CC BY
191
Технические науки
УДК 621.3.048
ИМПУЛЬСНЫЕ РАЗРЯДЫ В ВАКУУМЕ И ГАЗАХ. (Достижения высоковольтников ТПУ за 60 лет)
В.Я. Ушаков
Томский политехнический университет E-mail: rcr@tpu.ru
Обобщены основные результаты исследования механизма импульсного пробоя технического вакуума в больших промежутках, а также электрической прочности вакуума и сжатых газов при разряде в их объеме и по поверхности твердых диэлектриков. Приведены основные параметры высоковольтных элементов, разработанных в ТПИ (ТПУ) на основе этих результатов: электронной пушки сильноточного ускорителя на 3 МэВ, электроразрядного СО2-лазера, обостряющего газонаполненного разрядника на напряжение 3 МВ.
Введение
Официальной датой рождения в Томске научной школы по высоковольтной технике следует считать дату основания в Томском политехническом институте кафедры «Техника высоких напряжений» - 12 марта 1946 г. Одним из основных направлений научных исследований и технологических разработок представителей этой школы было создание научных основ проектирования и эксплуатации изоляции высоковольтного оборудования и технологических применений электрического разряда в качестве «рабочего института». При этом приоритет был отдан высоковольтной импульсной технике и, соответственно, проблемам поведения диэлектрических материалов и сред при воздействии сильных импульсных электрических полей, а также природе и характеристикам импульсных электрических разрядов.
Основные результаты этих исследований обобщены в ряде монографий сотрудников кафедры техники высоких напряжений (ТВН) и НИИ высоких напряжений [1-11] и в трудах конференций, проведенных, в том числе, в Томском политехническом институте [12, 13]. Частично они отражены в исторических очерках [14, 15]; более подробно - в специальном выпуске журнала «Известия вузов. Физика» [16], посвященном 100-летию со дня основания Томского политехнического университета.
1. Вакуумные разряды и изоляция
Исследования электрического пробоя вакуума на кафедре ТВН начаты Г.М. Кассировым в 1961 г. и были ориентированы на изучение изоляционных
характеристик вакуума при воздействии высоковольтных импульсов микро- и наносекундной длительности. Необходимо отметить, что работы по на-носекундному пробою вакуума были, фактически, пионерными. Непосредственным стимулом для начала этих работ послужили первые обнадеживающие результаты реализации идеи А.А. Воробьева, Г.А. Воробьева, А.Т. Чепикова [17] использовать импульсный разряд в твердых непроводящих материалах для бурения скважин и разрушения (дезинтеграции) минералов и искусственных материалов. Наряду с жидкостями и сжатыми газами, вакуум рассматривался как потенциальная среда для реализации этих процессов. Установленные в экспериментах низкие значения напряжения пробоя по поверхности твердых диэлектриков в вакууме даже при воздействии коротких импульсов напряжения с одной стороны, показали бесперспективность этого направления поисков, а с другой, показали, что перекрытия по поверхности твердого диэлектрика, как неотъемлемого компонента несущей конструкции высоковольтных вакуумных установок, ограничивают уровень рабочих градиентов.
Открытие явления взрывной эмиссии электронов [18], достижения в области газовых и вакуумных разрядов, электротехники, техники высоких напряжений, изоляционной техники обеспечили выдающиеся успехи в сооружении и применении сильноточных ускорителей электронов прямого действия (СЭУ). Стремление снизить массогаба-ритные показатели СЭУ, повысить эффективность их работы обусловливает форсированные режимы работы электрической изоляции. Применительно к вакуумному промежутку диода ускорителя этот
режим работы не может быть ослаблен в принципе из-за необходимости реализации взрывной эмиссии электронов с катода. Тяжелые условия работы изоляции СЭУ, необходимость повышения ее надежности и сроков службы стимулировали всплеск интереса во многих научных центрах к проблеме повышения электрической прочности вакуумной изоляции в мегавольтном диапазоне, которая среди других изоляционных систем СЭУ является наиболее слабым звеном. После более чем десятилетней паузы работы по импульсному пробою вакуума в ТПИ были возобновлены в начале 70-х гг. Г.М. Кассировым и сотрудниками созданной им в НИИ ВН лаборатории (Г.В. Смирнов, А.А. Емельянов, Ф.Г. Секисов, Г.П. Кокаревич, В.И. Фель, А.Я. Филатов, Б.К. Ясельский, В.Н. Чекрыгин).
Эти исследования были ориентированы на изучение физического механизма вакуумных разрядов в больших (сантиметровых) вакуумных промежутках в техническом вакууме, а также на получение разрядных (электропрочностных) характеристик вакуумных промежутков, в том числе по поверхности твердых диэлектриков. Прикладная часть работ включала разработку, изготовление, испытание различных конструкций вакуумных секционированных изоляторов электронных пушек (диодов) СЭУ микросекундного диапазона на напряжение до 3 МВ, разработку методов кондиционирования (тренировки) этих устройств и методов их расчета.
Для решения этих задач были созданы вакуумные испытательные стенды на напряжение до 3 МВ, оснащенные необходимой измерительной и диагностической аппаратурой (осциллографы, масс-спектрометры, спектрографы и др.).
За два десятилетия в лаборатории были получены важные результаты, которые, согласно [19], можно сформулировать следующим образом.
1. Установлены отсутствие запаздывания разрядного процесса относительно фронта высоковольтного импульса даже при минимальных перенапряжениях и наличие двух стадий роста тока - линейной и экспоненциальной.
2. Экспоненциальный рост тока на фронте микроразряда в диапазоне пяти порядков в техническом вакууме обусловлен возникновением в приэлектродных зонах динамических областей повышенного давления газов и развитии в них ионизационных процессов, носящих объемный характер. Ионизационные процессы более интенсивны у катода, что указывает на определяющую роль катодных явлений в формировании импульсных высоковольтных разрядов в вакууме.
3. При достижении в микроразряде плотности тока на катоде порядка 0,2 А/см2, разрядный процесс переходит в стадию быстрого необратимого роста тока вследствие взрыва неоднородностей катодной поверхности, возникновения факелов металлической плазмы и взрывной эмиссии электро-
нов. Впервые установлено, что микроразряды подготавливают условия для возникновения взрывной эмиссии электронов и участвуют в инициировании пробоя технического вакуума.
4. Обнаружен минимум импульсной электрической прочности больших вакуумных промежутков при длительности высоковольтных импульсов в несколько десятков мкс в слабонеоднородном поле (40...50 кВ/см), вызванный наиболее благоприятными условиями развития газодинамических и ионизационных процессов в вакуумном промежутке.
5. Зависимость электрической прочности сантиметровых промежутков в техническом вакууме от давления остаточных газов в области давлений 10-3...10-2 Па наиболее отчетливо проявляется при больших площадях поверхности электродов и при времени воздействия напряжения в десятки и сотни микросекунд, то есть в тех условиях, когда длительность импульса совпадает с характерными временами теплового движения в промежутке десорбированного с электродов газа.
6. С учетом участия газодинамических процессов, развивающихся при пробое технического вакуума, и условий эвакуации десорбированных газов из области сильного электрического поля дано качественное объяснение «эффекту полного напряжения» и «эффекту площади электродов».
7. Пробой (перекрытие) по поверхности твердого диэлектрика в вакууме в основных чертах аналогичен таковому для вакуумных промежутков. Развитию пробоя при напряженности поля в несколько раз меньшей, чем в вакуумных промежутках и за более короткое время способствуют десорбированные с поверхности диэлектрика газы и затрудненные условия их эвакуации из области сильного электрического поля.
8. В катодном контакте металл-диэлектрик задолго до пробоя возникают плазменные образования, которые, как и при пробое вакуумных промежутков, указывают на решающее влияние при поверхностном пробое катодных процессов.
9. Разработаны, изготовлены и смонтированы в уникальные ускорители вакуумные секционированные изоляторы на 3 МВ для работы в микросекундном диапазоне длительностей высоковольтных импульсов. Длительная и интенсивная эксплуатация этих устройств показала их высокую надежность, рис. 1.
10. Предложена конструкция вакуумного изолятора с глубокой деформацией электрического поля, способного при мегавольтном напряжении и длительности импульсов 0,5 мкс работать при напряженностях электрического поля до 40 кВ/см. Эффект достигнут за счет резкого увеличения неоднородности поля на части потенциальных элементов ради повышения электрической прочности конструкции в целом.
Рис. 1. Корпус электронной пушки на 3 МВ с секционированной полиэтиленовой изоляцией и принудительным выравниваем распределения напряжения
Поиск в последние годы сфер технологического применения знаний и опыта, накопленных при исследовании механизма пробоя вакуума в больших разрядных промежутках, при разработке высоковольтных вакуумных конструкций привел к разработке в НИИ ВН (Г.А. Кассиров, Ф.Г. Секисов, О.В. Смердов) способа сушки древесины в поле электрического разряда при пониженном давлении. Показано, что этот разряд устойчиво горит в межэлектродном промежутке, содержащем древесину, при давлении 10-3...10-1 МПа, напряжении 15 кВ и влажности древесины: 40.50 % (постоянное напряжение), 30.40 % (переменное напряжение частотой 50 Гц), 15.20 % (импульсы длительностью 2.10-7.4.10-5 с). Эта технология позволяет в 2.10 раз сократить время сушки по сравнению с конвективной, и является наиболее экономически эффективной для сушки материалов толщиной более 60 мм.
2. Газовый разряд и газоразрядные устройства
и технологии
Как отмечено выше, на первых этапах разработки электроимпульсной технологии газы под давлением рассматривались как одна из возможных сред, в которой осуществляется технологический процесс - внедрение разряда в твердое тело и последующее расширение канала, сопровождающееся формированием ударных волн. Были исследованы вольтсекундные характеристики воздуха, га-
зовых смесей и паров при повышенных давлениях и температурах [12]. После того как стало ясно, что наиболее подходящей рабочей и шламоудаляющей средой являются жидкости, включая воду, интерес к пробою газов на каф. ТВН и в НИИ ВН был исчерпан. Он вновь возник в конце 60-х - начале 70-х гг. прошлого века в связи с развитием мощной импульсной энергетики.
Одним из ответственных элементов источников высоковольтных импульсов большой мощности является коммутатор, который в значительной мере определяет КПД источника, точность синхронного его включения с другими источниками, а также мощность, развиваемую на объекте. В зависимости от конкретных применений, в качестве изолирующей и рабочей среды целесообразно использовать газы, жидкости или твердые диэлектрики. Поскольку газы и газовые смеси под повышенным давлением обладают рядом достоинств как среда для искровых коммутаторов, в течении двух десятилетий сотрудники НИИ ВН и аспиранты каф. ТВН под руководством Г.С. Коршунова выполняли исследования и разработки, основными результатами которых являются:
• большой объем фактического материала по электрической прочности газов и газовых смесей в зависимости от основных влияющих факторов: давления, состава смеси, конструкции межэлектродного промежутка, параметров электродов и состояния их поверхности, наличия в промежутке твердой изоляции и положения ее поверхности относительно силовых линий поля, параметров импульсов напряжения;
• способы повышения точности управляемого запуска газовых разрядников за счет оптимизации конструкций разрядников и параметров «поджигающего» импульса, а также размещением в тригатронном узле (узле поджига) твердых изоляторов (втулок);
• методики расчета и проектирования секционированных изоляционных корпусов разрядников на напряжение в несколько МВ;
• управляемые искровые коммутаторы на напряжение до 3 МВ, коммутируемые токи до сотен кА со стабильностью запуска в ед. нс и временем коммутации около 10 нс, рис. 2. Материалы опубликованы в десятках статей и
обобщены в кандидатских диссертациях Ю.Ф. Свиридова (1972 г.), М.Т. Пичугиной (1978 г.), С.Б. Евлампиева (1984 г.), В.В. Устюжина (1987 г.)
Примерно в это же время - в середине 70-х гг. - под руководством Б.В. Семкина и Б.Г. Шубина в НИИ ВН были начаты работы по мощным импульсным газоразрядным СО2-лазерам в кооперации с институтом общей физике АН СССР (ИОФ АН). Общее руководство работами осуществлял директор ИОФ АН лауреат Нобелевской премии, академик А.М. Прохоров. Накопленный томскими высоковольтниками опыт исследований
разрядных явлений в различных диэлектриках позволил и в этой, новая для ТПИ, отрасли науки добиться впечатляющих результатов. Если на начальных этапах этих работ институт ограничивался, в основном, разработкой и изготовлением источников накачки СО2-лазеров, то с 1981 г. НИИ ВН приступил к разработке и изготовлению самих лазеров.
Рис. 2. Управляемый газонаполненный обостряющий разрядник на 2,5 МВ
Потребовалось изучение природы и характеристик объемного самостоятельного разряда в газовых смесях на основе СО2 при атмосферном давлении, разработка высокоэффективных предыониза-торов, оригинальных схем накачки, способов повышения коэффициента использования объема рабочей смеси на основе новых принципов формирования объемного разряда. В 1984 г. в институте запущен лазер с энергией излучения до 3 кДж и рекордной на то время апертурой излучения, рис. 3, в
1987 г. - действующий макет лазера с объемом рабочей смеси 320 л, межэлектродным расстояние до 50 см и энергией излучения до 10 кДж. В 1988 г. получен объемный разряд в межэлектродном промежутке 70 см, что примерно вдвое превосходит этот параметр у действующих лазеров.Результаты этих исследований и разработок представлены в многочисленных статьях и авторских свидетельствах, а также в кандидатских диссертациях аспирантов каф. ТВН Е.Ф. Трефилова (1988 г.) и В.Р. Миненко-ва (1990 г.).
Рис. 3. Импульсный электроразрядный СО2-лазер и инициированная им неточная лазерная искра протяженностью более 4,5 м
В начале 80-х годов в НИИ ВН были начаты поиски эффективных путей использования в технологиях не только бризантного действия электрических разрядов, но и ряда других интенсивных возмущений, таких как: высокие температуры излучения в широком диапазоне длин волн, генерирования активных частиц (О, О3, ОН). Эти поиски завершились разработкой и патентованием способа и устройства обработки питьевой воды с помощью наносекундных барьерных разрядов в водо-воз-душном потоке [20]. После такой обработки вода легко очищается фильтрованием от неорганических и органических примесей. По эффективности эта технология превосходит все известные безреа-гентные способы очистки воды. Технически идея воплощена в водоочистном комплексе «Импульс», выпускаемом опытным производством НИИ ВН малыми сериями, а научные основы отражены в ряде отечественных и зарубежных публикаций авторского коллектива и обобщены в кандидатской диссертации Я.И. Корнева (2005 г.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воробьев А.А., Завадовская Е.К. Электрическая прочность твердых диэлектриков. - М.: ГИТТЛ, 1956. - 312 с.
2. Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. - М.: Высшая школа, 1966. - 224 с.
3. Воробьев А.А., Бортник И.М., Ушаков В.Я., Борин Б.М., Ар-сон А.Г. Газы с высокой электрической прочностью. - М.: ВИНИТИ, 1968. - 82 с.
4. Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Завадовская Е.К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород. -Томск: Изд-во ТГУ, 1971. - 225 с.
5. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. - Томск: Изд-во ТГУ, 1975. - 256 с.
6. Ушаков В.Я. Электрическое старение и ресурс монолитной полимерной изоляции. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 152 с.
7. Боев С.Г., Ушаков В.Я. Рациональное накопление заряда в диэлектриках и методы его диагностики. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 240 с.
8. Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 496 с.
9. Куртенков Г.Е. Основы проектирования изоляции высоковольтного электрооборудования. - Томск: Изд-во НТЛ, 1999. - 276 с.
10. Ushakov V.Ya. Insulation of High-Voltage Equipment. - BerlinHeidelberg: Springer-Verlag, 2004. - 421 p.
11. Ушаков В.Я., Климкин В.Ф., Коробейников С.М., Лопатин В.В. Пробой жидкостей при импульсном напряжении / Под ред. В.Я. Ушакова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2005. - 488 с.
12. Пробой диэлектриков и полупроводников // Сб. докл. IV Меж-вуз. научной конф. по пробою диэлектриков и полупроводников. - Февраль 1963 г., Томск. - М.: Энергия, 1964. - 22-23 с.
13. Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция // Сб. докладов Межвуз. научно-техн. конф. - Сентябрь 1967 г., Томск. - М.: Энергия, 1970. - 334 с.
14. Становление и развитие научных школ Томского политехнического университета: Исторический очерк / Под ред. Ю.П. По-холкова, В.Я. Ушакова. - Томск: Изд-во ТПУ, 1996. - 249 с.
15. Андронов Л.И., Беляев С.А., Бугаев С.П. и др. Сибирская энергетическая школа / Под ред. Н.А. Вяткина, В.Я. Ушакова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2001. - 232 с.
16. Известия вузов. Физика. - 1996. - № 4. - 177 с.
17. Свид. на открытие № 122 РФ. Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе разряда с жидким диэлектриком при воздействии импульса напряжения / А.А. Воробьев, Г.А. Воробьев, А.Т. Чепиков. Приоритет от 14.12.1961; Опубл. 27.07. 1999
18. Диплом на открытие № 176 РФ. Явление взрывной эмиссии электронов / С.П. Бугаев, П.Н. Воронцов-Вельяминов, А.М. Искольдский, Г.А. Месяц, Д.И. Проскуровский, Г.Н. Фурсей. Опублик. 1976. Б.И. № 41. - С. 1.
19. Кассиров Г.М. Изоляционные свойства технического вакуума при мегавольтном уровне напряжения: Автореф. дис. ... докт. тех. наук. - Томск, 1992. - 37 с.
20. Пат. 2136600 РФ. МКИ6 C02F 1/46, 7/00. Реактор и способ очистки воды / С.Г. Боев, В.М. Муратов, Н.П. Поляков, Н.А. Яворовский. Заяв. 16.12.97; Опубл. 10.09.99. Бюл. № 25. -4 с.: ил.
УДК 537.525
ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД. (Достижения высоковольтников ТПУ за 60 лет)
В.Я. Ушаков
Томский политехнический университет E-mail: rcr@tpu.ru
Показан большой вклад представителей Томской школы высоковольтников в изучение механизмов импульсного электрического пробоя жидких и твердых диэлектриков, в создание научных основ проектирования изоляции высоковольтных наносекун-дных устройств, в разработку электроразрядных технологий (электроимпульсное бурение, дробление и дезинтеграция, очистка поверхностей и др.)
1. Физика импульсного электрического
пробоя жидкостей
Первоначально интерес томских высоковоль-тников к проблеме электрической прочности жидких диэлектриков и ее зависимости от условий их эксплуатации в высоковольтном маслонаполнен-ном оборудовании был обусловлен нуждами развивающейся сибирской энергетики. Низкие зимние температуры создали ряд проблем для эксплуатации оборудования открытых подстанций. Исследования электрической прочности товарного трансформаторного масла и масла с различными добавками при различных температурах позволили найти эффективные способы уменьшения их вязкости при пониженных температурах без заметного снижения электрической прочности (в частности, введением в масло кумароновой смолы).
В последующем работы по пробою жидкостей стимулировались развитием электроимпульсной технологии, что существенно расширило набор исследуемых жидкостей и диапазон условий, при которых реализуется пробой. Аспирантами кафедры техники высоких напряжений (ТВН) А.И. Лимасо-вым, А.И. Проскуриным, В.Я. Симоновым были исследованы вольтсекундные характеристики жид-
костей, которые потенциально пригодны в качестве промывочных в электроимпульсной технологии бурения скважин (трансформаторное масло, дизельное топливо, очищенная и водопроводная вода, буровые растворы, используемые при механическом бурении и др.). Аспирант В.В. Кривко исследовал вольтсекундные характеристики некоторых жидкостей при одновременном воздействии высокой температуры и давления, воспроизводящем условия работы жидкостей в призабойной зоне при бурении глубоких скважин.
Результаты этих исследований положены в основу выбора промывочных жидкостей, конструкции породоразрушающих инструментов, параметров импульсов рабочего напряжения.
В эти годы (конец 50-х - начало 60-х гг. прошедшего столетия) началось бурное развитие новой отрасли науки и технологии - мощной импульсной энергетики (PulsedPower), которая вобрала в себя сильноточную электронику, инерционную термоядерную энергетику, лазерную и ускорительную технику.
Жидкие диэлектрики, включая такие экзотические изоляционные жидкости как деионизованная вода, этиловый спирт, глицерин и их смеси, вызва-
