Исследование инициирования электрического разряда в воде при разработке электрогидравлической технологии

В последние годы растет интерес к использованию электрогидравлических технологий в различных областях промышленности. Например, в строительстве при создании фундаментов, утилизации железобетонных изделий и уплотнении грунтов.

В основе электрогидравлических технологий лежит «электрогидравлический эффект» [1], заключающийся в преобразовании электрической энергии в механическую за счет мощного электрического разряда, возбужденного в жидкости. Для получения такого разряда требуется импульс тока с крутизной фронта до 2&#;10¹¹ А/с и абсолютными значениями токов до 250 кА, мощностью до 100 МВт и энергией 10⁶ Дж [2]. Такие большие значения энергии и быстрое ее выделение за единицы или десятки микросекунд в малом объеме вызывают процесс, аналогичный взрыву химических взрывчатых веществ. В канале разряда осуществляется преобразование электрической энергии в тепловую, в результате чего осуществляется нагрев вещества в разряда канале до температур (10…40)&#;10³ К и, как следствие, рост в нем давления до (1…1,5)&#;10³ МПа, что приводит к расширению канала с высокой скоростью и передаче импульсного давления через жидкость к объекту обработки.

Различают несколько стадий развития процесса: формирование токопроводящего канала разряда между электродами; выделения в канале разряда энергии накопителя; завершающая стадия, когда все электрические процессы в канале разряда завершены, газовые продукты под действием остаточных температур расширяются и пульсируют до полного восстановления свойств среды в рабочем промежутке. На рис. 1. показана схема электрогидравлического процесса.

Рис. 1. Схема электрогидравлического процесса (а) и зависимость изменения давления от расстояния до канала разряда (б)

Для практической реализации электрогидравлического эффекта используются высоковольтные электрические установки, состоящие из узлов, функционально относящихся к зарядному контуру, разрядному контуру, контуру заземления, схеме управления и сигнализации. Структурная схема установки показана на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема установки: 1) пульт управления; 2) зарядное устройство; 3) устройство защитного заземления; 4) генератор импульсных токов; 5) коммутатор; 6) передающая линия; 7) электродная система

Основные энергетические параметры установок: разрядное напряжение 5…50 кВ; максимальная энергия в импульсе 100 кДж; частота следование импульсов 0,1…2 Гц.

Основной проблемой препятствующей внедрению электрогидравлической технологии в производство связано с получением стабильного электрического разряда в проводящих средах, таких как техническая вода и цементный раствор [3].

Используемые в настоящее время электрогидравлические установки в основном обеспечивают электротепловой механизм пробоя рабочего промежутка. В этом случае за счет токов ионной проводимости происходит разогрев значительной области раствора между электродами. Затем образуется парогазовая среда, в которой формируется канал разряда. При этом большая часть энергии импульса затрачивается на ее образование. Наличие потерь энергии на стадии формирования канала разряда оказывать отрицательное влияние на эффективность процесса в целом. Для компенсации этих потерь приходится увеличивать энергию импульса, что приводит к сокращению срока службы электродных систем, в частности к разрушению изоляции электродов. Поэтому важной задачей является снижение потерь энергии на стадии формирования канала разряда, что позволяет уменьшить непроизводительные потери энергии импульса и, соответственно, снизить запасаемую в генераторе энергию. Для уменьшения этого типа потерь энергии используются различные методы инициирования [4]. Но большинство из них усложняют электрическую или технологическую схемы установок и не всегда их можно применить в скважинах, бетонных растворах и установках разрушения железобетона.

Известно [5], что разряд в жидкости начинает формироваться как с острия потенциального электрода, так и из «тройной точки», которая находится в месте контакта металла потенциального электрода, изоляции электрода и воды. На рис. 3 приведена фотография развитие разряда с тройной точки.

Рис. 3. Развитие разряда с тройной точки: 1) изолятор высоковольтного электрода; 2) высоковольтный электрод; 3) заземленный электрод

Эффект тройной точки можно использовать как инициирующий фактор, организуя ее у острия потенциального электрода. Результаты исследований [6] показали, что разряд начинает развиваться из тройной точки, вынесенной в рабочий промежуток. Использование диэлектрических вставок из полиэтилена высокого и низкого давления, увеличивает вероятность пробоя промежутка по сравнению с пробоем таких же промежутков без вставки на 20…22 %. Однако, был установлен экспериментальный факт, что после 30…50 разрядов влияние диэлектрической вставки на вероятность пробоя промежутка прекращается.

Решения этой проблемы является использование керамической вставки, но из-за неплотного соединения вставки с электродом ударные воздействия при наличии концентратов напряжений в виде щелей вызывают ее быстрое разрушение. Поэтому было предложено использовать электронно-лучевую сварку керамики с металлом [7]. Сварка керамики с металлами проводилась на установке, подробно описанной в работе [8]. В качестве свариваемых материалов были выбраны алюмооксидная керамика и сталь.

Для определения влияния керамической вставки была проведены исследования с пробоя различных промежутков в технической воде.

В качестве источника импульсов в работе применялся генератор импульсных токов с параметрами: U₀ = 25…35 кВ, L = 5…7 мкГн, С₀ = 0,25…0,5 мкФ. Схема экспериментальной установки показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема установки: 1) высоковольтный трансформатор; 2) высоковольтный выпрямитель; 3) шаровой разрядник; 4) конденсаторная батарея; 5) рабочая камера; 6) высоковольтный электрод; 7) изолятор; 8) керамическая вставка; 9) заземленный электрод

Использовалась система электродов «острие – плоскость». Высоковольтный электрод металлический стержень диаметром 10 мм, который через проходной изолятор вводился в рабочую камеру. Длина изолятора позволяла варьировать длину оголенной части потенциального электрода (оголенная часть составляла 10 мм). Длина рабочего промежутка между электродами варьировалась от 10…50 мм. Располагалась электродная система в рабочей камере, которая заполнялась технической водой с удельным электрическим сопротивлением &#;&#;1·10³ Ом·см.

В результаты предварительных исследований установлено, что использование керамики, расположенных в торце потенциального электрода, увеличивает вероятность пробоя промежутка по сравнению с пробоем таких же промежутков без вставки до 27 %, а также вставка меньше поддается ударному и эрозионному разрушению.

Проведенные эксперименты показали возможность использования металлокерамических соединений для инициирования разряда в электрогидравлических установках. Предложенный метод инициирования разряда позволяет создать надежную электродную систему для электрогидравлических установок.

Литература:

1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. – Л.: «Машиностроение», 1986. – 253 с.

2. Гулый Г.А. Научные основы разрядноимпульсных технологий.  – Киев.: Наукова думка, 1990. – 208 с.

3. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости.  – Киев: Наукова думка, 1986. – 206 с.

4. Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. – Киев: Наукова думка, 1983. – 272 с.

5. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. – Томск: Изд. ТПИ, 1975. – 256 с.

6. Курец В.И., Филатов Г.П., Юшков А.Ю. Влияние методов инициирования импульсного разряда на вероятность пробоя жидких проводящих сред // Электронная обработка материалов, 2004. - №1. с.54-57.

7. Бурдовицин В.А., Климов А.С., Окс Е.М. О возможности электронно-лучевой обработки диэлектриков плазменным источником электронов в форвакуумной области давлений // Письма в ЖТФ. 2009 – Т. 35, Вып. 11. – С. 61–66.

8. Бурдовицин В.А., Жирков И.С., Окс Е.М. и др. Источник электронов с плазменным катодом для генерации сфокусированного пучка в форвакуумном диапазоне давлений // ПТЭ. 2005 – № 6. – С. 66–68.