Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

Основное силовое оборудование ГИТ

Устройства источников питания электрогидравлических уста­новок комплектуются стандартным оборудованием. Каждое сило­вое устройство включает в себя трансформатор, выпрямитель или реактор (если он собирается по резонансной схеме), конденсатор или блок их, формирующий разрядник или другое коммутирую­щее устройство на каждый разрядный контур схемы, соединитель­ные кабели-и различную стандартную измерительную и вспомо­гательную аппаратуру [6].

Промышленные силовые установки обычно комплектуются на базе стандартных выпрямителей-трансформаторов типов КВТМ, ВТМ с большим диапазоном мощностей и напряжений. При необ­ходимости в конструкцию трансформатора вносятся изменения. Так, был предложен трансформатор для погружаемых электро­гидравлических устройств, включающий в себя выполненный в виде цилиндра магнитопровод с намотанными на него обмотка­ми. Наружный диаметр цилиндра определяется радиальными размерами скважин. Цилиндр имеет сквозную полость для разме­щения проходных коммуникаций, связывающих электрогидравли - ческое устройство с наземными узлами энерго - и водопитания. Такая конструкция трансформатора позволяет состыковать его с элементами скважинного электрогидравлического устройства: конденсатором для скважинных устройств, разрядником и буровой головкой (если это электрогидравлический бур) непосредственно в самой скважине, что упрощает эксплуатацию и повышает эффективность скважинных электрогидравлических устройств, так как устраняет необходимость передачи высокого напряжения на забой с помощью специальных высоковольтных кабелей.

В качестве емкостных накопителей. для электрогидравлических устройств применяют импульсные высоковольтные конденсаторы с масляными или синтетическими наполнителями типов ИМН, ИМ, ИМК, ИК, ИКГ, ИКВ, ИС. Эти конденсаторы имеют, метал­лический корпус прямоугольной формы, в котором расположена съемная часть (набор спрессованных секций-пакетов), и металли­ческую крышку. На ней расположены выводы конденсатора, изолированные проходными изоляторами. Для уменьшения индук­тивности разрядных контуров схемы конденсаторы необходимо монтировать как можно ближе к рабочим искровым промежуткам электрогидравлических устройств. Так, при построении электри­ческой схемы ГИТ погружаемых электрогидравлических установок был разработан конденсатор для скважинных устройств (рис. 3.3), используемый при производстве буровых работ.

Герметичный корпус этого конденса­тора имеет цилиндрическую форму. На­ружный диаметр корпуса определяется реальными размерами скважины. По оси корпуса проходит центральная полость, диаметр которой соответствует размерам коммуникаций, связывающих электро - гидравлическое устройство с наземными узлами энерго - и водопитания, разме­щающимися в этой полости. Изоляция съемной части конденсатора спиральная, из диэлектрика, имеющего ленточную форму (например, конденсаторной бума­ги, пропитанной маслом). При заданных внутреннем и наружном диаметрах этой изоляции ширина ленты диэлектрика для обеспечения требуемой емкости конденса­тора определяется расчетным путем. Та­кая конструкция конденсатора позволяет состыковывать его со скважинным элек - трогидравлическим устройством непосред­ственно в самой скважине, что сущест­венно уменьшает индуктивность разряд­ного контура, а следовательно, улучшает технико-экономические показатели работы электрогидравлического устройства.

В качестве коммутирующих устройств в ГИТ электрогидравлических установок используют разрядники различных типов (воздушные атмосферного давления' ва­куумные искровые, газонаполненные, иг­нитронные, тиристорного типа, электрон­ные и др.). Все они должны удовлетво­рять следующим требованиям: выдерживать рабочее напряже­ние без перекрытия по изоляции в течение продолжительного времени; иметь хорошую износоустойчивость при коммутации заданной энергии; обладать малыми индуктивностью и сопро­тивлением по сравнению с электрическими параметрами раз­рядного контура и малым временем срабатывания и восстанов­ления своих изолирующих свойств; обеспечивать заданную частоту разрядов; удовлетворять санитарным требованиям (по уровню звука, выбросу образовавшихся в момент разряда газов).

Наиболее часто в электрогидравлических установках различно­го назначения применяют воздушные разрядники атмосферного давления. Они просты по конструкции, надежны в эксплуатации, но имеют значительное время деионизации, что препятствует их использованию при повышенных частотах. Стабильность их работы во многом зависит от условий окружающей среды (влаж-

Ности, температуры, состояния поверхности электродов разрядни­ка, запыленности атмосферы). При работе воздушных разряд­ников образуются вредные для здоровья работающих оксиды азота, озон. Поэтому при эксплуатации разрядников следует предусмотреть их продувку и выброс вредных газов вне пределов рабочего помещения. Кроме того, они должны быть оборудованы глушителями шума разрядов с учетом санитарных норм.

Простейший воздушный формирующий промежутек (разряд­ник) с глушителем приведен на рис. 3.4. Разрядник успешно ^ используется и в современных установках [6]. В точку разряда ] шаров разрядника необходимо врезать твердосплавные пластинки, а токоподводы разрядников снабдить радиаторными ребрами для лучшего охлаждения. Современные воздушные разрядники рас­считаны на коммутирование напряжений до 100 кВ и токов до ' 1000 кА.

Вакуумные разрядники бесшумны, обладают малым индуктив­ным сопротивлением, однако ограничены в быстродействии и требуют систематической откачки продуктов эрозии электродов разрядника для восстановления вакуума. Применение импульсных водородных тиратронов типа ТГИ сдерживается их высокой стои­мостью. Использование в качестве коммутаторов тиристоров ограничено небольшими значениями обратного напряжения (до 2,5 кВ), а при соединении их в последовательную цепочку необходимо синхронизировать их при срабатывании, что приводит к усложнению схемы.

' В современных электрогидравлических установках находят ши­рокое применение игнитронные разрядники типов ИРТ-1 — ИРТ-6. Они имеют ряд преимуществ при эксплуатации: управляемы дистанционно, малоиндуктивны, отличаются большой коммутаци­онной способностью по току. К недостаткам относятся низкая частота следования импульсов, малый срок службы (около 105 импульсов), невозможность ремонта при выходе из строя.

Отечественной промышленностью выпускаются серийно 6 типов игнитронов: ИРТ-1 —ИРТ-6. Для широкого их внедрения необ­ходимо увеличить частоту их работы, а также срок их службы.

Рис. 3.4. Разрядник с глу­шителем:

1 — боковые диски из ди­электрика; 2 — патрубок вы­хода воздуха; 3 — цилиндри­ческие стенки из диэлектри­ка; 4 — тугоплавкая встав­ка; 5 — латунные шары; 6 — латунный токопровод с ра­диатором; 7 — кабель токо - провода; 8 — патрубок под­вода воздуха; 9 — воздуш­ные зазоры между стенками

Выбор типа кабеля для соединения элементов электрической схемы ГИТ определяется требованиями, которые предъявляются к кабелю электрогидравлических установок: малая индуктивность, изоляция кабеля, способная выдерживать максимум рабочего напряжения в импульсе без термического и механического раз­рушения; больший срок службы, чем срок службы основных элементов ГИТ (конденсатор, • разрядник). Таким требованиям вполне удовлетворяют радиочастотные коаксиальные кабели типа РК и кабель типа КПВА^Г, разработанный специально для электрогидравлических установок. Однако следует заметить, что предельные напряжения радиочастотных кабелей весьма неболь­шие, поэтому актуальной является задача разработки малоиндук­тивных, коаксиальных кабелей на напряжения до 100 кВ для использования их в электрогидравлических установках.

Одной из важнейших составляющих электрической схемы раз­рядного контура ГИТ электрогидравлических установок является рабочий электрод с его изоляцией и системой токопроводов. Основным препятствием в обеспечении длительной непрерывной работы подавляющего большинства электрогидравлических уст­ройств долгое время являлась недостаточная стойкость переднего конца изоляции рабочих электродов. Причиной ее разрушения является сложное термо-химическое и механическое воздействие на изоляцию той части стримеров, которые развиваются в жид­кости по границе раздела изоляция — жидкость. Вызывая внача­ле только слабое термическое воздействие (обжигающее, оплав­ляющее или деполимеризующее верхний слой изоляции по пути следования стримера), стримеры при последующих разрядах все чаще и чаще проходят по тем же путям, еще более изменяют свойства верхнего слоя изоляции в этих местах и, наконец, обугливают его. Этим создаются хорошо проводящие пути, по которым разряды из случайных становятся постоянно проходя­щими, все более и более усиливая обугливание и углубляя его в тело изолятора.

Когда ожог достаточно углубится в торец изоляции, начинают сказываться чисто механические факторы воздействия на изоля­цию электрода, которые имеют место при кавитационных ударах, возникающих при захлопывании полостей, и вызывающие внедре­ние в тело изоляции струй воды и частиц обрабатываемого мате­риала. Гидравлические удары, воздействуя на клиновидную щель ожога, приводят к механическому разрыву — распарыванию — ее изоляции и появлению новых, еще более заглубленных внутрь изоляции ожогов. В конечном итоге это приводит к постепен­ному «прорезанию» изоляции по всей длине стержня электрода.

Как только изоляция оказывается нарушенной, немедленно на­рушается условие получения - сверхдлинных разрядов, резко воз­растают потери, вследствие чего работа данного электрогидрав - лического устройства перестает быть экономичной. При этом раз­ряды за счет резкого увеличения потерь, растущих вместе с уве-

Личением активной поверхности ра­бочего (положительного) электрода, могут вообще прекратиться.

Эти нежелательные явления мо­гут быть устранены различными средствами защиты переднего конца электрода, в результате чего ресурс электродов, может быть увеличен на 1—2 порядка. Автором были пред­ложены следующие способы защиты: изменение формы переднего конца электрода — выполнение его в виде «тарелочки», «юбочки», шарика из мягкого металла с одновременным выполнением нижней части электро­да пружинящей; введение в систему электрода «отвлекающих» стримеры тонких кольцевых вставок, располо­женных выше конца электрода и выступающих из изоляции; локали­зация поля установкой второго электрода в виде острия и т. д.

На рис. 3.5 изображен конструк­тивный вариант электрода со стой­кой изоляцией [3, 6]. Электрод

Выполнен из тонкой проволоки, этим, во-первых, создается дополни­тельная жидкостная изоляция между электродом и его твердой изоляцией на переднем конце электрода, что препятствует развитию стримеров на границе раздела изоляция — жидкость; во-вторых, тонкий стер­жень электрода, далеко выступая из изоляции, как бы «отводит» от нее стримеры, которые обычно тем интенсивнее растут из конца элек-

Рис. 3.5. Схемы конструкции рабочего электрода: о — про­

Мышленный вариант; б — лабо­раторный вариант (о — загуб­лена тонкой части стержня в изоляцию; Ь — выступающая из изоляции часть стержня; й — диаметр тонкой части стержня электрода);

1 — центральный стержень электро­да; 2 — подсоединение положитель­ного полюса тока; 3 — цанговый зажим; 4 — латунная трубка — на­правляющая центрального стержня; 5 — изоляция; 6 — направляющая латунная трубка; 7 — выступающий тонкий конец электрода; 8 — запол­няемый жидкостью зазор между стержнем и изоляцией

Практически оказалось, что при напряжении до 100 кВ в за­висимости от размера рабочей емкости диаметр проволоки рабочего электрода может быть принят следующим: до 0,1 мкФ — 0,2—1,0 мм; до 1,0 мкФ — 2,0—4,0 мм; до 5,0 мкФ — 3,0—6,0 мм. Направляющая электрод металлическая трубка в зависимости от размера рабочей емкости не должна доходить до конца изоляции на 20—60 мм, а проволочный электрод также в зависимости от размера рабочей емкости должен выступать из изоляции на 20—80 мм.

Для уменьшения электрических потерь в электрогидравличе­ских установках, в которых подача рабочей жидкости совершает­ся через незаземленный полый электрод, необходимо внутреннюю поверхность электрода изолировать слоем диэлектрика. Рабочая жидкость благодаря изоляционному слою не контактирует не­посредственно с токопроводящим трубчатым стержнем электрода, и электрические потери в этом случае сводятся к минимуму.

Форма электрода также может. играть определенную роль при различных видах электрогидравлической обработки. Так, в элект - рогидравлическом устройстве для очистки труб выполнение вто­рого электрода в виде упругих петель каплевидной формы с вогнутыми, связанными между собой вершинами, вытянутыми вдоль линии перемещения устройства, обеспечивает идеальную очистку труб, водозаборных фильтров, артезианских скважин и т. п.

Важным условием обеспечения стабильной работы электро - гидравлического устройства в оптимальном режиме является и сохранение постоянной величины рабочего искрового промежутка. Для этого при электрогидравлической обработке объектов (одновременно являющихся вторым электродом) с неровной поверхностью или группы изделий разной высоты (например, при электрогидравлической очистке изделий, снятии напряжений) предложено устройство, позволяющее автоматически регулиро­вать величину искрового промежутка между электродом и обра­батываемым изделием (см. рис. 4.2).