CC BY
233
УДК 622.243
ИМПУЛЬСНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВОДЫ И ГРАНИТА
В.Ф. Важов, Н.В. Козлова
Томский политехнический университет E-mail knv66@mail.ru
Проведены исследования вольтсекундных характеристик воды и гранита при пробое на спаде косоугольного импульса напряжения с целью реализации электроимпульсного эффекта. Показана возможность 100% пробоя воды и гранита в определённом временном интервале. При этом пробивные напряжения гранита на спаде в 1,5 раза меньше, чем при пробое на фронте.
Ключевые слова:
Вольтсекундные характеристики, спад напряжения, вода, гранит.
Исследования закономерностей поведения вольтсекундных характеристик (ВСХ) жидких и твёрдых диэлектриков, проведённые в конце 50-х начале 60-х гг. прошлого века, привели к обнаружению эффекта инверсии их электрической прочности в микросекундном диапазоне времён воздействия импульсного напряжения [1, 2]. Этот результат был зарегистрирован как научное открытие [1].
На базе этого открытия разрабатывается целый ряд электроимпульсных технологий разрушения твёрдых диэлектрических и полупроводящих материалов. В частности, бурение и резание горных пород и искусственных материалов [2].
Вольтсекундные характеристики жидких и твёрдых диэлектриков для реальных условий электроимпульсных технологий позволяют определить диапазон времени воздействия импульса напряжения, при котором ещё возможен электроимпульсный эффект.
В абсолютном большинстве литературных источников вольтсекундные характеристики жидких диэлектриков и воды получены для электродных систем «остриё-плоскость» или «остриё-остриё» [1-7]. При этом отмечается, что большое влияние на величину разрядного напряжения оказывают геометрические размеры электродов, их расположение, расстояние между электродами [4]. Форма и расположение электродов на одной поверхности образца, необходимые для электроимпульсной технологий, таких как резание, бурение и других (рис. 1), коренным образом отличаются от приведённых в литературе. Поэтому использование литературных данных для конкретных электроимпульсных технологических устройств представляет определённые трудности.
Реализация электроимпульсного эффекта в технологиях осуществлялась при использовании косоугольных импульсов напряжения со спадом его на хвосте импульса до нуля. При этом пробой происходит на фронте импульса напряжения [2, 5, 6]. Имеется упоминание о возможности электроимпульсного эффекта на прямоугольных импульсах с наносекундным фронтом [2]. Проведены исследования и показано практическая применимость для электроимпульс-ных технологий пробоя твёрдых диэлектриков и горных пород на спадающей части (хвосте) косоугольного импульса. Но при этих условиях в них отсутствуют вольтсекундные характеристики жидких диэлектриков и, в частности, воды, что не позволяет определять временной диапазон, в котором может осуществляться электроимпульсный эффект. Поскольку электроим-
Важов Владислав Фёдорович, доцент Института физики высоких технологий ТПУ. E-mail: vashov@tpu.ru Область научных интересов: электроимпульсный пробой твердых и жидких диэлектриков.
Козлова Наталия Владиславовна, старший преподаватель кафедры экономики инженерно-экономического факультета ТПУ.
E-mail: nvkozlova@tpu.ru Область научных интересов: водные ресурсы, особенности их оценки.
пульсные технологии разрушения твёрдых тел осуществляются в жидкой среде, то наиболее доступной и технологичной жидкостью является пресная вода. Поэтому все исследования в данной работе проведены в воде.
Источником высоковольтных импульсов являлся генератор импульсных напряжений Аркадьева-Маркса (ГИН) с номинальным напряжением 500 кВ, разрядной ёмкостью 35-10"9 Ф и энергией в разряде 4375 Дж. Длительность фронта импульса на холостом ходу ГИН составляла ^ = 0,15-10"6 с, а длительность импульса до полуспада ^ = 50,040"6 с. Испытания проводились в изолированном от «земли» диэлектрическом баке, который заполнялся водой с различным удельным сопротивлением р. В бак помещалась испытательная ячейка, состоящая из двух электродов типа «стержень-стержень» с плоскими торцами, расположенных под углом друг к другу (рис.1). Стержни одинаковых размеров диаметром 10 мм и длиной 150 мм. Выбор формы, размеров и расположения электродов обусловлен требованиями электроимпульсных технологий бурения, резания и др., когда электроды располагаются на одной поверхности разрушаемого материала. На каждой ступени напряжения производилось не менее 10 пробоев и определялось среднее значение пробивного напряжения Uпр и время до пробоя ^р. Пробой воды осуществлялся без образца гранита. В процессе испытаний р воды периодически контролировалось для каждой ступени напряжения.
1
Н
г////////////////////.
гУушушУушушУушУушушУушушУушУушушУушушУушУушу'ТушушУушУушушУушушУушУушушУушушУушУушуш,
4
3
2
Рис. 1. Эффект внедрения канала разряда в твердый диэлектрик (горная порода): 1 - электроды; 2 - горная порода; 3 - канал разряда; 4 - жидкость; Р - ударные волны от канала разряда; Н -глубина внедрения
Суть метода определения вольтсекундных характеристик на спаде импульса напряжения состоит в следующем. Фронт и длительность импульса напряжения остаются неизменными, изменяется только амплитуда импульса. При этом пробой происходит на спадающей части [8]. Напряжение пробоя соответствует амплитудному значению импульса, а время до пробоя определяется по резкому уменьшению напряжения на спаде импульса. Преобладающее большинство исследований механизма пробоя и электрической прочности жидкостей выполнено на положительной полярности потенциального электрода, поскольку этот случай соответствует минимальной электрической прочности жидкостей [4]. Основные результаты получены нами также для положительной полярности импульса в диапазоне расстояний между электродами S = 10^90 мм.
На рис. 2 приведены осциллограммы импульсов напряжения на холостом ходу ГИН (кривая 1), при пробое воды р>4-103 Ом-см (кривая 2), отсутствие пробоя в воде с р<2-102 Ом-см (кривая 3). В результате низкого удельного сопротивления воды р и большой диэлектрической постоянной (е = 81) происходит изменение параметров импульса холостого хода при воздействии его на электродную систему в воде: фронт импульса за счёт большой е увеличивается до 2-10-6 с, длительность импульса за счёт низкой р воды уменьшается в зависимости от р (кривые 2, 3).
Рис. 2. Осциллограммы импульсов напряжения 1) холостой ход ГИН; 2) пробой воды р>4,1-103 Ом-см; 3) отсутствие пробоя воды р< 2-102 Ом-см
Потери энергии в нагрузке (на электродах в воде) вызывают уменьшение амплитуды импульса напряжения практически на 50 кВ для воды с р>4,1-103 Ом-см. Подобные изменения параметров импульса напряжения имеют место в электроимпульсных технологиях [9-11], поскольку энергетические характеристики ГИН, используемого нами в экспериментах, соответствовали применяемым в технологических схемах.
Процессы зажигания и развития канала пробоя в жидких и твёрдых диэлектриках на импульсном напряжении имеют стохастическую природу и вероятностный характер, что наиболее характерно для электроимпульсного эффекта. Вероятностный характер развития канала разряда проявляется также в том, что в определённом интервале при увеличении времени воздействия импульса напряжения уменьшается вероятность пробоя среды вплоть до полного непробоя. С точки зрения электроимпульсных технологий наибольший интерес представляет определение времени воздействия напряжения, при котором осуществляется 100 % пробой, обеспечивающий наибольшую эффективность разрушения твёрдых тел (горных пород). Горная порода - гранит выбрана нами в качестве модельного материала, как наиболее распространённого в природе и обладающего высокой механической прочностью. Образцы гранита вырезались из одного блока. Размеры образцов достигали значений (200*200* 100) мм3.
Экспериментальные данные по электрической прочности даже «предельно чистых» жидкостей очень разнообразны [4]. Вопреки распространённому мнению, уменьшение электропроводности воды очень тщательной очисткой не является эффективным способом повышения электрической прочности изоляционных конструкций [12].
На рис. 3 приведены ВСХ воды с удельным сопротивлением р = 4,1-103 Ом-см при пробое на спаде импульса напряжения Uпр для электродной системы, показанной на рис. 1, и с расстояниями между электродами S = 10^90 мм. Увеличение времени до пробоя ^ приводит к сближению ВСХ для разных S, т. е. пробивные напряжения приближаются к напряжению зажигания разряда в воде. Известно, что напряжение зажигания канала разряда в жидкости слабо зависит от длины межэлектродного промежутка при изменении её в широких пределах (1^17)
см [12]. На рис. 3 пунктиром отмечены временные уровни 100 % пробоя воды для всех S. При изменении S в 9 раз напряжение, соответствующее 100 % пробою изменяется на 55 кВ или в 1,44 раза. Время, соответствующее 100 % уровню пробоя, изменяется от 4-10"6с до 6,4-10"6 с или в 1,6 раза. С учётом большой дисперсии времён до пробоя можно предположить, что это изменение не существенно.
ипр. кВ
500
400
300
200
100 о
10"' 2 4 6 8 10 ” 2 4 6 8 10 ~ Шр.с
Рис. 3. Вольтамперные характеристики воды р = 4,1-103 Ом-см 1) S = 10 мм; 2) S = 20 мм; 3) S = 50 мм; 4) S = 90 мм; 5) S = 50 мм, р = 3-105 Ом-см, электроды острие-плоскость, пробой щ фронте
На рис. 4 приведены ВСХ воды для разных удельных сопротивлений при S = 20 мм (кривые 1, 2). Из кривых 1, 2 следует, что с уменьшением удельного сопротивления воды, её пробивные напряжения возрастают при одинаковом времени до пробоя.
Цпр. кВ
400
300
200
100
10-7 2 4 6 8 10 6 2 4 6 8 10'* їпр.с
Рис. 4. Вольтсекундные характеристики воды и гранита при S = 20 мм 1) р = 4,1-103 Ом-см; 2) р = 1,8^103 Ом-см; 3) гранит, пробой на спаде; 4) гранит пробой на фронте
Этот эффект, в первую очередь, обусловлен скоростью спада напряжения. Литературные данные о влиянии р на электрическую прочность жидкостей с повышенной проводимостью противоречивы [4, 12]. Электрическая прочность (пробивное напряжение) жидкостей с повышенной проводимостью может определяться не столько физическими процессами в разрядном промежутке, сколько зависящей от р и параметров разрядного контура деформацией импульса [4, 12]. С этим предположением авторов можно согласиться.
Необходимо отметить, что временной интервал 100 % пробоя воды практически не зависит от её удельного сопротивления в исследованном нами диапазоне р (кривые 1, 2).
Вышеприведённые предположения подтверждаются при сравнении литературных ВСХ (рис. 3, кривая 5) для р = 3-105 Ом-см при пробое на фронте импульса и результатов, полученных нами (кривая 3) для р = 4,1-103 Ом-см при пробое на спаде импульса. Также для кривой 3 пробивные напряжения в изучаемом временном диапазоне выше, чем для кривой 5. В данном случае свою роль играет и разная форма электродов в этих экспериментах, но тенденция сохраняется. Анализ пробивных напряжений воды в резко неоднородных полях при одинаковых условиях испытаний на фронте и спаде импульсов напряжения показывает, что пробивные напряжения практически одинаковы, что обусловлено механизмом возникновения и развития канала разряда в жидкости.
Реализация пробоя на спаде импульса напряжения даёт наибольший эффект для горных пород [7, 8]. Исследования механизма пробоя твёрдых диэлектриков, проведённые в работе [7], показали, что напряжение зажигания канала разряда в твёрдых диэлектриках в 2,5-3 раза ниже, чем напряжение пробоя на фронте. Мы предполагаем, что подобного эффекта можно достичь и при электроимпульсных технологиях разрушения горных пород, осуществляя пробой на спаде и оптимизируя соответствующим образом форму и параметры импульса напряжения.
Нами получены ВСХ гранита для всех, указанных выше, расстояний между электродами. На рис. 4 приведены ВСХ пробоя гранита в воде на спаде импульса (кривая 3) и при пробое на фронте (кривая 4) для S = 20 мм. Пробивные напряжения при пробое на спаде существенно меньше (приблизительно в 1,5 раза), чем при пробое на фронте. Это чрезвычайно важный эффект для электроимпульсных технологий, поскольку позволяет значительно снизить рабочие напряжения генераторов и передающих систем, что уменьшает как массогабаритные параметры технологических установок, так и повышает их надёжность и срок службы. Кроме этого, во всём временном диапазоне, характерном для электроимпульсных технологий при рассматриваемом расстоянии между электродами, реализуется 100 % пробой гранита, в то время как при пробое на фронте вероятность пробоя гранита не превышает 80 % [13]. Зависимости пробивного напряжения от расстояния между электродами, при одинаковом времени до пробоя, представлены на рис. 5.
Пробивные напряжения воды (рис. 5, кривая 1) в исследованном диапазоне расстояний между электродами существенно выше, чем для гранитов (рис. 5, кривые 2, 3, 4), что обусловливает высокую вероятность внедрения канала разряда в горную породу. Этот эффект возрастает с увеличением расстояния. Граниты отличаются физико-механическими и структурными свойствами. Например, для кривой 2 удельная механическая прочность гранита при одноосном сжатии составляет 180 МПа, для кривой 3 - 140 МПа, а для кривой 4 - 233 МПа. Известно, что увеличение механической прочности горных пород вызывает увеличение пробивного напряжения [2, 14]. Тем не менее, при пробое гранита на спаде (кривая 4) пробивные напряжения в 1,5 раза ниже по сравнению с кривой 2, даже не смотря на то, что механическая прочность этого гранита в 1,29 раза выше. Кроме этого, увеличение расстояния между электродами вызывает быстрое насыщение пробивных напряжений при пробое на спаде (кривая 4), в результате эффективность снижения напряжения в этом случае возрастает с увеличением расстояния между электродами.
Рис. 5. Зависимость пробивного напряжения воды (р = 4,1-103 Ом-см) от расстояния между электродами при ^р = 0,5^10"6 ^ 1) вода р = 4,1-103 Ом-см; 2) гранит, пробой на фронте; 3) гранит, пробой на фронте; 4) гранит пробой на спаде
Выводы
Исследования ВСХ воды и гранита при пробое на спаде импульса напряжения с целью реализации электроимпульсного эффекта показало, что имеет место 100 % пробой в соответствующем временном интервале для всех исследованных расстояний между электродами.
Электрическая прочность воды при 100 % пробое во всём диапазоне времён воздействия импульса напряжения и расстояний между электродами существенно выше, чем гранита. Уменьшение удельного сопротивления воды до 1,8-103 Ом-см вызывает увеличение пробивного напряжения, что обусловлено схемными и энергетическими параметрами генератора импульсов, соответствующего технологическим применениям.
Величина пробивного напряжения гранита на спаде импульса напряжения значительно меньше (в 1,5 раза и более), чем при пробое на его фронте, что обусловлено физическими особенностями развития канала разряда на спаде в жидком и твёрдом диэлектриках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воробьёв А.А., Воробьёв Г.А., Чепиков А.Т. Закономерности пробоя твёрдого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульса напряжения // Свидетельство на открытие № А-122 от 29.04.1998 г. с приоритетом от 14.12.1961 г.
2. Сёмкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - СПб.: Наука, 1995. - 276 с.
3. Балыгин И.Е. Электрическая прочность жидких диэлектриков. - М., Л.: Энергия, 1964. - 228 с.
4. Ушаков В.Я., Климкин В.Ф., Коробейников С.М., Лопатин В.В. Пробой жидкостей при импульсном напряжении. - Томск: Изд-во НТЛ, 2005. - 488 с.
5. Воробьёв А.А., Воробьёв Г.А., Заводовская Е.К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород. - Томск: Изд-во ТГУ, 1971. - 225 с.
6. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. -Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002. - 324 с.
7. Кузнецов Ю.И. Исследование пространственно-временных характеристик импульсного электрического разряда в каменной соли: дис. канд. физ.-мат. наук. - Томск, 1974. - 159 с.
8. Жгун Д.В. Исследование электроимпульсного пробоя и разрушения гранита и бетона в воде: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2000. - 23 с.
9. Техника высоких напряжений / под ред. П.И. Сиротинского. - М., Л.: ГЭИ, 1940. - 352 с.
10. Важов В.Ф., Дацкевич С.Ю., Журков М.Ю., Муратов В.М. Электроимпульсный способ бурения и резания горных пород // Становление и развитие научных исследований в высшей школе: Труды Междунар. науч. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2GG9. - Т. 2. - С. 209-214.
11. Усов А.Ф., Сёмкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные процессы в установках электроимпуль-сной технологии. - СПб.: Наука, 2000. - 16G с.
12. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. - Томск: Изд-во ТГУ, 1975. -190 с.
13. Жгун Д.В., Борисенко С.В. Электроимпульсный пробой твёрдых диэлектриков // Современные техника и технологии: Труды VI Междунар. научно-практ. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2000. - С. 350-351.
14. Брылин В.И. Бурение скважин специального назначения. - Томск: Изд-во ТПУ, 2GG9. - 255 с.
Поступила 07.11.2011 г.
