії ударних хвиль з плазмою каналу розряду у газових та конденсованих середовищах у розрядних камерах та контурах високовольтних електророзрядних компактних систем (ВЕРКС) з різними типами накопичувачів енергії.

2. Вперше розроблено метод чисельного розрахунку ймовірнісних характеристик електричного пробою газової ізоляції ВЕРКС, який ураховує неоднорідність електричного поля між електродами, сукупність механізмів генерації вільних електронів у полях високої напруженості, електрофізичні властивості робочих середовищ, іонізаційні процеси утворення електронних лавин та швидкість зміни падіння напруги на міжелектродному проміжку.

3. Розроблено нову математичну модель для аналізу електричної міцності вакуумної ізоляції ВЕРКС, що ураховує вплив мікровиступів на різнопотенційних поверхнях на неоднорідність електричного поля, механізми генерації передпробійних струмів у вакуумованому об’ємі та характерний час розвитку пробою.

4. Створено новий метод чисельного розрахунку енергоефективних зарядних процесів у зарядних пристроях ВЕРКС з високочастотним перетворенням параметрів електроенергії, що ураховує надперехідні режими при підімкненні зарядних кіл змінної топології на ненульову початкову напругу ємнісних накопичувачів енергії.

5. Розроблено нову математичну модель процесів дистанційної зарядки ємнісних накопичувачів енергії у зарядних пристроях ВЕРКС, що ураховує розподілені параметри їх електричних кіл.

6. Вперше виконано аналіз характеристик потужних електричних розрядів мегаджоульного діапазону (1010…1012Вт) у розрядних контурах ВЕРКС з двохступеневою нелінійною комутацією та комбінованим накопичувачем енергії (ударний уніполярний генератор – індуктивний накопичувач) з питомою енергією в сотні разів більшою, ніж в ємнісних накопичувачах ВЕРС.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Метод розрахунку ймовірнісних характеристик пробою газової ізоляції та методика визна-чення електричної міцності вакуумної ізоляції забезпечують мінімізацію габаритів та збільшення питомих характеристик ВЕРКС за рахунок визначення параметрів ефективного екранування та вимог до якості поверхні їх електродів. Метод і методику використано при створенні:

- субмегавольтних генераторів імпульсних напруг імпульсних джерел релятивістських електронних пучків та лазерного випромінювання в Інституті імпульсних процесів і технологій НАН України (м. Миколаїв) та Інституті електроніки сильних струмів СВ РАН (м. Томськ, Росія);

- технологічних лінійних індукційних прискорювачів електронів з енергією 2 МеВ та 4 МеВ в Інституті новітніх технологій Національногo авіаційного університету (м. Київ) та у компанії Viara Research, LLC (Columbus, Ohio, USA).

2. Метод визначення ймовірнісних характеристик пробою високовольтної газової ізоляції та математична модель перехідних процесів зарядки ємнісних накопичувачів енергії через лінії з розподіленими параметрами є ефективними при визначенні оптимальних режимів роботи компактних високовольтних електророзрядних установок типу “Скіф” для відновлення продуктивності нафтовидобувних свердловин. Установки впроваджено у ВАТ “Український нафтогазовий інститут” (м. Київ) і застосовуються на нафтових родовищах України.

3. Метод чисельного аналізу процесів у зарядних пристроях з високочастотним перетворенням параметрів електроенергії використано при розробці та створенні:

- електророзрядних установок типу “Скіф” в Інституті імпульсних процесів і технологій НАН України;

- технологічних лінійних індукційних прискорювачів електронів з енергією 2 МеВ та 4 МеВ в Інституті новітніх технологій Національногo авіаційного університету (м. Київ) та у компанії Viara Research, LLC (Columbus, Ohio, USA).

4. Математичну модель для аналізу перехідних процесів електричних розрядів в обмежених об’ємах, яка ефективна для визначення оптимальних параметрів імпульсних генераторів плазми при впливі на неї вторинних ударних хвиль, впроваджено в Інституті електрофізики та електроенергетики РАН (м. Санкт-Петербург, Росія).

5. Результати дисертації використовуються у навчальних програмах підготовки бакалаврів, спеціалістів та магістрів кафедри “Імпульсні процеси і технології” Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова (м.Миколаїв) та кафедри “Обчислювальна техніка та інформаційні технології” Миколаївського навчально-наукового інституту Одеського національного університету імені І.І. Мечникова.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення та результати, наведені в дисертації, отримані здобувачем особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить: [6, , , , ] – постановка задач аналізу розрядних процесів в обмежених об’ємах та у контурах з комбінованими накопичувачами енергії і двохступеневою комутацією, імовірнісних характеристик пробою комутаторів і відновлення електричної міцності газової ізоляції, розробка методів, математичних моделей, методик розрахунку цих процесів і програмного забезпечення, виконання розрахунків і аналіз отриманих результатів; у роботах [11 – ,15,23,26,32,33,37,41] – розробка математичної моделі зарядки ємнісних накопичувачів через лінії з розподіленими параметрами, програмного забезпечення, виконання чисельного аналізу зарядних процесів, розподілу електричного поля в електродних системах та комутаторах, характеристик пробою високовольтної апаратури. У статтях [20,24,36] дисертантом розроблено програмне забезпечення для моделювання електродинамічних процесів, виконано його тестування та аналіз результатів; у статті [27] – частково виконано моделювання, розробку та тестування програмного забезпечення; у роботі [31] – розроблено схемотехнічні рішення функціональних пристроїв систем керування.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися та обговорювалися на: на 4-й Всесоюзній та 5-й науково-технічних конференціях “Електричний розряд у рідині та його застосування у промисловості” (Миколаїв, 1988, 1992), 3-й Всесоюзній конференції “Імпульсні джерела енергії” (Ленінград, 1989), 3-й Всесоюзній конференції “Удосконалення експериментальних методів дослідження фізичних процесів” (Миколаїв, 1989), 3-й Всесоюзній школі-семінарі “Актуальні фізико-технічні проблеми енергетики” (Москва, ), 8-й Всесоюзній конференції “Фізика низькотемпературної плазми” (Мінськ, 1991), 6-й, 7-й, 8-й, наукових та 10-й, 12-й Міжнародних наукових школах “Фізика імпульсних розрядів у конденсованих середовищах” (Миколаїв, 1993, 1995, 1997, 2001, 2005), 3-му науковому семінарі СНД з акустики неоднорідних середовищ (Новосибірськ, 1995), 4-й міжнародній конференції “Сучасні проблеми електрогідродинаміки і електрофі-зики рідких діелектриків”, (Санкт-Петербург, 1996), 11th IEEE International Pulse Power Conference, (Baltimore, Maryland, USA, 1997), 9th Electromagnatic Launch Sym-posium (Edinburgh, Scotland, 1998), 25th IEEE International Conference on Plasma Sci-ence, (Raleigh, North Carolina, USA, 1998), 1st International Congress on Radiation Phy-sics, High Current Electronics, and Modification of Materials (Tomsk, Russia, 2000), IEEE International Pulsed Power Plasma ScienceConference (Las Vegas, Nevada, USA, 2001), 3d International Conference on Electrical Insulation (Saint Petersburg, Russia, 2002), IEEE International Power Modulator Conference (Hollywood, California, USA, 2002), 23-й та 24-й Міжнародних науково-практичних конференціях ”Застосування лазерів у медицині і біології” (Миколаїв, травень 2005; Ялта, вересень 2005), Всеукраїнській науково-технічній конференції з міжнародною участю “Проблеми автоматизації і електрообладнання транспортних засобів” (Миколаїв, 2005), 1-й та 2-й міжвузівських науково-практичних конференціях “Науковий потенціал вищої школи” (Миколаїв, 2005, 2006), Міжна-родному симпозіумі „Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів” (Харків, 2006).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 82 наукові праці, в тому числі 26 статей у фахових наукових виданнях, 2 статті в інших виданнях, 2 авторських свідоцтва СРСР, 10 доповідей і 34 тези доповідей на Міжнародних, Всесоюзних та Всеукраїнських наукових конференціях, 8 науково-технічних звітів, що мають номери держреєстрації. 39 наукових праць здобувачем виконано одноосібно.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з переліку умовних позначень, вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел з 479 найменувань і одного додатку. Загальний обсяг роботи становить 418 сторінок, у тому числі 300 сторінок основного тексту, 105 рисунків, 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету наукових досліджень, їх основні завдання, викладено суть наукової проблеми, наукову новизну, практичну значимість і реалізацію результатів роботи.

У першому розділі розглянуто сучасний стан досліджень у напрямку розробки та створення високовольтних електророзрядних систем. Узагальнена структура ВЕРС (рис. 1) вміщує зарядний пристрій (ЗП), накопичувач енергії (НЕ), високовольтну комутаційну аппаратуру (ВКА), лінію передачі енергії (ЛПЕ), робочий вузол (електродну систему, ЕС), заповнену робочим середовищем (РС). ВЕРС підімкнена до джерела живлення (ДЖ) та має систему керування (СК) її режимами. Об’єкт обробки (ОБ) знаходиться під впливом робочого середовища, збуреного електричним розрядом.

Рис. 1. Узагальнена структурна схема ВЕРС

Показано, що сучасні РІТ (рис. ), до яких належать технології очищення (5) та точного очищення виливок (9), подрібнення матеріалів (6), використання гідроакус-тичного випромінювання (10), руйнування негабаритів (11), розмірної обробки мате-ріалів тиском (13), інтенсифікації видобутку корисних копалин (14), дослідження властивостей речовин (15), можуть бути вдосконаленими, а область застосування РІТ – розширеною за рахунок розробки високовольтних компактних систем. До нових технологій слід віднести очищення повітря від техногенних забруднень (1), інтенсифікацію плазмохімічних процесів (2), електротермічне (3) та електромагнітне (4) прискорення макротіл, стерилізацію медичного обладнання (7), пастеризацію харчових продуктів (8), очищення води (12) та інші. На рис. 2 позначено: Р – потужність модуля ВЕРКС; W – енергія в імпульсі; Fі – частота проходження імпульсів.

Рис. 2. Енергетичні характеристики РІТ

На основі аналізу виявлено та систематизовано сукупність критеріальних умов, які визначають рівень взаємодії процесів в електророзрядному устаткуванні. Якщо таким впливом можна знехтувати, удосконалення системи може виконуватися із застосуванням відомих методів. У протилежному випадку необхідне напрацювання нових теоретичних методів, математичних моделей і удосконалення відомих та урахування з їх використанням взаємозалежних процесів.

На основі аналітичних і автомодельних розв’язків рівнянь електромагнітного поля, магнітної гідродинаміки та теплового поля отримано критеріальні співвідношення, що визначають граничні розміри вузлів ВЕРКС, при зменшенні яких в елементах конструкцій підсилюється взаємний вплив та нелінійність електромагнітних, гідродинамічних та теплових процесів, які супроводжують електричний розряд, зокрема

(1)

де – час ефективного виділення енергії у каналі розряду; – швидкість розширення каналу; – коефіцієнт ударної адіабати; – швидкість звуку середовища перед фронтом ударної хвилі; – допустимий перегрів; DT – швидкість теплової хвилі; s1 – межа області нагріву у початковий момент часу; , – коефіцієнти функції нелінійної питомої теплопровідності середовища; – просторова координата.

Визначено комплексну наукову проблему розвитку теорії електромагнітних процесів у ВЕРКС, вирішенню якої присвячено наступні розділи роботи.

У другому розділі наведено узагальнену математичну модель електричних розрядів, обґрунтовано відповідність результатів моделювання реальним просторово-часовим процесам, досліджено розряди в обмежених об’ємах у контурах з ємнісними накопичувачами енергії (ЄНЕ) в умовах взаємодії електродинамічних, гідродинамічних та термодинамічних процесів.

Для побудови узагальненої математичної моделі застосовано апарат теорії поля та створено інформаційну базу характеристик газоподібних та конденсованих середовищ на основі широкодіапазонних рівнянь стану. Математична модель в одновимірному магнітогідродинамічному наближенні циліндричної симетрії вміщує рівняння розрядного контуру і електромагнітного поля (2), гідродинаміки (3), енергії, теплового потоку та зміни ентропії (4)

(2)

(3)

(4)

де E, – напруженості електричного та магнітного полів; – контур інтегрування; – магнітна постійна; – довжина проміжку; – час; , – просторова та лагранжева координати; , – та плазмового каналу;– струм ; , , – густина, питома електро- та теплопровідність середовища, відповідно; – густина струму; – об’ємна потужність у перерахунку на одиницю маси плазми; – густина електромагнітної сили; – швидкість; – тиск; – внутрішня енергія; – тепловий потік; – температура; – ентропія; – об’ємні втрати енергії випромінюванням.

Широкодіапазонне ентропійне рівняння стану рідких середовищ (зокрема води) має вигляд:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

де – крива холодного стиснення; – теплова функція; – ентропія на межі фазового переходу; – питомий об'єм.

Такий підхід дозволяє обчислити термодинамічний стан середовища за рівняннями (5) – (9) в усьому діапазоні термодинамічних параметрів від кондесованого стану до стану плазми з урахуванням двохфазного стану рідина-пара.

У газових розрядах можливі умови, коли локальний термодинамічний стан середовища порушується і вихід випромінювання з плазми впливає на її іонізаційний склад. Тому у моделі компонентний склад плазми газових середовищ визначається у квазірівноваговому наближенні з використанням корональної моделі:

(10)

(11)

(12)

де , – концентрація та відносна кількість іонів а-го елемента; , , – концентрація, степінь та кратність іонізації частинок відповідно; , – заряд та маса електрона; , – постійні Планка і Больцмана; – радіус Дебая; , - коефіцієнти апроксимації.

Для чисельного моделювання застосовано ефективний метод неявних повністю консервативних різницевих схем для рівнянь магнітної гідродинаміки та алгоритм роздільних прогонок, що забезпечує виконання всіх законів збереження (маси, кількості руху, енергії). Узагальнена математична модель тестувалася комплексом спеціально підібраних тестів та експериментальних даних електричних, гідродинамічних та теплофізичних характеристик розряду.

Вивчалися потужні розряди у газах високої густини (повітря, гелій) з концентрацією часток (n  25...1027 м-3) з метою розробки енергоефективних компактних імпульсних систем для досягнення високих значень температури (T  5 К) і тиску (p  108 Па) плазми. Конструкція імпульсного генератора плазми (легкогазової гармати) з ємнісним накопичувачем С ,210-6 Ф, зарядженим до напруги 5104 В, мала малоіндуктивний кабельно-колекторний тракт (L  -7 Гн) та циліндричну розрядну камеру з внутрішнім діаметром  d 10-2 м, уздовж осі якої розташовано електроди. Відстань між електродами складала l 10-2 м.

Розряд у гелії з початковим тиском p0 = 7 Па ініціювався струменем плазми алюмінію з інжектора. Для вказаних параметрів струм розряду має амплітуду Im = 5,7105A і період   ,210-6 с (рис. а). Таким чином, на початку розряду середовище у камері є стратифікованим (rm – зона плазми алюмінію) і має суттєво різні потенціали іонізації страт: 5,7 еВ – для алюмінію та 27,2 еВ – для гелію. Моделювання показало, що саме це обумовлює локалізацію введення енергії в область, зайняту компонентою з низьким потенціалом (rk = rm). У результаті реалізуються високі значення густини струму, питомої об’ємної потужності розряду. Внаслідок цього температура та тиск плазми досягають рівня 1,7105 К та 4,5108 Па відповідно (рис. а та рис. б). Ці показники більш, ніж у 2,5 рази перевищують значення температури і тиску у розрядах в однорідному середовищі.

Характерними особливостями ВЕРКС є мінімізація індуктивності розрядного контуру до значень <10-7 Гн, застосування розрядних камер обмеженого розміру та багатоелектродних систем. Завдяки цьому потужність розряду підвищується до 1012 Вт у діапазоні зміни енергії 103...106 Дж. Якщо згідно (1) за час протікання струму ударна хвиля, відбита від стінки розрядної камери або згенерована у сусідньому міжелектродному проміжку, встигає досягти каналу, необхідне урахування взаємодії ударних хвиль з плазмою розряду.

Рис. . Часові (а) та просторово-часові (б) характеристики розряду в обмеженому обємі циліндричної камери

Аналізувалися процеси у камерах з внутрішнім радіусом (1...2)10-2 м, уздовж осі яких утворено плазмовий канал. Кривим на рис. б відповідають моменти: 1 – 210-6 с; 2 – 410-6 с; 3 – 510-6 с; 4 – 710-6 с; 5 – 910-6 с; 6 – 10-5 с. Показано, що при протіканні струму розряду навколо каналу формується і розповсюджується ударна хвиля (рис.3б, криві 1,2). У момент t = 10-6 с вона досягає стінки камери (крива 3). При цьому тиск на стінці зростає у кілька разів, а напрям руху змінюється на протилежний. Проходження ударної хвилі крізь плазму викликає зменшення радіуса каналу, сприяє підвищенню густини струму, температури і тиску (рис. а). Після колапсу на осі (рис. б, крива 4) ударна хвиля знов рухається до стінки камери, тиск та температура на осі зменшуються (крива 5). Надалі процеси повторюються із загасанням. Таким чином, взаємодія плазми з ударними хвилями впливає на динаміку розряду, змінюючи режими виділення енергії у робочому середовищі, підвищуючи амплітудні і середні значення тиску та температури плазми і середовища за її межами. Показано, що енергоефективність розряду значно зростає у режимі фокусування ударних хвиль на осі камери у моменти максимуму струму, завдяки чому густина струму, питома електропровідність, тиск та температура плазми збільшуються в 1,7…2 рази.

Третій розділ присвячено дослідженню динаміки та енергетики потужних електричних розрядів у ВЕРКС (рис. ) з комбінованим накопичувачем великої енергоємності (індуктивним накопичувачем енергії (ІНЕ) і ударним уніполярним генератором (УУГ) дискового типу) та двохступеневим комутатором-розмикачем у контурі зарядки ІНЕ.

Рис. 4. Схема розрядного контуру з УУГ та ІНЕ

Енергія, накопичена у масі якоря УУГ, дорівнює 6,2106 Дж, її густина (2,8107 Джм-3) є на три порядки більшою, ніж густина енергії ЄНЕ. Як комутатор першого ступеня S2 розглядався механічний розмикач, а другого – розмикач вибухового типу S3. УУГ підмикався у контур замикачем S1, а навантаження під’єднувалося до розрядного контуру розрядником S4 під час комутації розмикача S3. Рівняння розрядного контуру та електромеханіки УУГ (13) –) є граничними умовами рівнянь електродинаміки (2) математичної моделі (2) )

(13)

(14)

(15)

(16)

де – струми у розгалудженнях електричного кола (рис. 4); – електрорушійна сила УУГ; – індуктивності та опори УУГ, шин і комутатора контуру зарядки ІНЕ, першого та другого ступенів розмикача ІНЕ, шин і розрядника контуру навантаження відповідно; – конструктивний коеффіцієнт УУГ; – магнітний потік; - швидкість обертання якоря; – коефіцієнт моменту опору; и – електромагнітний і статичний момент на валу УУГ відповідно; – магнітна індукція; – момент інерції якоря; – енергія, що запасена в уніполярній машині.

Опір дуги механічного розмикача визначається рівнянням

(17)

де – довжина дуги; ,  – швидкість та момент початку розходження контактів; , , – коефіцієнти, що визначаються конструкцією розмикача.

Опір вибухового розмикача апроксимується залежністю

(18)

де – коефіцієнт швидкодії розмикача.

При заданих параметрах установки за час динамічного гальмування 2,610-2 с УУГ віддає у контур енергію 1,8105 Дж, з яких 1,15105 Дж накопичується в ІНЕ. У момент початку розходження контактів механічного розмикача струм генератора дорівнює 2,75105 А, а швидкість якоря зменшується з 580 до 570 радс-1. При швидкості розходження контактів 50 мс-1 тривалість комутації струму I4 з комутатора S2 у розмикач S3 із струмом I5 складає 3,510-3 с. Перемикання струму з S3 в електродну систему, заповнену повітрям атмосферного тиску, відбувається після відновлення електричної міцності комутатора S2. Під час швидкого збільшення напруги на розмикачі круто зростає напруга Up2 на розряднику S4 у контурі навантаження, і після досягнення значення Up2 = 2104 В струм з ІНЕ перемикається у плазмовий канал. Амплітуда струму у каналі розряду досягає 2105А. За час розряду у плазму вводиться більше 40% енергії, накопиченої в УУГ. Вона найбільш ефективно перетворюється у кінетичну енергію середовища та випромінювання на комутаційній стадії розряду, коли температура і тиск плазми досягають максимальних значень 3,3104 К та 7,2106 Па відповідно.

З метою дослідження розрядів мегаджоульного діапазону у режимах, на теперішній час граничних за значеннями потужності (1012 Вт) та питомої енер-гоємності (106 Джм-3), моделювалися процеси у ВЕРКС, що має два з’єднані паралельно УУГ з енергією 6,2106 Дж кожний, ІНЕ енергоємністю 107 Дж, розмикач першого ступеня вибухового типу та електровибуховий комутатор у другому ступені. Параметри всіх елементів розрядного контуру дорівнювали реальним. Для аналізу застосовано формалізований метод чисельного розрахунку електричних кіл. При заданих параметрах струм в ІНЕ досягає значення 1,75106 А у момент t = ,1 с після початку динамічного гальмування генераторів. За цей час УУГ1 і УУГ2 разом віддають у контур енергію 8,56106 Дж. При цьому в ІНЕ накопичується енергія ,6106 Дж. Решта енергії розсіюється на опорах елементів контурів: в ІНЕ 0,61106 Дж, у колах якорів генераторів 0,19106 Дж, у шинах 0,6106 Дж, у вибуховому розмикачі 1,65106 Дж. Час перемикання струму з першого ступеня комутатора у другий дорівнює 210-6 с. За цей час напруга на розряднику досягає пробивного рівня (3105 В). Максимальному значенню струму електровибухового розмикача 1.7106 А відповідає ампулітуда струму у навантаженні Iн=1,35106 А. Комутація струму завершується за час 0,410-6 с. У навантаження виводиться енергія 3,74106 Дж, з них перші 106 Дж енергії – упродовж 1,110-6 с розряду. Маса (104 кг) та габарити (3,0х1,5х1,0 м3) ВЕРКС дозволяють її реалізацію у мобільному варіанті.

Розроблено оригінальну конструкцію розмикача (А.с.1822334) для здійснення бездугової комутації струму у контурі за рахунок зростання як активного опору, так й індуктивності при зміні форми фольгового провідника з циліндра на соленоід під час його руйнування на ребристій перепоні. Показано, що робота розмикача буде ефективною, якщо його параметри (кількість витків n, ширину паза b, ширину ребра перепони d, та ) буде обрано з виконанням умов:

до комутації – ; під час комутації – (19)

де – індуктивність контуру; – індуктивність провідника до комутації; – активний опір навантаження; – тривалість комутації; – внутрішній радіус ребристої перепони; , – коефіцієнти геометрії.

З урахуванням густини струму та розподілу електромагнітних зусиль і застосуванням теорії твердого тіла, що деформується, розроблено математичну модель та виконано аналіз механічних напружень у якорі УУГ у режимі динамічного гальмування. Показано, що міцність якоря УУГ дозволяє його використання у режимах динамічного гальмування, що реалізуються на практиці.

Розроблено конструкцію ВЕРКС зі змінною індуктивністю ІНЕ (А.с. ), що дозволяє одночасно збільшити коефіцієнт корисної дії (ККД) та потужність розряду. В ній забезпечується додаткове введення енергії у плазмове навантаження під час часткової рекуперації у контур енергії циліндричного провідника, набутої ним під час розмикання контуру з ІНЕ. Провідник здійснює під час розширення роботу проти дії пондеромоторних сил у магнітному полі соленоїда ІНЕ. При цьому ККД перетворення енергії зростає на 6Індуктивність ІНЕ зменшується при замиканні його витків циліндричним провідником. Досліджено залежності від часу струму і потужності розряду, тиску та температури плазми. Показано, що у генераторі під час зменшення індуктивності ІНЕ відбувається підвищення цих характеристик в 1,7...2,2 рази за рахунок зменшення постійної розряду н ІНЕ упродовж зниження величини його індуктивності.

Для обґрунтованого вибору енергоефективних режимів роботи ВЕРКС досліджено залежності ККД перетворення енергії, тиску плазми і швидкості руху ударної хвилі від індуктивностей ІНЕ, розмикача та довжини розмикача. Визначено області оптимальних параметрів, при яких залежності мають максимальні значення. Показано, що оптимізовані значення ККД та гідродинамічних характеристик для ВЕРКС слід обирати якомога ближчими до максимальних з урахуванням допустимих значень напруги на електровибуховому розмикачі.

У четвертому розділі наведено метод розрахунку ймовірнісних характеристик пробою газової ізоляції у неоднорідному полі компактних конструкцій високовольтних пристроїв електророзрядних систем. Метод ураховує розподіл електричного поля у проміжку, його збурення мікровиступами шорсткої поверхні електродів, швидкість зміни напруги, розвиток іонізаційних процесів, електрофізичні властивості робочого газу та матеріалу електродів. Чисельний аналіз електростатичного поля виконано у двовимірному наближенні кінцево-різницевим методом верхньої релаксації

(20)

де - відносна діелектрична проникність середовища; - електричний потенціал; , – відповідно радіальна та аксіальна координати.

Ймовірність пробою з Sj ділянки електроду з робочою поверхнею S0 при напрузі U за проміжок часу dt дорівнює

(21)

де – ймовірність появи електрону біля Sj ділянки електроду; – ймовірність пробою внаслідок появи електрону біля Sj.

Через ефект прилипання кількість початкових електронів n0, що утворюються в одиниці об’єму за одиницю часу, ураховується коефіцієнтом g(E/p):

(22)

Необхідні функції коефіцієнтів іонізації Таунсенда та прилипання (, , ), що залежать від роду робочого газу, тиску, матеріалу електродів враховано за результатами відомих експериментальних даних.

Вплив шорсткості електродів на пробій визначається функцією f(h) = Sh/S0, де Sh – площа, яку займають мікровиступи з висотою, більшою за h.

Поле у проміжку збурюється мікровиступами, які апроксимуються напівеліпсоїдами, і визначається уздовж осі x кожного з них співвідношенням,

(23)

де – половина відстані між фокусами еліпсоїду.

При підйомі напруги електронна лавина може утворитися лише з області, що прилягає до мікровиступу. Висота цієї зони xminj зростає із збільшенням напруги. Тому кількість електронів Nj, які з’являються за одиницю часу у межах ділянки Sj і можуть призвести до утворення лавини та ймовірність появи ефективного електрона у її межах за час dt, обчислюються інтегруванням по xminj

(24)

Співвідношення для ймовірності пробою для всього пристрою при зміні напруги від U0 до Uк визначається інтегруванням за всією поверхнею електродів

(25)

Ймовірність пробою qj з Sj ділянки дорівнює відповідному виразу у (25), якщо виконується заданий критерій пробою, або є нулем у протилежному випадку.

У роботі правильність урахування впливу шорсткості електродів на характеристики пробою за методом підтверджена експериментальними даними.

Досліджено характеристики високовольтного повітряного розрядника з тороїдальними робочими поверхнями електродів для електрогідравлічної установки. На рис. а наведено його будову (1, – електроди; 3, 4, 5 – ізолятори). Розподіл електричного поля та залежності ймовірності пробою Q від величини перевищення напругою її пробивного значення ДU=U  Uпр зображено на рис. б та рис. в. Ймовірності пробою (криві 1,2) розраховано для двох значень радіусів робочих поверхней (7,5 мм та 10 мм). Криві , 4 побудовано за результатами експериментальних випробувань. Аналіз розбіжності кривих 1 та 3 (крива 5) дозволив кількісно з’ясувати роль фізико-хімічних процесів у заповненому повітрям міжелектродному проміжку при негативних значеннях U. Показано, що на практиці варто розкиди пробою комутатора оцінювати як подвоєне позитивне перевищення напругою її пробивного значення Uроз=2[U(Q=1)   – U(Q=0.5)]. У свою чергу, напруга Uм, що відповідає межі міцності ізоляції, обчислюється як різниця між U(Q=0.5) та позитивним значенням Uроз/2, тобто Uм = 2U(Q=0.5)   – U(Q=1).

Рис. . Конструкція (а), розподіл електричного поля (б), імовірнісні характеристики пробою (в) розрядника з тороїдальними електродами

На рис. а зображено залежність максимальної напруженості електричного поля Em від радіуса електрода компактного розрядника установки типу „Скіф”, заповненого технічним азотом. Внутрішній діаметр корпусу розрядника dвн обмежений діаметром свердловин (dвн  мм). Розподіл напруженості електричного поля у розряднику залежить не тільки від форми електродів і

Рис. 6. Вплив близького розташування корпусу на максимум напруженості

електричного поля (а) та ймовірність пробою (б) компактного розрядника

довжини міжелектродного проміжку l, але і від відстані h між електродами та корпусом розрядника.

Близькість корпусу впливає не тільки на величину Em, але й на розташування точки з максимальним значенням Em. Причому, при зменшенні h у діапазоні h/l < величина Em швидко зростає. На рис. б наведено обчислені залежності ймовірності пробою від напруги для різних значень l та h. Близькість корпусу розрядника призводить до збільшення розкидів напруг пробою та зниження стабільності роботи ВЕРКС. У роботі обґрунтовано можливість зменшення впливу корпусу на характеристики пробою вибором форми електродів розрядника при однаковій формі і площі їх робочої поверхні.

З метою підвищення енергоефективності ВЕРКС за рахунок зменшення втрат енергії на формування плазмового каналу виконано аналіз характеристик пробою рідини високої питомої електропровідності в електродній системі з формуванням шару рідини низької питомої електропровідності навколо вістря високопотенційного електроду (рис. а). Проміжок між стрижнем електрода 1 та формувачем шару рідини-ініціатора 2 слугує каналом 4, через який ініціатор подається до вістря електрода. Для зменшення втрат енергії електрод ізольовано діелектриком 3.

Моделювання електричного поля постійних струмів в електродній системі виконано у двовимірному наближенні (рис. б) з використанням чисельного методу верхньої релаксації. Наявність шару ініціатора дозволяє у 2...4 рази збільшити значення максимальної напруженості електричного поля Еm. Досліджено залежності Еm від товщини шару ініціатора, питомої електро-

Рис. . Електродна система (а), розподіл напруженості електричного поля в ній (б) та корелюючі залежності напруженості поля Em (розрахунок) і часу запізнення пробою tз (експеримент) від питомої електропровідності рідини-ініціатора (в)

провідності робочого середовища в та ініціатора ін, довжини міжелектродного проміжку l. Показана їх кількісна відповідність результатам осцилографічних та оптичних вимірювань середньостатистичного часу запізнення пробою tз. Так, зменшенню Em при збільшенні значень ін (рис. в) відповідає зростання величин tз. Результати моделювання, підтверджені оптичною реєстрацією пробою, дозволили обгрунтувати зменшення на порядок передпробивних втрат енергії.

У п’ятому розділі наведено дослідження електричної міцності газової та вакуумної ізоляції ВЕРКС в електричних полях високої напруженості та в режимах роботи з високою частотою проходження імпульсів. Особливістю розрахунку характеристик пробою газів у полі з напруженістю E106 В/м є урахування у методі (20) –) сукупності механізмів появи вільних електронів в об’ємі міжелектродного проміжку. У полі з E <106 В/м величина n0 ? 12м-3с-1, що входить у (24, ), визначається, головним чином, рівнем природної радіації. У полі дуже великої напруженості E 107 В/м основним механізмом появи вільних електронів є автоелектронна емісія. В цьому випадку згідно методу значення n0 обчислюються з урахуванням теорії Фаулера-Нордгейма

(26)

(27)

де , – густина струму емісії при абсолютному нулі і температурі поверхні, що емітує електрони, відповідно; Tinv – температура інверсії; – постійна Планка; – постійна Больцмана; – робота виходу електрону; – функція Нордгейма; – кількість електронів, емітованих за одиницю часу.

При напруженостях 5106 Е 3107В/м  суттєвими є механізми утворення вільних електронів, пов’язані з емісією крізь діелектричні плівки та скраплені сполуки речовин, що утворюються на електродах, та з абсорбцією газів на поверхні