Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

Перспективы совершенствования оборудования электрогидравлических силовых установок

Решение вопросов совершенствования силовых установок (ГИТ) электрогидравлических устройств любой мощности зависит от разработки и внедрения комплектующего оборудования ГИТ, выполненного на основе использования реверсивного разряда и импульсных диэлектриков.

Импульсные конденсаторы. Импульсные конденсаторы подоб­но обычным состоят из двух групп пластин, электрически соеди­ненных между собой. Рабочей — изолирующей — средой между ними могут быть разнообразные ионопроводящие жидкие, твердые или газообразные вещества и даже плазма.

Рассмотрим простейший тип импульсного конденса­тора с водяной изоляцией [36], состоящий из резер­вуара с водой и погружен­ных в него металлических пластин (рис. 3.6). Корпус резервуара может быть вы­полнен металлическим и ис­пользован в качестве одного из электродов или заземлен.

Материал металлических пластин, помещаемых в воду, как и металл корпуса, дол­жен быть выполнен из ма­териала, устойчивого против действия воды.

Поскольку обе группы пластин такого конденсатора практи­чески равнозначны в происходящих в нем процессах, то говорить

О каком-то различии их работы на разных полярностях включе­ния будет невозможно. Однако размеры пластин импульсного конденсатора имеют существенное значение для эффективности его работы. При униполярном импульсе, поданном на такой конденсатор, одна из пластин, оказавшаяся положительной, имея большую активную, т. е. соприкасающуюся с водой, поверх­ность, вызовет появление настолько больших электрических потерь, что создание подобного конденсатора может потерять всякий смысл. При большой активной поверхности положительно­го электрода (пластины) время, в течение которого потери будут минимальны, может оказаться недостаточным для того, чтобы конденсатор успел зарядиться и разрядиться, не потеряв при этом весь свой заряд.

Отсюда становится очевидной необходимость резкого умень­шения активной поверхности пластин конденсатора, несущих поло­жительный заряд. Это достигается введением такой изоляции положительных пластин, которая, не уменьшая их электрической емкости, резко уменьшает их активную (соприкасающуюся с водой) поверхность. В качестве изоляции можно использовать какую-либо микропористую изоляцию из геля или просто экран.

Если же поверхность пластины электрически полностью изоли­ровать от воды, то это «выключит» и весь тот «механизм» ионной изоляции, о котором говорилось выше. Подобная изоля­ция начнет столь же просто пробиваться разрядами, как это слу­чается в обычных конденсаторах. Однако при импульсном питании конденсатора каждый обычный пробой его будет придавать этому конденсатору особые свойства. Так, пробив изоляцию только один раз, подобный пробой вызовет немедленное «включение» ионного «механизма», свойственного импульсным диэлектрикам. Отсюда
следует, что такие поры надлежит заготовить заранее, сделав их при этом и в необходимом количестве и соответствующего размера. Поры должны быть достаточно малого диаметра с тем, чтобы препятствовать свободному движению ионов, и в то же вре­мя достаточными, чтобы не мешать электрическому контакту пластины с жидкостью. Рассчитать количество и размеры таких пор чрезвычайно сложно. Однако эта задача оказывается решен­ной, если изоляция частично или полностью будет выполнена из геля.

В самом деле, если таких пор в обычной изоляции не делать совсем, то они появятся сами — их пробьет разряд и пробьет ровно столько, сколько сможет пробить, а это и есть тот самый оптимальный вариант, который необходим для данного случая. Если же изоляцию выполнить из геля, то каждый разряд, проби­вая гель, будет «открывать» в нем поры в количестве, соответ­ствующем заданной напряженности электрического поля, а «закрываться» они будут сами, поскольку гель обладает ярко выраженной способностью к «самовосстановлению» после механи­ческих повреждений. После того как пик напряжения спадет и энергия движения ионов уменьшится, ионы начнут задерживать­ся и тормозиться в порах, закрывая их. В дальнейшем поры в геле будут открываться только тогда, когда напряженность поля достигнет максимума и окажется способной сдвинуть с места ионы, закупорившие поры.

В конденсаторах каждая пластина обычно размещается между двумя другими, таким образом, необходима полная, покрывающая всю поверхность пластины пористая изоляция каждой из них. В этой связи рассмотрим вопрос о конструктивном размещении пористой изоляции пластин. Следует ли выполнять ее плотно прилегающей к пластине или этого можно избежать, ограничив­шись только свободным, без плотного прилегания изоляции, экранизированием пластин друг от друга? Исследования позво­ляют сделать вывод, что покрытия с плотно облегающей изоля­цией могут быть заменены экранами с преимущественным раз­мещением их вблизи защищаемой ими положительной пластины.

Таким образом, импульсный конденсатор должен выполняться либо с изоляцией, уже имеющей заданное микропористое строение, либо с изоляцией из геля, либо с комбинированной изоляцией, содержащей в себе гель, размещаемый, как в под­держке, в крупных порах основной изоляции. Однако при этом стримеры, проходя сквозь поры изоляции и развиваясь от положи­тельной пластины, будут расти к пластине противоположного знака так же хорошо, как если бы у нас были созданы все условия для возникновения сверхдлинного разряда. Отсюда очевидно, что решение задачи путем создания изоляции вокруг положительного электрода-пластины может дать некоторый эффект только в том случае, если изоляция поставлена довольно далеко от пластины. Следовательно, работа импульсного конденсатора должна осу-

Рис. 3.7. Принципиальная схе­ма электрического поля между электродами импульсного кон­денсатора с изоляцией отри­цательной пластины гелем при работе на обратной полярности: 1 — стержень отрицательного элек­трода; 2 — изоляция электрода; 3— пористое покрытие отрицательного электрода из геля; 4 — отрицатель­ная пластина конденсатора; 5— канал стримерного пробоя в толще геля; 6 — линии напряженности электрического поля в жидкости; 7 — движение ионов ОН - (большие кружки) и ионов Н+ (малые круж­ки); 8—положительная пластина конденсатора

Ществляться на такой полярности пластин, при которой стример, выходящий или входящий в защищаемую пластину, не мог бы расти к другой пластине и подобно стримеру, входящему в отри­цательный электрод при реверсивном разряде, «пятился» бы от нее в противоположном направлении. Это условие может быть выполнено только при работе на обратной полярности и только в тех случаях, когда электрическая изоляция описанной выше структуры (в том числе и гелевая, пористая с гелем, или экран) закрывает не положительную, а отрицательную пластину, остав­ляя совершенно свободным от изоляции положительный электрод.

Отметим, однако, что относительно небольшая изоляция поло­жительного электрода будет тем не менее полезной, поскольку, изменяя ее форму, можно изменять конфигурацию силового поля таким образом, чтобы при этом максимально увеличились «непро­биваемые» и другие положительные свойства конденсатора. Ука­занные особенности становятся особенно важными при переводе импульсного конденсатора на режим обратной полярности — режим реверсивного разряда. В этом случае стримеры пробоев, даже выходя из пор, будут только «стелиться» по поверхности пористой изоляции пластины, даже не пытаясь направиться ко второму электроду,— конденсатор станет «непробиваемым». Вблизи поверхности пористой изоляции пластины при этом возни­кает плотный объемный заряд, состоящий в основном из положи­тельных ионов, являющихся непреодолимой преградой для растущих стримеров и надежно преграждающий им путь ко второму электроду.

Конфигурация электрического поля между электродами им­пульсного конденсатора с изоляцией отрицательной пластины пористым материалом (гелем() при работе на обратной поляр­ности показана на рис. 3.7.

Рис. 3.8. Принципиальная схема импульсного конденсатора с по­ристой гелевой изоляцией отрица­тельных и экранной изоляцией поло­жительных пластин:

1 — ванна — одна из обкладок конден­сатора; 2 — пористая, гелевая изоля­ция отрицательных пластин; 3 — соеди* нениые с ванной положительные пла­стины; 4,— диэлектрические экраны положительных пластин; 5 — проход - ные изоляторы (против скользящих разрядов); 6 — токопроводы

На рис. 3.8 приведена принципиальная схема импульсного конденсатора, в котором отрицательная пластина имеет пористую изоляцию, заполненную гелем, а положительная — изоляцию в виде экранов. Такой конденсатор может быть выполнен и ци­линдрическим с проходным отверстием по оси, что особенно важно, например, для электрогидравлического бурения. Питание им­пульсных конденсаторов рационально осуществлять от специаль­ных силовых установок, выполняемых по одной из приводимых ниже принципиальных электрических схем.

На рис. 3.9 приведена принципиальная схема питания им­пульсного конденсатора от разряда импульсного трансформатора. Импульс, создаваемый в первичной цепи источника питания, хотя несколько и «расплывается» после его трансформации, но тем не менее оказывается вполне приемлемым для эффективной работы импульсного конденсатора.

Принципиальная электрическая схема с питанием «от раз­ряда конденсатора» приведена на рис. 3.10. Питание импульсного конденсатора осуществляется импульсом, создаваемым разрядом конденсатора в первичной цепи питания. Применение указанных схем питания позволяет использовать в них обычные, не импульс­ные, конденсаторы, которые на практике в качестве рабочих конденсаторов электрогидравлических установок длительное вре­мя работать бы не смогли. Однако, формируя относительно корот­кий импульс, не опасный для их конструкции, но тем не менее достаточный для продуктивной работы импульсного конденсатора,

Рис. 3.9. Принципиальная схема питания импульсного конденса­тора от импульсного трансфор­матора:

Тр — трансформатор; V — выпря­митель; С — конденсатор; ФП1 — управляющий формирующий проме­жуток с синхронизатором; ТрИ— импульсный трансформатор; ФП2 — управляемый формирующий про­межуток; Ср — рабочий импульс­ный конденсатор; ФПЗ—форми­рующий промежуток; РП — рабочий искровой промежуток в жидкости

Рис. 3.10. Принципиальная схема питания импульсного конденсатора от разряда конденсатора:

Тр — трансформатор; V—выпрями­тель; С — питающий конденсатор;

ФП1 — управляющий формирующий промежуток с синхронизатором; Ср — рабочий импульсный конденсатор;

ФП2 — формирующий промежуток;

РП — рабочий искровой промежуток в жидкости

Такие обычные конденсаторы оказываются вполне пригодными для длительной и надежной работы в новых схемах питания электро - гидравлических установок, основанных на использовании ревер­сивного разряда и импульсных диэлектриков.

Использование импульсных конденсаторов позволяет осущест­вить своеобразную трансформацию крутизны фронта длительного первичного импульса, преобразовав его в короткий, крутой фронт вторичного — рабочего — импульса. В этой связи приведем опи­сание одного из ранних опытов. Если на очень тонком оголенном проводнике положительного электрода закрепить большую и тон­кую металлическую пластинку таким образом, чтобы плоскость ее совпадала с направлением проводника, а конец проводника выступал за край пластины не менее чем на 5—8 см, то оказывает­ся, что такое подключение не только не вызывает потерь, ска­зывающихся прежде всего на длине искры, но даже уменьшает их. В опыте искра между концом проводника (положительным элект­родом) и проводником отрицательного электрода оказывается даже несколько большей, чем раньше (до подключения пластины). Этот пример наглядно показывает проявление действия импульс­ного конденсатора, образованного пластиной и вторым провод­ником. За счет более крутого фронта импульса разряд стал длин­нее, так как стримеры его при более мощном импульсе росли, и скорее и на большее расстояние. На рис. 3.11 приведена прин­ципиальная схема этого опыта.

Применение импульсных конденсаторов позволяет резко повы­сить общий электрический КПД установки, а следовательно, и экономику всех процессов электрогидравлической обработки.

Применение импульсных конденсаторов может быть перспек­тивно и для передачи энергии по линиям обычных токопередач методом стоячей волны, что позволит резко сократить расходы на строительство и эксплуатацию этих линий. В будущем области

Рис. 3.11. Принципиальная схема опыта с подключением пластины в роли импульсного конденсатора: І — положительный электрод в жидко­сти; 2 — подсоединенная пластина; 3 — «искровой» конец электрода; 4-—пла­стина отрицательного электрода

Применения и конструктивное выполнение импульсных конденса­торов будут, по-видимому, чрезвычайно многообразными.

Импульсные кабели. Подобно обычным импульсные кабели также выполняют из двух основных токоведущих элементов: центральной жилы и коаксиально окружающей ее металлической оболочки, разделенных пространством, заполненным теперь уже не обычным, а импульсным диэлектриком. В этом случае деталь с отрицательной полярностью для уменьшения потерь и достиже­ния эффекта непробиваемости рационально изолировать либо несущим гель пористым диэлектриком, либо только гелем, а также экранами.

Для электрогидравлической установки бурения шпуров был предложен кабель [22] с водяной изоляцией (рис. 3.12), в котором для лучшего омывания его средой и удаления газов применяют снабженные отверстиями, центрирующие центральную токонесу­щую жилу кольцевые прокладки. Вода, заполняющая полость бура через отверстия в этих прокладках, может свободно проникать в полость кабеля, обеспечивая этим изоляцию его токонесущей центральной жилы.

Импульсные выпрямители. Основанием для создания импульс­ных выпрямителей послужили установленные закономерности про­боя при реверсивном разряде. Так, если на прямой полярностй при напряжении 100 кВ емкости 1,0 мкФ в технической воде пробивается рабочий искровой промежуток длиной около 1 м, то при переходе на обратную полярность (реверсивный разряд) повторяющийся устойчивый пробой наступает только после сближения электродов до 8—10 см. Таким образом, на прямой полярности пробой возникает при напряженности поля около

1

КВ/см, на обратной полярности — при 10—12,5 кВ/см-. Это об­стоятельство позволяет создать ряд приборов и устройств, которые при работе на прямой полярности будут способны свободно и практически без потерь пропускать, например, через восьми­сантиметровый искровой промежуток, импульсы тока при напря­жении 5—10 кВ, а при изменении полярности—не пропускать импульсы тока до 100 кВ.

Рис. 3.13. Принципиальная схе­ма выпрямителя с водяной изо­ляцией:

1 — внешняя проводящая оболоч­ка — корпус устройства; 2 — жид­кость (вода или гель) импульсный диэлектрик; 3 — изоляция электро­да; 4 — токопровод; 5 — выравни­ватель поля — утолшение электро­да; 6 — острие; 7 — пластина элек­трода; 8 — изоляция пластины; 9 — изоляция выравнивателя поля

Устройство, выполненное таким образом, оказывается способ­ным работать в вентильном режиме, и с тем более высоким КПД, чем выше частота питающего его тока. На рис. 3.13 приведена принципиальная схема подобного выпрямителя с водяной изоля­цией. Очевидно, что изложенные способы получения импульсных диэлектриков могут быть применены при создании промышленных образцов подобных устройств. Такие устройства могут найти широкое применение в технике сильных высокочастотных токов высокого напряжения (например, при эксплуатации соответ­ствующих линий токопередач).

Выключатели импульсных токов большой мощности. Значи­тельный интерес представляет возможность создания выключате­лей импульсных токов большой мощности. Хотя эти выключатели предназначены в первую очередь для импульсных токов, но они также могут быть использованы и в линиях современных токопередач постоянного тока высокого напряжения, так как «бросок мощности», возникающий при разрыве подобной линии, есть не что иное, как тот самый импульс, который эти выключатели способны и разорвать, и погасить. Основными зада­чами всех типов существующих выключателей являются гашение и разрыв сверхмощной дуги броска тока, возникающего вслед за разрывом линии.

Оказалось, что способ получения реверсивных разрядов может быть успешно использован и при создании выключателей для линий токопередач. Для этого дуговой разряд между быстро раздвигающимися контактами разрывающего устройства-ру­бильника нужно заменить реверсивным кистевым разрядом между специальными электродами, помещенными в воде или другой жидкости. При этом разряд сопровождается небольшими поте­рями тока вследствие электролиза жидкости, звуковым эффектом и гарантией того, что этот кистевой разряд никогда не замкнет электродов и не превратится в разрушительный искровой, а тем более дуговой разряд, так как развивается он не как обычный — от одного электрода к другому, а только как реверсивный (разряд, идущий в обратную сторону от противоположного электрода).

На рис. 3.14 приведена принципи­альная схема выключателя сверхмощ­ных токов и напряжений с использо­ванием реверсивного разряда. Работа устройства осуществляется следующим образом. Для разрыва одной из линий постоянного тока в цепь этой линии включается управляемый рубильник 1. При этом необходимо иметь в виду, что всякая линия постоянного тока обяза­тельно образует в месте своего разрыва, где бы он ни находился, два полюса: положительный и отрицательный. Усло­вимся, что в данном случае положи­тельный полюс тока оказывается там, где он показан на рисунке.

Рубильник / срабатывает, например, от взрыва порохового запала (2 — взрывной привод рубильника), и между его расходящимися контактами должна обязательно возникнуть дуга. Однако в сеть включена батарея статических конденсаторов заданной емкости СР1 — Ср2, в которую прежде все­го и направится бросок тока, быстро заряжая ее. Емкость этой батареи недостаточна, чтобы принять на себя весь ток линии за время, пока раздвигаются контакты основного рубильника. Подобная батарея, к сожалению, оказалась бы слишком громозд­кой и технически неосуществимой. Тем не менее та батарея, которая предполагается к установке в схеме данного выключателя, обычна по своим габаритным размерам, поскольку ее задачами являются только смягчение пика броска мощности и перевод основного тока броска в иное русло — русло реверсивного раз­ряда. Батарея вместе с шаровыми разрядниками ФП1 и ФП2 и РП образует разрядный, контур хорошо известной нам электро - гидравлической схемы, настроенной на реверсивный разряд. Поэтому, как только батарея зарядилась, приняв основной пик броска мощности и не допустив дугу разгореться особенно интен­сивно, шаровые разрядники пробиваются и на рабочем промежут­ке возникает реверсивный разряд. При этом конденсаторы немедленно разряжаются и оказываются в состоянии снова от­бирать ток от дуги, которая все более и более гаснет. Контакты рубильника / продолжают быстро раздвигаться, условия суще­ствования дуги ухудшаются. Если она еще существует, то кон­денсаторный блок и реверсивные разряды продолжают отбирать энергию броска мощности до тех пор, пока будет необходимо. Средствами обратной связи просигнализируют о затухании дуги в систему, в схеме отключатся рубильники и линия будет пол­ностью отключена.