CC BY
62
В численном выражении Рс = 0,742.
Расчеты аналитическим методом дают следующее выражение: Рс = РЪ [1 - (1 - Ра )(1 - Рй Ре )][1 - (1 - Рс )(1 - р.)] = = Р (Ра + РР - РаРЛ )(РС + Рг - РСР/ ) и численное значение Рс = 0,742.
В Ы В О Д Ы
1. Метод функций алгебры логики позволяет анализировать надежность схем электроснабжения потребителей АПК с относительной простотой расчетов, основанных на использовании параллельно-последовательных структур.
2. Анализ полученных результатов подтверждает перспективность автоматизации электрических распределительных сетей, в частности местного АВР двустороннего действия и сетевого АВР как средства повышения надежности электроснабжения потребителей.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Г у к, Ю. Б. Анализ надежности электроэнергетических установок / Ю. Б. Гук. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988. - 224 с.
2. О с т р е й к о в с к и й, В. А. Теория надежности: учеб. для вузов / В. А. Острейков-ский. - М.: Высш. шк., 2003. - 463 с.
3. П р у с с, В. Л. Повышение надежности сельских электрических сетей / В. Л. Прусс, В. В. Тисленко. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1989. - 208 с.
4. А н и щ е н ко, В. А. Надежность систем электроснабжения: учеб. пособие / В. А. Анищенко. - Минск: Технопринт, 2001. - 160 с.
Представлено кафедрой
электроснабжения ГГТУ Поступила 28.11.2011
УДК 537.523:537.527
ВЗРЫВНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА КАТОДЕ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ НАНОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Акад. НАН Азербайджана, докт. техн. наук, проф. ГАШИМОВ А. М., докт. техн. наук МЕХТИЗАДЕ Р. Н., инженеры БОНДЯКОВ А. С., КЯЗУМОВ Ш. А.
Институт физики НАН Азербайджана
Пробой газов при давлениях от десятков до тысяч торр под действием импульсов высокого напряжения наносекундной длительности исследуется долгое время [1, 2]. В связи с успехами техники высоковольтных наносе-кундных импульсов усилился интерес к наносекундным разрядам в газах. Несмотря на быстрый рост числа экспериментальных исследований [3, 4]
и технических применений [5, 6] наносекундных газовых разрядов, переход к новому временному масштабу не повлек за собой соответствующего пересмотра фундаментальных положений классических моделей пробоя, разработанных для условий, близких к статическим [7, 8], хотя еще в [3] определены качественно новые черты газовых разрядов в наносекундном диапазоне времени.
При достаточно больших перенапряжениях закономерности пробоя плотных газов в развитии всего газоразрядного процесса отличаются от закономерностей классических форм разрядов. Несоответствие общепринятым локальным моделям особенно проявляется при перенапряжениях Д >> 1. Действительно, с ростом Д параметры разряда резко изменяются, и энергия направленного движения электронов сравнивается с полной кинетической энергией. Это приводит к тому, что на фронте стримера могут генерироваться «убегающие электроны» при Eo < Екр, где Екр - критическая напряженность поля, обеспечивающая непрерывное ускорение электронов, начиная с тепловых энергий Te = 1-10 эВ [9]. Начиная с некоторых достаточно больших Eo, вытеснение поля на фронт стримера вследствие его поляризации осуществляется за время порядка времени движения «убегающих электронов» вблизи фронта. В результате реализуется синхронное движение области усиливающегося краевого поля и ускоряющихся электронов [10-12]. С ростом Д выход фотонов из лавин резко снижается [3]. Более того, при Д >> 1 это не является принципиальным, так как «убегающие электроны» обеспечивают высокую скорость распространения ионизованной области к аноду, а сопутствующее рентгеновское излучение, ионизуя газ и вызывая фотоэффект на катоде, обусловливает движение ка-тодонаправленного фронта ионизации. И, наконец, поскольку при Д >> 1 пробой инициируется автоэлектронной эмиссией [3, 4, 12] и первичная лавина становится критической вблизи точки инициирования ~100 мкм от катода, происходит самосогласованное усиление поля положительного объемного заряда и автоэлектронной эмиссии [13].
В [13-15] выполнены исследования оптического излучения объемных разрядов в воздухе при атмосферном давлении. В спектрах прикатодной плазмы обнаружены континуум с характерным максимумом, а также полосы второй положительной системы молекулы N2, линии NII, линии HI (656, 285 нм) и линии атомов материала катода. В случае катода из нержавеющей стали наблюдалось более 100 линий Fell и 17 линий CrII. Линии ионов с более высокой кратностью ионизации не обнаружены.
Настоящая статья посвящена исследованию взрывных процессов на катоде при формировании наносекундного импульсного разряда в воздухе при различных параметрах газового промежутка.
Экспериментальная установка и методика измерений. Эксперименты проводились на установке, созданной на базе малогабаритного генератора импульсов напряжения 100 кВ и позволяющей проводить регистрацию наносекундных импульсов высокого напряжения, прикладываемых к газовому промежутку, с электронно-оптической хронографией свечения, сопровождающего предпробойные и пробойные процессы в промежутке. Использовалась электродная система плоский электрод - электрод с малым
радиусом кривизны, что обеспечивало усиление поля у потенциального электрода-катода.
Катод был выполнен в виде трубки из стальной фольги диаметром 6 мм и толщиной 110 мкм или из стального шара диаметром 9,5 мм. Плоский электрод изготовлен из латунной пластинки и соединен с корпусом камеры через шунт. В качестве плоского электрода также использовался сетчатый анод. При установке сетчатого анода фотографировалось свечение разряда в промежутке с торца.
Для регистрации импульсов напряжения использовался емкостной делитель. Ток разряда регистрировался с помощью шунта, собранного из малоиндуктивных резисторов. Для измерения электрических сигналов использовался осциллограф TDS6604 (6GHz, 20GS/s).
Датчики с осциллографом соединялись широкополосными коаксиальными кабелями.
Интегральная картина свечения разряда снималась через сетку или окно фотоаппаратом SONY A100. На генераторе имелась возможность изменять полярность импульса напряжения на электроде с малым радиусом кривизны. Измерения проводились только после длительной тренировки поверхности электродов импульсами высокого напряжения.
На газовый промежуток подавались импульсы напряжения отрицательной полярности амплитудой 100 кВ, фронтом около 1 нс по уровням 0,1—0,9 и шириной на полувысоте около 2 нс (рис. 1).
• i • > i i i
: 3 о о
1 нс
Рис. 1. Осциллограмма импульса напряжения
Импульсный разряд короткой длительности возбуждался в воздушном промежутке в резконеоднородном поле при различных давлениях воздуха р = 1-3 атм. Потенциальным электродом - катодом служили стальной стержень с различным радиусом кривизны г = 1-4 мм и алюминиевый шар диаметром 16 мм. В качестве анода использовалась медная пластина. На разрядный промежуток поочередно подавали импульсы отрицательной полярности с амплитудой 80 кВ и длительностью фронта 8 нс. До возбуждения разряда электроды подвергали электрохимической обработке. Два электрода (катод и графитовый) опускали в раствор дистиллированной воды (80 %) и Бе804 (20 %). Обработка проводилась в течение 20 мин. После нее катод высушивался и подвергался воздействию импульса высокого напряжения. До возбуждения импульсного разряда и после разрядного процесса рабочая поверхность электрода тщательно исследовалась с помощью отражающего микроскопа МПСУ-1 и фотографировалась цифро-
вой камерой SAMSUNG S 500 Digimax 5.1x. Микрофотографии рабочей поверхности катода с различными радиусами кривизны r = 1-8 мм приведены на рис. 2.
а б в
0,07 мм
0,13 мм
0,05 мм
0,08 мм
0,04 мм
0,175 мм
0,25 мм
0,045 мм
0,1 мм
Рис. 2. Фотографии поверхностей электродов с различными радиусами кривизны до и после импульсного разряда при различных давлениях воздуха: а - стержень, г = 1 мм, до разряда; б - то же, р = 1 атм, после разряда; в - то же, р = 3 атм, после разряда; г - стержень, г = 4 мм, до разряда; д - то же, р = 1 атм, после разряда; е - то же, р = 3 атм, после разряда; ж - шар, г = 8 мм, до разряда; з - то же, р = 1 атм, после разряда; и - то же, р = 3 атм, после разряда
г
д
е
ж
з
и
Результаты экспериментов. До возбуждения наносекундного разряда на поверхности электрода имеются микронеоднородности - вискеры, на месте которых после взрыва образуются микрократеры диаметром 40-180 мкм. На некоторых снимках они расположены группами, а на некоторых -отдельно и окружены оплавленной поверхностью. Характер эрозии зависит как от термодинамических характеристик материала электрода, его радиуса кривизны, так и от давления газа в разрядном промежутке. При пониженных давлениях эрозия выражена меньше. Кривые зависимости размеров микрократеров от параметров газового промежутка приведены на рис. 3.
Размеры микрократеров на поверхности стержня (г = 1 мм) увеличиваются с 70 мкм при р = 1 атм до 130 мкм при р = 3 атм. Следует отметить, что при р = 1 атм микрократеры расположены группами, а при р = 3 атм
наблюдается единичный микрократер большего диаметра. С увеличением радиуса кривизны потенциального электрода г = 4 мм и при р = 1 атм размеры отдельных микрократеров несколько меньше по сравнению с г = 1 мм и расположены они разрозненно по рабочей поверхности электрода. С повышением давления до р = 3 атм размеры микровпадин несколько увеличиваются. Как видно из рис. 2ж-и, поверхность алюминиевого шара (г = 8 мм) не идеальна. При р =1 атм после приложения к электроду импульса высокого напряжения на поверхности шара также образуются микровпадины, но значительно больших размеров. С увеличением давления воздуха до р = 3 атм их размеры несколько уменьшаются.
Рис. 3. Зависимость размеров микрократеров на электродах (катодах) от параметров газового промежутка: а - от давления воздуха (кривые 1-3); б - от радиуса кривизны электрода при различных давлениях воздуха; 1 - р = 1 атм; 2 - р = 3 атм
Следует отметить, что количество микронеоднородностей на рабочей поверхности электродов с малым радиусом кривизны (г = 1 мм) намного меньше, чем на других электродах, поэтому при воздействии импульса высокого напряжения напряженность поля концентрируется на малом количестве вискеров. Это, в свою очередь, приводит к мощной взрывной эмиссии электронов с каждого отдельно взятого микроострия и, при давлениях, выше атмосферного, - к образованию на месте взрыва больших микрократеров. Усилением поля в зоне микроострий при резконеоднородном поле и при высоком давлении можно объяснить значительное увеличение размеров микрократеров на поверхности стержня (г = 1 мм) при р = 3 атм. С увеличением радиуса кривизны потенциального электрода количество микро-неоднородностей на рабочей поверхности увеличивается. В результате этого происходит ослабление напряженности поля на отдельно взятой неоднородности, что соответственно приводит к ослаблению взрывных процессов на отдельных вискерах, уменьшению размеров микрократеров и увеличению их общей площади.
Взрывообразное изменение микрорельефа поверхности катода обусловлено в основном импульсным нагревом микровыступов током термоавто-электронной эмиссии критической плотности. Наряду с джоулевым нагревом микроэмиттера следует учитывать ударный разогрев ионами газоразрядной плазмы, приобретающими значительную энергию в усиленном поле вблизи микровыступа, фокусирующем ионы. Этот фактор существенно облегчает взрывную электронную эмиссию в газовом разряде.
В Ы В О Д Ы
Согласно результатам исследований можно предложить следующий механизм процессов, происходящих при формировании наносекундного импульсного разряда при повышенных давлениях воздуха. После приложения к разрядному промежутку импульса высокого напряжения происходит локальное усиление поля на микронеоднородностях потенциального электрода. Процессы бурной ионизации вблизи катода приводят к образованию лавин, на фронте которых концентрируются высокоэнергетичные электроны.
Образующийся вследствие этого положительный объемный заряд вблизи катода приводит к резкому увеличению напряженности поля и взрывным процессам с микроострий. Убегающие электроны, образующиеся в результате таких процессов, вызывают рентгеновское излучение в прика-тодной плазме и осуществляют дальнейшее быстрое продвижение лавины к аноду.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. N e u m a n, M. // Phys. Rev. - 1937. - Vol. 52. - P. 652.
2. F l e t c h e r, R. C. // Ibidem. - 1940. - Vol. 76. - P. 1501.
3. М е с я ц, Г. А., Бычков, Ю. И., Кремнев, В. В. // УФН. - 1972. - Т. 107. - С. 201
4. К о в а л ь ч у к, Б. М. Сильноточные наносекундные коммутаторы / Б. М. Ковальчук,
B. В. Кремнев, Ю. Ф. Поталицын. - Новосибирск: Наука, 1979.
5. П а в л о в с к и й, А. И., Босамыкин, В. С., Карелин, В. И., Никольский, В. С. // КЭ. -1976. - Т. 3. - С. 601.
6. П а в л о в с к и й, А. И., Басманов, В. Ф., Босамыкин, В. С., Горохов, В. В., Карелин, В. И., Репин, П. Б. // КЭ. - 1987. - Т. 14. - С. 428.
7. П а в л о в с к и й, А. И., Карелин, В. И. // Вестник Киев. ун-та. - 1988. - Вып. 29. -
C. 115.
8. Б а б и ч, Л. П., Станкевич, Ю. Л. // ЖТФ. - 1972. - Т. 42. - С. 1669.
9. А с к а р ь я н, Г. А. // Труды ФИАН СССР. - 1973. - Т. 66. - С. 66.
10. С т а н к е в и ч, Ю. Л., Калинин, В. Г. // ЖТФ. - 1966. - Т. 36. - С. 1499.
11. Б а б и ч, Л. П., Бабич, Л. П., Лойко, Т. В., Шамраев, Б. Н. // Изв. вузов СССР. Сер. Радиофизика. - 1979. - Т. 22. - С. 100.
12. Б а б и ч, Л. П., Бабич, Л. П., Лойко, Т. В., Тарасова Л. В. // Тезисы докладов 2-го симпозиума по сильноточной электронике. - Томск, 1975. - С. 69.
13. Б а б и ч, Л. П., Березин И. А., Лойко Т. В., Тарасов М. Д., Тарасова Л. В., Чики-на Р. С. // ЖТФ. - 1977. - Т. 47. - С. 195.
14. И с с л е д о в а н и я характеристик и структуры наносекундных импульсных разрядов в воздухе / Э. Д. Курбанов [и др.] // Проблемы энергетики. - 2006. - № 3-4.
15. Ф и з и ч е с к и е процессы в плотных газах при воздействии наносекундных импульсов высокого напряжения / И. П. Кужекин [и др.] // Проблемы энергетики. - Баку, 2007. -№ 3. - С. 58-65.
Поступила 20.10.2011
