CC BY
14
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА
им. С. М. КИРОВА
Том 200 1974
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДУГИ В МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ПРОМЕЖУТКЕ В ВОДЕ РАЗРЯДОМ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ КОНДЕНСАТОРНОЙ БАТАРЕИ ПРИ ПИТАНИИ ДУГИ НИЗКОВОЛЬТНЫМ УДАРНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ
Б. А. ФРАНКОВСКИИ, К. А. ХОРЬКОВ, Ю. Г. ШМИГИРИЛОВ
Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей
электротехники
Одним из способов увеличения энергии, передаваемой от ударного генератора в дуговую нагрузку в воде, является подготовка межэлектродного водного промежутка разрядом высоковольтного источника энергии. Условия надежного перехвата дули и согласования параметров дугового канала с параметрами обмотки статора во многом определяются выбором напряжения и емкости инициирующей конденсаторной батареи. Для обеспечения надежного перехвата дуги ударным генератором желательно длительное горение дуги при разряде емкости. В тс же время по условиям мобильности устройства на конденсаторную батарею накладываются ограничения по габаритам и весу.
Переходный процесс в цепи разрядного контура конденсаторной батареи описывается дифференциальным уравнением
ь+ Пс + Ид (1) • 1с +рс<И = и0, (1)
где Ьу г—суммарные индуктивность и активное сопротивление разрядного контура, равные сумме соответствующих параметров передающего коаксиального кабеля, коммутирующего разрядника (тригатрона) и конденсаторной батареи;
Яд (0 —нелинейное активное сопротивление межэлектродного промежутка электрошдравличеоколо излучателя (ЗГИ): С—емкость конденсаторной батареи; гс — ток разряда; и о — начальное напряжение конденсаторной батареи.
Для связи конденсаторной батареи с ЭГИ принимается малоиндуктивный магистральный коаксиальный кабель типа МКПВМ-1/30 длиной 30 м. Конденсаторная батарея набрана из малоинду ктивных импульсных конденсаторов типа. КМК30-10. Амплитуда напряжения принята равной 15 кв. Емкость конденсаторной батареи в процессе расчетов изменялась от 5,33 до 53,3 мкф в соответствии с изменением энергии батареи от 600 до 6000 дж.
Расчеты переходного процесса в цепи разрядного контура проведены на ЦВМ БЭСМ-4. При расчетах приняты следующие параметры разрядного контура, табл. 1.
Длина межэлектродного промежутка ЭГИ изменялась от /э=0,005 до 0,02 м. В момент подачи высокого напряжения на электроды ЭГИ сопротивление водного межэлектродного промежутка принималось
Таблица 1
а? <\) аз * о сэ £ 0 С*5 1 2 «и СО | а? о ем | * ■ з* о
8 со * •е-* а? 1 О 1 о О! О X 1 О X О X О X 7 о <м 1 О
о о о о с. а. « ч X х
£ Р и С* ^ (Ж с* и*
600 15 5,33 3,75 7,60 45 5,0 3 4,9 3,049 6,16
1200 15 10,7 1,88 4,45 45 2,5 3 4,5 3,047 5,20
1800 15 18,0 1,30 3,30 45 1,7 3 4,0 3,046 4,50
3000 15 26,7 0,80 2,50 45 1,0 3 3,3 3,046 3,65
4200 15 36,4 0,54 2,03 45 0,7 3 2,9 3,0455 3,17
5400 15 48,0 0,44 1,60 45 0,6 3 2,7 3,0454 2,93
6000 15 53,3 0,38 1,40 45 0,5 3 2,6 3,0454 2,80
равным 2020 ом. Механизм пробоя водного межэлектродоого промежутка под воздействием высокого напряжения заключается в образовании ¡и развитии лидеров вплоть до замыкания одним из них межэлектродного промежутка. Сопротивление межэлектродного промежутка в лидерной стадии (по Петриченко В. Н.) определяется выражением
Идл^Рвн + (2)
tl+ti
где рви
удельное сопротивление межэлектродного промежутка в момент подачи высокого напряжения на электроды, для водопроводной воды рВн=>1,09-103 ом!см;
а—константа, равная 1,06-1010—^К ;
и — напряжение, приложенное к электродам; п—степень напряжения; — время от момента приложения напряжения до начала формирования лидера; ¿г — время от начала формирования лидера до раосматрива:
емого мгновения; х0—поправка, равная — 0,1-Ю-6 сек-1.
К моменту образования канала сопротивление межэлектродного промежутка оказывается равным значениям, представленным в табл. 2.
Таблица 2
1э м
0,005
0,010
0,015
0,020
ом
7,5
15
22,5
30
Сопротивление дугового канала определяется по Е. В. Кривицко му [1] как
Яд (0 = I
у Ч.
Г П
Д
(3)
\tM-i-V (й
где А=105 в сек/м2— искровая постоянная.
а=0,8-М ,2 — коэффициент, 7= 1,2-г-1,26 — эффективный показатель адиабаты плазмы в канале.
На рис. 1 представлены типичные зависимости напряжения, тока, сопротивления дугового канала и анергии, полученные при расчете (вариант /э=0,02 м, И^о=600 дж). Для сравнения на рис. 2 представлены
15 Ю
5 О
И
55 О 5.5
6.0 кО
.2,0
1.0 06 0,1/
£.2
! !
1 1 4— 1
Гс,« 1 ^ 1 4-I
\
/ 1>\ 1
|!\
оал] 1 1
1
1 ! 1 1
и 1
|
1
\ 1 Г -I
>1 !| кВД* -1- 1
II _ [
/1
1 1
1 1 1
О
ешияаа
^ е!
20
ЬО
60 Ь-{0~6С9И
Рис. 1. Кривые изменения напряжения на дуге ид, тока \с, сопротивления дугового канала и энергии, введенной в дугу Шд
»»ТПЯГН!
Рис. 2. Осциллограммы напряжения и тока дуги при разряде емкости с запасом энергии 600 дж на межэлектродный промежуток 0,02 м
осциллограммы напряжения и тока, полученные на экспериментальной установке при тех же значениях параметров схемы. Результаты расчета удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными. На рис. 1 предполагаемый момент включения ударного генератора на дуговой промежуток обозначен индексом 4. Перехват дули генератором должен осуществляться в течение времени ¿п, когда генератор и емкость работают совместно. При затухании разряда конденсаторной батареи активное сопротивление дугового канала несколько возрастает по сравнению с минимальным значением, имеющим место при достижении максимума тока разряда.
Величину активного сопротивления дугового канала в течение времени перехвата дуги удобно характеризовать средним значением сопротивления на этом отрезке времени, обозначенном [2].
Энергия, вводимая в канал разряда, определяется как сумма средних значений на каждом шаге расчета
п М
2 т" + • 1ВД) + йд№+1)1-
(4)
\ = 1
График энергии (рис. 1) отражает ступенчатый ввод энергии в канал разряда. Каждая ступень соответствует своему полупериоду тока разряда. Передача энергии в дуговой канал существенна лишь в первые 3 полупериода разряда.
Результаты расчета па ЦВМ обработаны и представлены в табл. 3—6.
В таблицах приведены следующие параметры: Imi — амплитуда тока разряда первого полупериода; Rji in in — минимальное сопротивление сформированного канала разряда;
tm— момент времени, соответствующий Ядтпъ U(tm) — напряжение на дуге в момент времени tm\ W(tm) — энергия, введенная в канал разряда к моменту времени tm\
Тс—длительность разряда конденсаторной батареи; W(xc) — полная энергия, введенная в канал разряда; Яд(тс) — сопротивление канала разряда в момент времени тс; Идакв—среднее сопротивление канала разряда при t>tm\
tn — время совместной работы ударного генератора и конденсаторной батареи;
г) — коэффициент полезного действия конденсаторной батареи,
W(tc)
равный отношению ,,, - .
Таблица 3
Межэлектродный промежуток 1Э = 0,02 м
№ и. il Параметры Wo дж
600 1200 1800 3000 4200 5400 6000
1 Imi а 10781 17075 20453 27476 32624 37726 40080
2 Rä min ОМ 0,2006 0,1081 0,0819 0,0541 0,0424 0,0343 0,0315
3 trn * Ю~6 сек 12,4 17,0 20,4 25,8 29,8 34,0 35,6
4 U(tm) в 1266 1066 1000 888 827 766 753
5 W (tm) дж 289 541 713 1071 1380 1716 1869
6 тс • Ю~б сек 73,2 139,2 169,7 275,2 354,2 406,2 427,7
7 W(tc) дж 370 732 980 1549 2022 2530 2769
8 RÄ(Tc) ом 0,3095 0,1755 0,1303 0,0884 0,0709 0,0567 0,0517
9 Кд экв ОМ 0,2551 0,1418 0,1061 0,0713 0,0566 0,0455 0,0416
10 t„- 10"6 сек 60,8 122,2 159,3 249,4 324,4 372,2 392,1
11 п 0,616 0,610 0,545 0,516 0,480 0,469 0,461
Таблица 4
Межэлектродный промежуток 1э=0,015 м
№ п.п. Wo дж
Параметры 600 1200 1800 3000 4200 5400 6000
1 Imi а 9443 14074 17625 23588 27918 32361 34238
2 Ид min ОМ 0,1741 0,0993 0,0720 0,0477 0,0374 0,0303 0,0279
3 tm * Ю-6 сек 11,8 16,4 19,8 25,2 29,2 33,2 35,0
4 Ц(tm) в 991 835 761 670 622 585 564
5 W (tm) дж 191 334 461 692 890 1104 1199
6 Тс • Ю-6 сек 85,2 149,5 191,2 309,2 394,2 443,2 466,7
7 W(Tc) дж 254 465 656 1036 1343 1680 1829
8 RÄ(TC) ОМ 0,2705 0,1542 0,1143 0,0731 0,0590 0,0493 0,0452
9 R д э к в ОМ 0,2223 0,1268 0,0932 0,0604 0,0482 0,0398 0,0366
10 tn * 10~6 сек 73,4 133,1 171,4 284,0 365,0 410,0 437,7
11 Л 0,423 0,387 0,366 0,345 0,320 0,311 0,305
5—136 65
Таблиц
Межэлектродный промежуток 1:} = 0,01 м
Шп дж
№
п.п. Параметры 600 1200 1800 3000 4200 5400 6000
1 1ш1 а 9420 13786 17118 22706 26740 30869 37820
2 Ид пНп ОМ 0,1196 0,0690 0,0504 0,0336 0,0265 0,0214 0,0198
3 1ш * Ю-6 сек 11,0 15,6 19,0 24,2 28,0 32,0 33,8
4 и(1т) в 690 562 505 452 426 397 382
5 W(tm) дж 124 217 298 446 561 700 759
6 тс •10_6 сек 109,7 173,2 233,7 357,7 414,2 517.7 545,2
7 \У(ТС) дж 188 334 465 728 926 1153 1248
8 Ид (Тс ) ОМ 0,1705 0,995 0,0743 0,495 0,0385 0,0326 0,0302
9 Ид эк в ом 0,1451 0,0843 0,0624 0,0426 0,0325 0,0270 0,0250
10 • 10~в сек 98,7 157,6 214,7 333,5 386,2 485,7 511,4
11 Л 0,313 0,278 0,258 0,242 0,220 0,213 0,208
Т а б л и на б
Межэлектродный промежуток 1» = 0,005 м
№ п.п. XV 0 дж
Параметры 600 1200 1800 3000 4200 5400 6000
1 1ш1 а 11667 16655 20439 26733 31227 35885 37820
2 Ид шт ОМ 0,0497 0,0293 0,0216 0,0146 0,0115 0,0094 0,0087
3 и - 10- ~6 сек 10,4 14,6 17.8 23,0 28,0 30,6 32,2
4 щи) в 340 294 267 232 215 205 198
5 дж 76 129 175 258 329 405 438
6 Тс 10- 6 сек 196,7 279,7 342,2 505,2 614,7 705,7 730,2
7 А^(тс) дж 147 243 328 499 627 762 820
8 Яд(Тс) ом 0,0579 0,0368 0,0276 0,0191 0,0155 0,0129 0,0112
9 Ид экв ом 0,0538 0,0331 0,0246 0,0168 0,0136 0,0112 0,0099
10 1п- 10- 6 сек 186,3 265,1 324,4 482,2 587,9 675,1 697,&
11 п 0,245 0,203 0,182 0,167 0,150 0,141 0,137
Рис. 3. Изменение сопротивления дуги при различных энергиях конденсаторной батареи для 1) Ц = 0,02 м; 2) 1э = 0,015л(; 3) 1э-0,01 м; 4) Ц-0,005 м
На рис. 3 представлены кривые изменения среднего значения сопротивления дуги /?дЭкв в зависимости от начальной величины энергии для различных межэлектродных промежутков ЭГИ.
В выделенном (штриховкой) диапазоне сопротивления /?дЭКв соответствует диапазону согласования параметров генератора и дуги. Длительность разряда конденсаторной батареи при постоянной длине межэлектродного промежутка возрастет с увеличением начального заряда батареи.
Рис. 4. Зависимость длительности разряда от энергии конденсаторной батареи для 1) 1^ = 0,02 м\ 2) 1,-0,015 м; 3) 1,-0,01 м\ 4) Ц = 0,005 м
На рис. 4 представлена зависимость времени 1п от энергии конденсаторной батареи для различных межэлектродных промежутков 4..
Таким образом, в результате расчета переходного процесса в цепи разряда инициирующей высоковольтной конденсаторной батареи найдены важные характеристики инициированного межэлектродного промежутка, а именно/?д;жп и /п, необходимые для анализа условий перехвата дуги ударным генератором. Получены кривые, по которым можно выбрать необходимую величину энергии конденсаторной бата-. реи для обеспечения оптимальных значений У?ДГЖц и \п. Показано, что среднее сопротивление дугового канала может быть доведено до уровня полного сверхпереходного сопротивления ударного генератора, порядка 0,05 ом, а время разряда емкости доведено до 3004-500 мксек, достаточного для надежного перехвата дуги ударным генератором; Пр;и этом энергия, запасаемая инициирующей конденсаторной батареей, не превышает 1% от энергии, которую должен обеспечить ударный генератор.
ЛИТЕРАТУРА
1. Е. В. Кривицкий. Исследование сопротивления канала подводного искрового разряда. Журнал технической физики. Т. 40, вып. 11, 1972.
2. И. 3. Окунь. Исследование электрических характеристик импульсного разряда в жидкости. Журнал технической физики. Т. 39, вып. 5, 1969.
