CC BY
5УДК 537.522
Будагова Н.В.
научный сотрудник Научно-Исследовательский Институт Воды и Мелиорации
(г. Баку, Азербайджан)
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ В ВОДНО-ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ
Аннотация: в данной статье рассматривается актуальная проблема, связанная с электрическими разрядами в водно-воздушной среде. Этот феномен оказывает значительное воздействие на различные аспекты человеческой деятельности, начиная от электротехнических систем и заканчивая безопасностью во время грозовых условий. Целью данного исследования является проведение анализа характеристик электрических разрядов в водно-воздушной среде с целью более глубокого понимания этого явления.
Ключевые слова: водно-воздушная среда, электрический разряд, фотоэлектронные умножители, спектральные характеристики.
Разряды в водно-воздушной среде - это сложные электрические явления, которые могут возникать при взаимодействии воды и воздуха под действием электрического поля. Эти разряды могут возникать при различных условиях, например, при грозе, облаках или при работе электрооборудования во влажной атмосфере.
К характеристикам водно-воздушных разрядов относятся такие параметры, как напряжение разряда, интенсивность, скорость распространения, температура и энергия, выделяющаяся в процессе разряда. Эти параметры могут изменяться в зависимости от условий окружающей среды, характеристик электрического поля, размеров разрядной системы и других факторов.
Изучение особенностей разрядов в водно-воздушной среде имеет большое практическое значение, поскольку эти явления могут вызывать
различные последствия, в том числе травмы людей и животных, повреждения электросистем, пожары и другие негативные последствия. Понимание процессов, лежащих в основе выбросов в таких условиях, позволяет разработать эффективные методы защиты от них и повысить безопасность соответствующих применений.
Характеристики электрических разрядов в водно-воздушной среде существенно влияют на их поведение и результаты. Одним из основных параметров является напряжение разряда. Это определяет напряженность электрического поля, влияющую на возникновение и поддержание разряда. Интенсивность разряда отражает мощность и энергию, выделяющуюся в процессе разряда, и может быть важным фактором при оценке его воздействия на окружающую среду и технические системы.
Важную роль также играют температура и энергия разряда. Высокие температуры нагнетания могут воспламенить окружающие материалы и создать опасные условия для людей и оборудования. Энергия разряда определяет его способность преодолевать сопротивление окружающей среды и проникать в материалы, что может привести к их повреждению и разрушению.
Различные формы и виды сбросов в водно-воздушную среду могут иметь разные характеристики и последствия. Это могут быть молнии, электрические дуги, коронные разряды и другие. Каждый из них имеет свои особенности и требует особого подхода к анализу и прогнозированию.
Озонирование широко используется среди экологически чистых технологий очистки воды. Озон — мощный окислитель, получаемый в промышленных масштабах из воздуха или кислорода методом электрического разряда. По сравнению с традиционным озонированием повышение эффективности очистки воды возможно при совместном использовании озона и других активных частиц, а также выделяющихся ультрафиолетовых лучей. С этой точки зрения интерес представляют разряды во влажном воздухе и водно-воздушной среде.
Одним из наиболее перспективных и практически простых методов электроразрядной очистки воды является использование импульсного барьерного разряда в водно-воздушном потоке [4].
Известно, что если хотя бы один из электродов покрыт диэлектриком, то возникает газобарьерный разряд, возникающий под действием приложенного к электродам напряжения [5]. Перенос заряда в таком разряде происходит в отдельных каналах, называемых микроразрядами, распределенных по всему объему межэлектродного пространства.
Метод эмиссионной спектроскопии дает достоверную информацию не только о наличии частиц, для которых достаточна энергия разряда, но и о средней энергии электронов, температуре плазмы и напряженности электрического поля.
Спектры излучения записывались с помощью монохроматора МДР-2 (рис. 1а). Для регистрации спектров использовались фотоэлектронные умножители (ФЭУ) с диапазонами чувствительности от 200 до 650 нм и от 400 до 800 нм. Перед экспериментами ФЭУ калибровался с использованием эталонных источников излучения. Сигнал ФЭУ усиливался селективным усилителем В6-9 и подавался на вход запоминающего осциллографа (С9-8, Tektronix TDS-220). Таким образом, установка позволила исследовать спектр излучения барьерного разряда в диапазоне длин волн (200-800 нм) [1, 2].
Для питания электродной системы использовался генератор наносекундных импульсов, состоящий из низковольтного тиристорного блока и высоковольтных магнитных компрессионных связей, формирующих выходной импульс [6]. Выходная емкость генератора составляла 150 пФ. На электроды подавалось импульсное напряжение амплитудой 15...30 кВ, длительностью импульса 500...600 нс и частотой повторения 1 кГц.
В ходе экспериментов контролировались электрические параметры установки - ток, напряжение и выходная мощность. Измерения проводились с использованием резистивного делителя, токового шунта малой индуктивности и осциллографа Tektronix TDS220 с полосой пропускания до 100 МГц. На рисунке
1(б) показаны формы сигналов I и U в электродной системе.
Рис. 1. Схема установки для наблюдения спектральных характеристик разряда (а) и осциллограмм тока и напряжения в разряде (б).
По осциллограммам определялось напряжение барьерного разряда около 16,5 кВ для использованной в экспериментах электродной системы. При этом напряжении было зафиксировано появление заметных концентраций озона на выходе прибора, а также появилось свечение разрядной полости. При достижении напряжения разряда ток в цепи резко возрастал. Энергия, поступающая в разрядную полость, составила 45 мДж/импульс при напряжении ^25 кВ, рассчитанная путем интегрирования осциллограмм тока и напряжения.
Барьерный разряд в сухом воздухе и воздухе, насыщенном водяными парами, состоял из множества микроразрядов. Введение капель воды привело к заметному изменению электрических свойств системы: уменьшению разрядного напряжения, а также увеличению разрядного тока на 20%.
Спектр излучения плазмы барьерного разряда исследовался в диапазоне длин волн (200...800 нм). На рис. 2 показан спектр разряда в водно-воздушной среде при атмосферном давлении.
Рис. 2. Спектр излучения системы воздух-вода при барьерном разряде.
На рисунке видно, что большинство полос излучения различной интенсивности расположены в диапазоне длин волн от 290 до 460 нм. В спектральном поле регистрируются широкие полосы излучения малой интенсивности с длиной волны 500...800 нм.
По итогам нашего исследования мы сделали ряд важных выводов, которые помогают лучше понять особенности электрических разрядов в водно-воздушной среде. Во-первых, мы обнаружили, что эти разряды имеют сложную динамику и зависят от многих факторов, включая параметры окружающей среды и электрическое поле. Понимание особенностей сбросов позволяет разработать эффективные методы предотвращения и защиты их негативных последствий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Rzayeva S. V., Ganiyeva N. A. Application of Emission Spectra to Study Characteristics of a Barrier Discharge //The 18th International Conference on Technical and Physical Problrms of Engineering (ICTPE). - 2022. - Q 119-123;
2. S.V. Rzayeva N.A. Ganiyeva N.M. Piriyeva Investigation of characteristics of a barrier discharge in a water-air environment // International Journal on "Technical and Physical Problems of Engineering" (IJTPE). June 2023, Issue 55, Volume 15, No 2, pp. 44-49;
3. A.K. Shuaibov, L.L. Shimon, A.I. Dashchenko, I.V. Shevera, "Optical Characteristics of the Plasma of a Glow Discharge in a He/H2O Mixture", Plasma Physics Reports, 2001;
4. Ono R., Oda T. Dynamics of ozone and OH radicals generated by pulsed corona discharge in humid-air flow reactor measured by laser spectroscopy // J. Appl. Phys. -2003. - V. 93. - № 10. - P. 5876-5882.
Budagova N.V.
Water and Reclamation Scientific Research Institute (Baku, Azerbaijan)
ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF ELECTRICAL DISCHARGES IN A WATER-AIR ENVIRONMENT
Abstract: article discusses the current problem associated with electrical discharges in the water-air environment. This phenomenon has significant impacts on various aspects of human activity, ranging from electrical systems to safety during lightning conditions. The purpose of this study is to analyze the characteristics of electrical discharges in a water-air environment in order to better understand this phenomenon.
Keywords: water-air medium, electric discharge, photomultipliers, spectral characteristics.
