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.

Рис. 3.6. Принципиальная схема импульсного конденсатора с водяной изоляцией: / — ванна (одна из обкладок);. 2 — проходной изолятор против скользящих разрядов; 3 — пластина конденсатора; 4 —вторая пластина, соединенная с ванной; 5 — токоподводы

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

7* 99

> 1 2 3 Ч 5 б 7 III*/ Рис. 3.7. Принципиальная схема электрического поля между электродами импульсного конденсатора с изоляцией отрицательной пластины гелем при работе на обратной полярности: (Щ I [-;'{••:;':;1^4йЯр§ь^:| @ / — 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

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-

ществляться на такой полярности пластин, при которой офимер, 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 пл-астины 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: / — ванна — одна из обкладок конденсатора; 2 — пористая, гелевая изоляция отрицательных пластин; 3 — соединенные с ванной положительные пластины; 4,— диэлектрические экраны положительных пластин; 5—проходные 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 дяя 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; С_р — 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; К—выпрямитель; С —питающий конденсатор; ФП1 — управляющий формирующий промежуток с синхронизатором; С_р — 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 электрогидравлических 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: / — 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 смывания 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.

ч>

Импульсные выпрямители. Основанием для создания импульсных выпрямителей послужили установленные закономерности пробоя при реверсивном разряде. Так, если на прямой полярности' 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. 3.12. Принципиальная схема импульсного кабеля с водяной изоляцией:

а — простейший вариант; б — вариант с экранами;

/ — коаксиальная внешняя проводящая оболочка — положительный полюс тока; 2 — вода или гель — импульсный диэлектрик; 3 — пористая изоляция отрицательного электрода из обычного диэлектрика или геля; 4 — центральная жила — отрицательный полюс тока; 5 —экраны из диэлектрика; б — изоляция из воды или геля

Рис. 3.13. Принципиальная схема выпрямителя с водяной изоляцией:

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

6 5

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 /. 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 —

Рис. 3.14. Принципиальная ВЗрЫВНОЙ ПрИВОД рубильника), И МбЖДу

схема выключателя сверх- его расходящимися контактами должна мощных токов и напряжений обязательно возникнуть дуга. Однако параллельно рубильнику в сеть включена батарея статических конденсаторов заданной емкости С_Р1 — С_Р2, 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 электрогидравлической 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.

Глава 4