CC BY
56
Electrical facilities and systems
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ ELECTRICAL FACILITIES AND SYSTEMS
О
Лобанов А.В. Lobanov A.V.
кандидат техниче-
профессор кафедры старший научный сотруд- первый заместитель гене- ских наук, доцент кафе-«Электромеханика» ник кафедры «Электроме- рального директора дры «Электромеханика» Уфимского государствен- ханика» Уфимского госу- ОАО «Уфимское агрегат- Уфимского государственного авиационного тех- дарственного авиационно- ное производственное ного авиационного технического университета, го технического универси- объединение», нического университета, Россия, г. Уфа тета, Россия, г. Уфа Россия, г. Уфа Россия, г. Уфа
Гизатуллин Ф.А. Gizatullin F.A.
Салихов Р.М. Salikhov R.M.
Чигвинцев В.А. Chigvintsev V.A.
доктор технических наук, старший преподаватель, технический директор
УДК 621.43.044; 621.317.08
КОМБИНИРОВАННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРОБИВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПЛАЗМЕННЫХ СВЕЧЕЙ ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Анализируются возможные схемы измерителей динамических и статических пробивных напряжений плазменных свечей. Представлены результаты разработки цифрового измерителя динамических пробивных напряжений и комбинированного измерителя динамических и статических пробивных напряжений. Приведены результаты испытаний комбинированного измерителя в условиях, имитирующих высотный запуск авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).
Ключевые слова: динамическое и статическое пробивные напряжения плазменных свечей.
COMBINED MEASURING BREAKDOWN VOLTAGE PLASMA PLUG GAS
TURBINE ENGINES
Possible schemes meters of dynamic and static breakdown voltage ofthe plasma plug. The results of development of digital measuring the dynamic breakdown voltage meter and a combined dynamic and static breakdown voltage. Results of tests of the combined meter in conditions simulating high-altitude start gas turbine engines. Key words: dynamic and static breakdown voltage of the plasma plug.
Задачи контроля эффективности систем зажигания возникают на различных этапах жизненного цикла, включая разработку, производство и эксплуатацию. Контроль эффективности предполагает, в том числе, оценку общей работоспособно-
сти систем зажигания и оценку фактических значений основных параметров, главными из которых для плазменных систем зажигания являются динамическое и статическое пробивные напряжения свечи, ток дугового разряда и падение напряжения
в разряде. Под динамическим пробивным напряжением плазменной свечи понимается импульсное напряжение пробоя свечи под действием высоковольтного импульса осциллятора, предназначенного для ионизации дугового промежутка перед образованием низковольтного дугового разряда [1].
Задачи контроля пробивных напряжений свечей важны, в том числе, при оценке устойчивости электродуговых процессов в условиях возможных высотных запусков ГТД на режимах авторотации двигателя и на режимах встречного запуска, для которых характерны, соответственно, пониженное и повышенное давление в камерах сгорания [2].
Применительно к плазменным системам зажигания переменного тока, помимо статического пробивного напряжения и импульсного динамического напряжения пробоя под действием осциллятора, важными параметрами являются динамические напряжения зажигания и гашения дуги, соответствующие моментам прохождения разрядного тока через ноль. Динамические напряжения зажигания и гашения дуги в течение каждого полупериода изме-
нения разрядного тока могут фиксироваться осцил-лографическим методом с использованием делителя напряжения, подключенного к плазменной свече. Соответственно, переменный ток дуги также легко регистрируется осциллографическим методом с использованием датчика - измерительного трансформатора тока.
Известно, что напряжение пробоя газового промежутка под действием короткого импульса напряжения превышает статическое пробивное напряжение. Это связано с тем, что для электрического пробоя под действием импульса необходим не только определенный уровень напряжения, но и время для формирования канала разряда; если время действия приложенного импульса меньше времени запаздывания разряда, то пробоя не происходит, несмотря на то, что уровень напряжения превышает статическое пробивное напряжение.
Для регистрации статических пробивных напряжений плазменной свечи возможно использование известной схемы измерений, структура которой показана на рис. 1 [3].
Рис. 1. Структурная схема статического измерителя пробивных напряжений
Автотрансформаторное регулирование позволяет плавно изменять напряжение заряда емкостного накопителя до напряжения пробоя свечи, которое фиксируется с помощью вольтметра.
Регистрация динамических пробивных напряжений под действием импульсных напряжений осциллятора возможна разными способами. Один из возможных вариантов заключается в использовании схемы, структура которой отличается от приведенной на рис. 1 тем, что между емкостным накопителем и свечой устанавливается коммутирующий элемент - разрядник, который принудительно пробивается от источника высокого напряжения. В этой схеме емкостной накопитель заряжается до напряжения, близкого к предполагаемому пробивному напряжению. После этого разрядник принудительно пробивается от отдельного источника высокого напряжения. После пробоя разрядника к свече прикладывается напряжение от емкостного на-
копителя с крутым фронтом нарастания. Если этого напряжения достаточно, происходит пробой свечи. На следующем этапе напряжение заряда накопителя уменьшается и осуществляется следующий принудительный пробой разрядника. Таким образом, определяется минимальное напряжение на накопителе, при котором возможен пробой свечи. Это минимальное напряжение принимается равным пробивному напряжению свечи. Если же при очередном принудительном пробое разрядника свеча не пробивается, напряжение заряда накопителя необходимо увеличить.
Этот способ измерения пробивных напряжений достаточно трудоемок, но является более точным по сравнению со способом, существо которого заключается в следующем.
Емкостной накопитель заряжается от регулируемого источника высокого напряжения до напряжения пробоя разрядника, которое заведомо
Electrical facilities and systems
выше пробивных напряжений плазменных свечей при всех возможных давлениях и величинах междуэлектродных зазоров. После пробоя разрядника напряжение, прикладываемое к свече, резко нарастает и в момент пробоя фиксируется измерителем амплитудных напряжений. Описанный метод обладает значительной погрешностью, обусловленной особенностями пробоя разрядных промежут-
ков импульсным напряжением; это обстоятельство усугубляется инерционностью измерителя амплитудных напряжений.
Высокой точностью измерений обладает цифровой метод регистрации пробивных напряжений, который может быть реализован по схеме, показанной на рис. 2 [4].
Рис. 2. Структурная схема цифрового измерителя пробивных напряжений
Измеритель работает следующим образом. При замыкании ключа 1 высокое напряжение, выдаваемое преобразователем 2, через резистор 3 и диод 4 заряжает накопительный конденсатор 5 до пробивного напряжения разрядника 6. После пробоя разрядника высокое напряжение прикладывается к свече 8. Напряжение на свече с высокой скоростью нарастает до пробивного. Это напряжение отслеживается устройством выборки-хранения 12 через делитель 10. В момент пробоя свечи ток в цепи резко нарастает. Момент пробоя свечи отслеживается дискриминатором уровня 9, который сравнивает сигнал с датчика тока 7 с уровнем дискриминации. На выходе дискриминатора
уровня формируется цифровой сигнал, который фронтом запускает первый одновибратор 11. Сигнал с первого одновибратора переводит устройство выборки-хранения в режим хранения и запускает второй одновибратор 13. Импульс с выхода второго одновибратора переводит АЦП 14 в режим измерения. Информация об измеренном значении пробивного напряжения передается в блок цифровой индикации 15.
Принципиальная схема другого разработанного измерителя для регистрации динамических и статических пробивных напряжений плазменных свечей показана на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема комбинированного измерителя пробивных напряжений плазменных свечей
Принципиальная схема комбинированного измерителя состоит из двух частей: цепи заряда-разряда конденсатора и цепи коммутации трех-электродного разрядника в цепи свечи.
Первая часть схемы включает автотрансформатор TV2, повышающий трансформатор TV4, удвоитель напряжения (R2, С3, VD2, R3, C2, VD3), киловольтметр PV, управляемый разрядник FV2, свечу F.
Вторая часть схемы состоит из автотрансформатора TV1, повышающего трансформатора TV3, элементов R1, VD1, C1, разрядника FV1, импульсного трансформатора TV5.
При измерении динамического пробивного напряжения плазменной свечи емкостный накопитель C2 заряжается до напряжения, близкого к предполагаемому пробивному напряжению. После этого разрядник FV2 принудительно пробивается при разряде конденсатора C1 через разрядник FV1 на первичную обмотку импульсного трансформатора TV5. Если напряжение на емкости C2 достаточно, происходит пробой свечи. На следующем этапе напряжение заряда накопителя C2 уменьшается и осуществляется следующий принудительный пробой разрядника FV2. Таким образом, определяется минимальное напряжение на конденсаторе C2, при котором возможен пробой све-
чи. Это минимальное напряжение принимается равным пробивному напряжению свечи. Если же при очередном принудительном пробое разрядника FV2 свеча не пробивается, напряжение заряда накопителя С2 необходимо увеличить.
При измерении статического пробивного напряжения плазменной свечи схема принудительного пробоя разрядника FV2 не участвует в работе. Для измерения статического пробивного напряжения необходимо зашунтировать разрядник FV2 и плавно увеличивать напряжение заряда конденсатора С2 до пробоя свечи.
Комбинированный измеритель динамических и статических пробивных напряжений плазменных свечей по схеме на рис. 3 изготовлен и испытан в составе специального экспериментального стенда по исследованию устойчивости электродуговых процессов в серийных плазменных свечах в условиях, имитирующих различные режимы запуска авиационных газотурбинных двигателей.
В таблице приведены измеренные значения динамических и статических пробивных напряжений серийной свечи при различных давлениях, соответствующих режиму высотного встречного запуска ГТД. Подтверждено, что динамические пробивные напряжения выше статических и в качественном плане соответствуют закону Пашена.
Таблица
Измеренные значения динамических и статических пробивных напряжений серийной
свечи при различных давлениях
Р = 1,01x10s Па Р = 2,02x10s Па Р = 3,75x10s Па
Динамическое пробивное напряжение 4,3 кВ 5,45 кВ 9,3 кВ
Статическое пробивное напряжение 4,1 кВ 5,3 кВ 9,1 кВ
Разработанный комбинированный измеритель предполагается использовать при стендовых испытаниях эффективности плазменных систем зажигания различных типов.
Список литературы 1. Романовский Г.Ф. Плазменные системы газоперекачивающих агрегатов [Текст] / Г.Ф. Романовский, И.Б. Матвеев, С.И. Сербин. - СПб.: Недра, 1992. - 142 с.
2. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД [Текст] / А. Лефевр - М.: Мир, 1986. - 566 с.
3. Схема измерения электрических параметров [Электронный ресурс]. - URL: http://www. avkenergo.ru/avktech/techop/element15068.php (дата обращения 25.10.2012).
4. А.с. № 1804211СССР. Измеритель пробивного напряжения разрядных устройств [Текст] / Ф.А. Гизатуллин, И.А. Великжанин, Р.Р. Валитов. - опубл. 1992, Бюл. № 3.
