Исследования предпробивных процессов в воде с приэлектродными пузырьками в микросекундном диапазоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.12, кандидат технических наук Мелехов, Александр Викторович

• Мелехов, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мелехов, Александр Викторович

Введение.

Глава 1. Генерация долгоживущих микропузырьков регулируемого размера

1.1. Постановка эксперимента.

1.2. Экспериментальная установка и методы измерения

1.3. Генерация микропузырьков

Выводы по главе 1.

Глава 2. Поведение воздушных пузырьков в дистиллированной воде и в перфтотриэтиламине в предпробивных электрических полях.

2.1. Методика проведения экспериментов.

2.2.Форма и поведение пузырьков в перфтортриэтиламине

2.3. Форма и поведение катодных пузырьков в воде.

2.4. Форма и поведение анодных пузырьков в воде.

2.5. Анализ полученных результатов

Выводы по главе 2.

Глава 3. Зажигание разряда в воде с помощью пузырьков

3.1. Методика проведения экспериментов

3.2. Катодное зажигание разряда.

3.3. Анодное зажигание разряда

3.4. Анализ полученных результатов

Выводы по главе 3.

Глава 4. Оптические и электрооптические исследования предпробойных катодных процессов в деионизованной воде

4.1. Постановка эксперимента.

4.2. Экспериментальная установка и методы исследования.

4.3. Электрическая прочность.

4.4. Катодные процессы. . . . . 83 4.5 Анализ полученных результатов. . . . . . .88 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследования предпробивных процессов в воде с приэлектродными пузырьками в микросекундном диапазоне»

Актуальность работы

Интенсивное использование жидких диэлектриков в технике высоких напряжений требует всестороннего изучения процессов, протекающих в них при электрических разрядах. Несмотря на важность полученных ранее результатов [1-4], единой теории развития разряда в жидких диэлектриках, в настоящее время, не существует, поскольку процесс развития разряда включает в себя элементы как «пузырькового», так и ионизационного механизмов пробоя.

Появление моделей, связанных с зарождением в жидкости парогазовой фазы, позволяет объяснить на качественном уровне зависимость импульсной электрической прочности от давления и температуры. Критерии пробоя основаны на появлении пузырьков за счет кипения жидкости при протекании тока [5], либо за счет кавитации под действием электростатических [6] или кулоновских сил [7]. Кроме того, в жидкости существуют микропузырьки еще до воздействия напряжения [8]. Газовая фаза может состоять из воздуха и других газов, появившихся в жидкости в результате производства, хранения и эксплуатации. Наличие микрорельефа на поверхности электродов, а именно, пор и выступов, способствует образованию стабильных микропузырьков [9], поэтому в обычных условиях электротехнических экспериментов пузырьки микронных размеров всегда присутствуют на электродах и могут приводить к инициированию разряда [10]. Ясно, что в высоковольтных устройствах наличие пузырьков газа на поверхности электродов и изоляторов создает условия для развития первичных ионизационных процессов и приводит к снижению рабочего напряжения [11,12].

Таким образом, наличие микропузырьков в жидкостях или их генерация под действием электрического поля не вызывает сомнения. В отсутствии инициирующих процессов (сфокусированное лазерное или ультразвуковое излучение в объеме межэлектродного промежутка), бесспорным является факт зарождения электрического пробоя вблизи поверхности электродов [4]. Это дает возможность выделить, по крайней мере, две стадии в механизме развития разряда. Первая - приэлектродная, благодаря чему появляются области с повышенной электропроводностью и вторая - в объеме промежутка. Для исследования разряда очень важно изучение первой фазы, поскольку она является инициирующим фактором развития пробоя жидкого диэлектрика.

Отдельные, качественные опыты по влиянию пузырьков на развитие электрического разряда в жидкости достаточно противоречивы [2] и не могут объяснить процессы инициирования пузырькового разряда. Поэтому, для уточнения степени влияния пузырьков на импульсную электрическую прочность жидких диэлектриков, возникает необходимость экспериментального исследования динамики их поведения в сильных электрических полях, а так же развития ионизационных процессов в пузырьках и их переходе в жидкость.

Особое место среди жидких полярных диэлектриков занимает дистиллированная вода (относительная диэлектрическая постоянная г = 80, она неизменна до частот 1 ГГц), интенсивно используемая в высоковольтных импульсных накопителях и коммутаторах энергии [3,11-15]. В мощных импульсных накопителях энергии цикл заряд-разряд длится около микросекунды, практическая напряженность поля составляет сотни киловольт на сантиметр [13,14]. Характерные размеры пузырьков, приводящих к пробою в таких системах должны составлять десятки микрометров. Поведение пузырька под действием электрического поля может меняться в зависимости от диэлектрической проницаемости жидкости, в которой он находится. Поэтому необходимо исследовать его поведение в случае неполярной жидкости. Для сравнения результатов, в качестве неполярной жидкости был выбран перфтортриэтиламин (е = 1.9), обладающий высокими электрофизическими и теплотехническими характеристиками [16-18].

Исследование поведения пузырьков в сильных полях важно для маслонаполненного электрооборудования, электрогидравлических и электрогидродинамических преобразователей и т.п., а также для экспериментальной проверки теоретических представлений «пузырьковых» моделей разряда.

Анализ литературных данных о роли пузырьков в инициировании импульсного электрического разряда в жидкостях

Многообразие физических процессов, протекающих при пробое жидкостей, не позволяет сделать полный охват этих явлений. Экспериментальные данные, полученные в разных условиях, даже могут противоречить друг другу (обычно влияние состояния поверхности электродов и примесей в жидкостях не учитываются). Гидростатическое давление не приводит, к какому либо значительному изменению плотности или движению зарядов в ранее не сжатой жидкости. Поэтому, модели, базирующие на электронном возбуждении межмолекулярных колебаний и ударной ионизации в жидкостях [1,2], не могут объяснить того факта, что прочность жидкости в микросекундном диапазоне экспозиций напряжения зависит от гидростатического давления [3,4].

Влияние давления свидетельствует о том, что критическая стадия процессов зажигания разряда связана с изменением фазового состояния жидкости, приводящего к формированию парогазовых пузырьков. Предполагается, что сформировавшийся пузырек вытягивается в направлении приложенного поля электростатическими силами и, достигнув определенного размера, пробивается в результате ударной ионизации. Необходимо отметить, что главное отличие между ионизационными и пузырьковыми моделями лежит во временном различии явлений, предшествующих пробою. В первом случае ионизация и рост тока начинаются непосредственно в жидкости, во втором - в парогазовой фазе, которая создается при воздействии электрических полей, после чего разряд переходит в жидкость. Этот порядок явлений существенен для критерия пробоя.

Согласно термическому механизму [5], паровые пузырьки генерируются при нагреве жидкости вследствие протекания тока с электродных неоднородностей. Повышение давления в жидкости приводит к увеличению температуры кипения. Подгонкой параметров было получено хорошее согласие с экспериментальными результатами [19]. Авторы гипотезы провели специальные опыты по измерению импульсной прочности н-гексана в окрестности критической точки, как в жидкой, так и в паровой фазе [20]. Изменения в электрической прочности при переходе от пара к жидкому состоянию не было обнаружено. Во время измерений вблизи критической точки наблюдалось много пузырьков в жидкости, которые не сказывались на понижении ее прочности. Объяснялось это тем, что при повышенных давлениях и температурах пузырьки имеют высокую электрическую прочность [21].

В работе [6] был предложен кавитационный механизм генерации пузырьков и показано, что зависимость электрической прочности от давления [19] содержится в пределе теоретических оценок. Дальнейшее развитие кавитационная модель получила в работе [7], где было учтено стрикционное давление и инжекция зарядов с микроострий на поверхности катода. «Хорошее» согласие с экспериментальными данными как термических, так и кавитационных моделей связано с вариацией параметров начальных значений, что лишний раз подтверждает многообразие явлений протекающих при разряде в жидкостях.

Так же существуют модели инициирования разряда в пузырьках, предварительно существующих на электродах [10]. Возможность существования парогазовой фазы в жидкости важна тем, что электрическая прочность газов существенно меньше, чем конденсированных диэлектриков. Наличие газа в жидкости может создать условия для развития первичных ионизационных процессов, являющихся «триггерным» механизмом развития разряда в жидких диэлектриках. Газовая фаза может состоять из воздуха и других газов, образующихся в результате производства, хранения и эксплуатации жидкости. Следует отметить, что в опытах по вскипанию и кавитации экспериментальные данные порога появления пузырьков не достигают теоретической «прочности» жидкости [9, 22], что указывает именно на существование очагов газообразования.

Существует несколько моделей статической устойчивости пузырька, например [23], при адсорбировании пузырьком поверхностно активных веществ образуется каркас, препятствующий сжатию, но не расширению. В работе [24] предполагается, что часть молекул жидкости образуют простейшую кристаллическую решетку. Тепловое движение элементарных кристаллических образований приводит к появлению зародышей парогазовых пузырьков, которые, под действием электрического поля, могут вырастать до макроскопических размеров в результате электронного умножения, диссоциации молекул или фотоионизации. В работе так же указывается на влияние микропримесей и, что более важно, поверхности электродов на паро и газообразование, как в жидкости, так и в твердом теле.

В работе [25] экспериментально показано, что для импульсов наносекундного диапазона оптический пробой в воде инициируется растворенным в ней газом в результате образования бабстонных кластеров, играющих роль гетерогенных центров пробоя. Бабстон (bubble, stabilized by ions) является стабильным газовым пузырьком в жидкости, имеющем ионную проводимость и находящимся в равновесии с внешней средой. По оценкам авторов, радиус бабстона в воде равен 14 нм. Показано, что при механической устойчивости возникает и диффузионное равновесие между растворенным газом и свободным газом внутри бабстона. Отмечается, что бабстоны способны к коагуляции с образованием кластеров размером 1-И.5 мкм. При

О О интенсивности лазерного излучения -10 Вт/см (среднеквадратичное поле волны Е = 0.6 MB/см) дегазация воды приводила к уменьшению вероятности оптического пробоя, но при приближении давления к давлению насыщенного пара Psat = 17.5 Topp вероятность пробоя резко возрастала. Этот факт объяснялся тем, что при Р = Psat жидкость находится в точке кипения и на оставшихся в ней гетерогенных центрах парообразования происходит интенсивное вскипание пузырьков, на которых происходит оптический пробой.

Паровое происхождение оптического пробоя авторы так же связывают с тем, что при повышении температуры выше Т = 97° С происходит резкое возрастание вероятности пробоя воды.

Инициирование оптического пробоя в воде объясняется растворенным в ней газом. Очистив гелием воду от долгоживущих гидратов и повысив интенсивности излучения до 1012 Вт/см2 (среднеквадратичное поле волны Е = 19 МВ/см) оптический пробой получить не удалось. В экспериментах по акустической кавитации в глубоко очищенной воде так же подтверждается присутствие бабстонов [22].

Реальные жидкости содержат микронеоднородности в виде микропузырьков свободного газа, твердых микрочастиц и их комбинаций. Согласно экспериментальным данным [8], в образце дистиллированной воды плотность стационарных микропузырьков в единице объема составляет порядка 104 см"3 при характерном размере 1.5 мкм, а общая плотность микрочастиц

6 -3 около 10 см" . Металлические электроды, используемые в экспериментах, содержат достаточно много газа, как внутри металла, так и на его поверхности [26]. Выделенные места электрода могут являться центрами образования микроскопических пузырьков. Однако наличие микропузырька не является критерием пробоя. Из экспериментальных данных по пробою малых промежутков в воздухе [1,27] следует, что пробой микронных промежутков происходит при напряженности электрического поля Е « 1 МВ/см, что не всегда реализуется в жидких диэлектриках. Следовательно, в случае пузырькового механизма пробоя, необходимо вытягивание пузырька вдоль поля для снижения напряженности зажигания разряда.

Определение степени влияния давления и температуры на импульсную электрическую прочность жидкостей имеет существенное значение для понимания механизма развития разряда, который связывают, как правило, с изменением условий газообразования в жидкости. В работе [19] исследовалось влияние гидростатического давления и температуры на импульсную электрическую прочность большого числа жидкостей, включая н-гексан и минеральное масло в однородном поле. Измерения проводились на прямоугольных импульсах напряжения длительностью от 1 мкс до 1 мс, причем данные получались при единичных пробоях на свежеприготовленных электродах и жидкостях. Импульсная прочность повышалась с давлением ~ Р1/9 и понижалась с ростом температуры жидкости даже при импульсах напряжения длительностью 1 мкс. В работе [28] отмечено повышение электрической прочности трансформаторного масла и воды с ростом давления в системе электродов острие-плоскость. При импульсной напряженности поля Е = 50 кВ/мм время запаздывания разряда в деионизованной воде, в квазиоднородном поле увеличивалось с 50ч-100 наносекунд до 10-^-20 микросекунд с изменением давления от 0.3 до 10 МПА [29].

Таким образом, можно заключить, что, по крайней мере, при временах воздействия напряжения более микросекунды, импульсная прочность жидкостей существенным образом зависит от давления. В работе [30] показано, что прочность дегазированного н-гексана на постоянном напряжении падала с понижением давления ниже атмосферного, что связывалось с газом, адсорбированным на электродах. Полное удаление адсорбированного газа требует интенсивных методов, встречает определенные трудности, и в большинстве экспериментов не проводилось. Более слабая зависимость импульсной прочности жидких диэлектриков от температуры свидетельствует о достаточно большом числе гетерогенных центров при проведении экспериментов.

Статистическая теория импульсного пробоя в жидкостях Варда и Льюиса [31] не предназначена для объяснения действительных механизмов разряда, но придает большое значение тому факту, что результаты измерений необходимо оценивать на статистической основе. Следует отметить, что сравнение пробивной напряженности электрического поля в разных экспериментах гораздо хуже отражает «одинаковость» процессов развития разряда, чем данные, полученные при сходных временах запаздывания разряда 1р. Представляя время запаздывания разряда 1р в виде суммы времени статистического запаздывания tc и времени формирования разряда t,j,, молено оценить влияние внешних факторов на механизм инициирования разряда. Время статистического запаздывания tc зависит от локальной напряженности поля вблизи электрода, его материала и от условий проведения экспериментов. Время формирования разряда t,j, должно зависеть от свойств жидкости и, возможно, от скорости приэлектродных процессов.

Статистические исследования зависимости времен запаздывания разряда в воде от внешнего давления [4] показывают, что повышение давления с 0.1 МПа до 0.75 МПа приводит к увеличению t,j, со 154 не до 180 не, a tc с 75 не до 225 не (в три раза). Сильная зависимость времени статистического запаздывания от давления указывает на важную роль процессов образования пузырьков на стадии зажигания разряда. Аналогичные результаты были получены в н-гексане [33]. В диапазоне 1.3-И.7 МВ/см пробивная напряженность возрастала с увеличением давления до 1 МПа, а в наносекундном диапазоне длительности напряжения (Е > 1.9 МВ/см) время запаздывания пробоя увеличивалось, затем выходило на насыщение и даже несколько падало.

Сравнение с оптическими измерениями показывает, что внешнее давление влияет, прежде всего, на зарождение и развитие оптических неоднородностей вблизи поверхности электродов. Применение сверхбыстрых оптических методов регистрации быстропротекающих процессов позволило установить ряд важных закономерностей в развитии электрического разряда. Так в работе [29] было показано, что в дистиллированной воде при временах запаздывания л разряда ~ 10 наносекунд разряд развивается с анода. Развитие разряда начинается со скоростей ~ 103-f-104 м/с и завершается развитием быстрых ионизационных процессов со скоростью ~ 105-г10б м/с. Формирование разряда сопровождается выделением энергии, достаточной для генерации ударной волны. Характерный размер области выделения энергии [34] составляет ~ 10"3 см, а величина плотности энергии превышает 103 Дж/см3.

При микросекундных временах пробоя возможно формирование разряда с катода. В работе [35] методом интерферометрической скоростной фотохронографии исследовались пространственно-временные характеристики предразрядных процессов в слабонеоднородном поле (Емакс/Ешш = 2) в микросекундном диапазоне (Е = ЮСк-200 кВ/см). При подаче импульса напряжения в волновом режиме начинался процесс установления электрострикционного давления. Максимум давления находился возле электродов, т.е. в области максимальной напряженности поля. Перед фронтом волн, распространявшихся со скоростью звука от электродов, имелись области пониженного давления (разрежения). Спустя некоторое время в прикатодной области наблюдалось искажение электрического поля и развитие непрозрачных зон интенсивных возмущений, развивающихся к аноду со скоростью звука и заканчивающихся пробоем при достижении ими анода (канал разряда всегда развивался с анода со скоростями 105 м/с).

Уменьшение локальной напряженности электрического поля вблизи электродных микронеоднородностей, с которых начинается инициирование электрического разряда, возможно формированием диффузионных проводящих слоев. Создание диффузного проводящего слоя вблизи анода приводит к двукратному повышению электрической прочности воды, а вблизи обоих электродов к четырехкратному [36].

Исследование распределения предпробивных электрических полей в воде с помощью эффекта Керра в плоском промежутке при Е = 1.2 МВ/см показало, что поле остается однородным вплоть до электрического пробоя промежутка за времена ~ 102 наносекунд [37].

В неоднородном электрическом поле предпробивные явления локализованы в определенной области пространства и протекают со сравнительно небольшими скоростями, что удобно при их регистрации. В работе [38] было показано, что предпробивные явления в случае отрицательного острия сопровождаются ударной волной, скорость которой превышает скорость звука в жидкости. В дальнейших работах [39,40] было подтверждено это явление для отрицательной полярности острия и показано, что в случае положительной полярности, сферическое возмущение плотности может развиваться со скоростью в несколько раз превышающей скорость звука в жидкости. При отрицательном острие за фронтом ударной волны росли волокнистые возмущения со скоростью, не превышающей скорость ударной волны. При диссипации ударной волны основного возмущения на концах веточек генерировались вторичные ударные волны. В случае положительного острия вначале радиально распространялось волокнистое изменения плотности, которое затем сопровождалось сильной ударной волной. Форма растущего возмущения от положительного острия имеет более волокнистую структуру, чем от отрицательного острия. Необходимо отметить, что при прочих равных условиях, первичные возмущения плотности в жидкости, регистрируемые шлирен-методом, вначале появляются вблизи отрицательного острия [38-41]. Однако средняя скорость распространения возмущений в направлении плоского электрода при положительной полярности значительно выше. Скорость положительного возмущения слабо меняется по длине промежутка, а отрицательного имеет ярко выраженный ступенчатый характер [41]. При малом напряжении развитие отрицательного возмущения может остановиться на первом шаге, в то время как положительное всегда доходит до плоскости, если протекают начальные инициирующие явления.

С помощью сверхскоростной многокадровой лазерной шлирен системы [42] в системе электродов острие-плоскость, с радиусом закругления острия г « 50-г100 мкм, было установлено, что с острийного анода развитие первичных каналов сопровождается фазовым переходом, возникновением микропузырьков и их гидродинамическим расширением. Скорость развития первичных каналов ~ 3-105 см/с. При увеличении напряженности поля до Е ~ 2 МВ/см регистрировались разряды, развивающиеся сразу с большой скоростью > 5-Ю6 см/с. У острийного катода структура каналов в воде и трансформаторном масле одинакова, что указывает на их развитие в парогазовой фазе.

В работе [43] приводятся данные об инжекции зарядов и нарушении фазовой однородности в жидких диэлектриках. Оптические измерения проводились в нитробензоле с помощью эффекта Керра в системе электродов острие-плоскость с радиусом закругления электрода г = 300 мкм (и = 150 кВ, 1р ~ 1 мкс). Покадровая съемка показала, что инжектируемый объемный заряд квазиравномерно окружает вершину катода, а в случае острийного анода инжекция происходит из локальных центров на его поверхности. Зарегистрированные в экспериментах пузырьки находились в зоне повышенной эмиссии электродов. Если в пузырьках не развивались ионизационные процессы, то они либо растворялись в жидкости, либо выталкивались из приэлектродной области. Время растворения малоподвижных пузырьков меньше 10 мкс, а движущихся около 50 мкс. Скорости пузырьков близки к скоростям инжектированных носителей заряда. С повышением амплитуды импульсного напряжения происходил пробой пузырьков.

Выше были изложены теоретические и экспериментальные результаты о присутствии стабильных микропузырьков жидкости, а так же их генерации в процессе развития начальной стадии разряда.

В работе [44] экспериментально исследовано влияние одиночного пузырька воздуха на зажигание разряда в дистиллированной воде с

•7 проводимостью 3*10" См/м. Система электродов - анод (радиус закругления 5 мм) - плоскость (межэлектродное расстояние 150 мм), импульс напряжения 0.1 мкс/30 мс. Анодный пузырек диаметром 1.5 мм и более снижал напряжение зажигания разряда с 30 кВ до 16 кВ. Пузырек меньших размеров приводил к повышению напряжения зажигания разряда. Повышение напряжения зажигания при уменьшении размеров пузырька объяснялось эффектом электрического упрочнения газового промежутка при уменьшении его межэлектродного расстояния [2,20,45].

В мощных импульсных накопителях энергии, вследствие большой площади электродов, практическая напряженность поля на положительном электроде составляет 200^300 кВ/см для масла и 100-=-150 для воды [13,14]. Характерные размеры пузырьков, приводящих к пробою, в таких системах должны составлять десятки микрометров [1,27]. Наличие таких пузырьков приводит к снижению электрической прочности водяной изоляции емкостных накопителей энергии [12] и пробою вдоль поверхности диэлектрической изоляции [11].

Исследование поведения пузырьков в сильных полях так же важно для создания управляемых коммутаторов [15], электрогидравлических и электрогидродинамических преобразователей энергии, криогенных кабелей [46], способов управления жидкими средами в условиях невесомости [47], маслонаполненного электрооборудования [48] и т.п.

На основании представленного обзора можно сделать следующие выводы:

1. В жидкости и на поверхности электродов присутствуют стабильные микропузырьки;

2. При напряженности электрического поля Е < 1 МВ/см, и времени запаздывания разряда > 10"6 секунд в процессе формирования электрического разряда в жидкости участвует парогазовая фаза;

3. Поведение микропузырьков в сильных электрических полях в экспериментальном аспекте недостаточно иссследовано;

4. Процесс развития электрического разряда в микропузырьках (стримерный или многолавинный) нуждается в уточнении;

5. Механизм перехода разряда из микропузырьков непосредственно в жидкость экспериментально не исследован.

Постановка задачи исследования

Пузырьковые гипотезы инициирования разряда, в основном, ограничиваются условием достижения на пузырьке напряжения, соответствующего минимуму кривой Пашена. Однако экспериментальных данных явно не достаточно для выявления механизма разряда в пузырьке и его дальнейшей эволюции непосредственно в жидкости. Моделирование поведения микропузырьков в сильных электрических полях возможно с использованием искусственно созданного воздушного микропузырька, поскольку относительная диэлектрическая проницаемость всех газопаровых смесей близка к единице.

Более существенным фактором является диэлектрическая проницаемость жидкости е. Поэтому для четкого выявления отличия в деформации пузырьков необходимо проведение опытов с полярными и неполярными жидкими диэлектриками.

Особое место среди жидких полярных диэлектриков занимает дистиллированная вода (относительная диэлектрическая постоянная 8 = 80, неизменная до 1 ГГц), интенсивно используемая в высоковольтных импульсных накопителях и коммутаторах энергии. [3,11-15]. В мощных импульсных накопителях энергии цикл заряд-разряд длится около микросекунды, практическая напряженность поля составляет сотни киловольт на сантиметр. Характерные размеры пузырьков, приводящих к пробою в таких системах, должны составлять десятки микрометров. В качестве неполярной жидкости был выбран перфтортриэтиламин (е « 1.9). Фторорганические жидкости обладают высокими электрофизическими характеристиками [16] и применяются в конденсаторной промышленности [17] и в системах охлаждения высоковольтных устройств [18].

Размер пузырьков вблизи минимума напряжения кривой Пашена при, атмосферном давлении составляет несколько десятков микрометров. Оптическая регистрация деформации таких пузырьков требует большого увеличения, что уменьшает глубину резкости и диктует необходимость их пространственной локализации на электроде размером в сотни микрометров. Для регистрации перехода разряда из пузырька в жидкость и его дальнейшего распространения межэлектродные расстояния должны быть достаточно большими. Эти условия приводят к исследованию разряда в неоднородном поле. Механизм распространения разряда непосредственно в жидкости не должен качественно меняться от способа его инициирования. Поэтому, для получения дополнительной информации, возможно проведение электрооптических исследований предпробивных процессов в воде в квазиоднородном электрическом поле в отсутствии видимых пузырьков.

Цели исследования

1. Разработка методики создания долгоживущих микропузырьков контролируемого размера в жидкости;

2. Экспериментальное исследование влияния сильных электрических полей на поведение пузырьков в полярной (воде) и неполярной (перфтортриэтиламине) жидкостях;

3. Экспериментальное исследование механизма зажигания разряда в воде с помощью микропузырьков;

4. Оптические и электрооптические исследования предпробойных катодных процессов в деионизованной воде.

Объект и предмет исследования

Объект исследования: процессы в сильных электрических полях и предпробивные процессы в воде с приэлектродными пузырьками размером десятки микрометров в микросекундном диапазоне.

Предмет исследования: а) влияние сильных электрических полей на поведение пузырьков в полярной (вода) и неполярной (перфтортриэтиламин) жидкостях; б) механизм зажигания разряда в воде с помощью микропузырьков; в) локальная напряженность электрического поля на стадии развития предпробойных катодных процессов в воде.

Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту

1. В предпробивных полях впервые зарегистрирован "эффект полярности" в поведении анодных и катодных пузырьков в воде и его отсутствие в перфтортриэтиламине;

2. Наличие пузырьков на поверхности электрода приводит к более быстрому начальному инициированию катодных процессов, однако, вследствие их малой скорости распространения, разряд раньше развивается с анода;

3. Впервые установлено, что в воде развитие разряда в катодных пузырьках протекает в многолавинной форме, а в анодных пузырьках - в стримерной форме;

4. Впервые показано, что анодное зажигание происходит при росте пузырька до критического размера и сопровождается веером сверхзвуковых стримеров и ударной волной с центром на поверхности пузырька;

5. Катодные процессы при наличии пузырьков и их отсутствии в однородном и неоднородном полях развиваются с дозвуковой скоростью, измеренное усиление поля вблизи катодных неоднородностей на порядок превышает среднюю напряженность электрического поля;

6. Предложен механизм электрогидродинамического развития разряда с катода, заключающийся в развитии неустойчивости заряженного слоя жидкости вследствие частичных разрядов в парогазовой фазе.

Апробация работы

Результаты научных исследований были представлены на обсуждение на 9-ой, 10-ой, 13-ой международных научных школах-семинарах «Физика импульсных разрядов в конденсированных средах» (Николаев, Украина, 1999, 2001, 2007 г), на 2-ом международном совещании по электрической проводимости, конвекции и пробою в жидкостях (Гренобль, Франция, 2000 г.), на 6-ой международной конференции "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей" (Санкт-Петербург, Россия, 2000 г.), на 14-ой и 16-ой международных конференциях по жидким диэлектрикам (Грац, Австрия, 2002г, Пуатье, Франция, 2008 г), на научной конференции «Электрофизика материалов и установок» (Новосибирск, 2007 г.).

Финансовая поддержка

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 98-02-17903, 01-02-16932, 03-02-16214, 06-08-00128-а).

Внедрение результатов работы

Результаты исследований были востребованы ЗАО «СИБЕЛ» при подготовке проекта по модернизации импульсных накопителей энергии. Они используются в учебном процессе в курсе «Физические основы техники высоких напряжений» на факультете энергетики Новосибирского государственного технического университета.

Публикации

Всего опубликовано 82 печатные работы, в том числе 12 по теме диссертации, из них: 4 научные статьи в ведущих изданиях, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК РФ, одна научная статья в ведущем зарубежном рецензируемом журнале, 7 докладов в трудах международных научных конференций.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 103 страницах основного текста, включая 54 рисунка и список литературы из 86 источников.

Заключение диссертации по теме «Техника высоких напряжений», Мелехов, Александр Викторович

Выводы по главе 4

1. Начальная стадия формирования катодного куста на размерах <10 мкм не противоречит «пузырьковым» моделям пробоя.

2. Усиление поля на катодных неоднородностях достигает 10 МВ/см.

3. Предложенный механизм электрогидродинамического развития разряда с катода согласуется с экспериментальными данными.

4. Предпробойные катодные процессы начинаются раньше анодных, но при сравнительно медленной скорости их развития разряд, при временах меньших (УС, происходит с анода.

5. Локальное усиление электрического поля, вследствие эрозионных разрушений поверхности электродов при пробоях, ускоряет развитие анодных процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, результаты экспериментальных исследований и теоретический анализ полученных данных позволяют сделать вывод о выполнении основных задач работы:

1. Разработана простая методика создания долгоживущих микропузырьков контролируемого размера в жидкости;

2. В предпробивных полях впервые зарегистрирован "эффект полярности" в поведении анодных и катодных пузырьков в воде и его отсутствие в перфтортриэтиламине;

3. Наличие пузырьков на поверхности электрода приводит к более быстрому начальному инициированию катодных процессов, однако, вследствие их малой скорости распространения, разряд раньше развивается с анода;

4. Впервые установлено, что в воде развитие разряда в катодных пузырьках протекает в многолавинной форме, а в анодных пузырьках в стримерной форме;

5. Впервые показано, что анодное зажигание происходит при росте пузырька до критического размера и сопровождается веером сверхзвуковых стримеров и ударной волной с центром на поверхности пузырька;

6. Катодные процессы при наличии пузырьков и в их отсутствии в однородном и неоднородном полях развиваются с дозвуковой скоростью; экспериментально измеренное усиление поля вблизи катодных неоднородностей на порядок превышает среднюю напряженность электрического поля;

7. Предложен механизм электрогидродинамического развития разряда с катода, заключающийся в развитии неустойчивости заряженного слоя жидкости вследствие частичных разрядов в парогазовой фазе.

В заключение автор выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность С. М. Коробейникову за постановку интересной задачи, постоянное внимание и руководство, а так же за помощь, ценные советы и обсуждения при написании диссертации.

Автор благодарен А.Г. Пономаренко за предоставленную возможность выполнения экспериментальной работы, по совместным с НГТУ грантам РФФИ, в ОЛП ИЛФ СОРАН.

Автор благодарен В.Г. Посуху, В.М. Антонову и Э.Л. Бояринцеву за помощь в проведении измерений, а так же Р.В. Мелеховой за помощь в оформлении диссертационной работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мелехов, Александр Викторович, 2008 год

1. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). M.-JL: ГНФ, 1958.-907 с.

2. Адамчевский И. Электрическая проводимость жидких диэлектриков. JI.: Энергия, 1972. - 295 с.

3. Ушаков В.Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Томск: изд-во ТГУ, 1975.-256 с.

4. Ушаков В.Я., Климкин В.Ф., Коробейников С.М., Лопатин В.В. Пробой жидкостей при импульсном напряжении. Томск: Изд-во HTJI, 2005. - 488 с.

5. Sharbaugh А.Н., Watson Р.К. Conduction and breakdown in liquid dielectrics. -In.: Progress in dielectrics. V.4, London, 1962, P. 199-256. Проводимость и пробой в жидких диэлектриках.

6. Krasucki Z. Breakdown of liquid dielectrics.//Proc. Roy. Soc. 1966. V. A294 - P. 393-404. Пробой жидких диэлектриков.

7. Бесов А. С Оптические исследования пузырьков в воде //Письма в ЖТФ -1984,- Т. 10. вып. 4 - С. 240-244.

8. Кларк Г., Стренг П., Уэстер Дж. Активные центры пузырьков кипения // В кн.: Вопросы физики кипения. -М.; Мир, 1964. С. 138-142.

9. Коробейников С.М. О роли пузырьков в электрическом пробое. 2. Сопоставление с экспериментом. // Тепл. выс. темп. 1998. - № 4. - С. 541 -547.

10. Ушаков В.Я., Капишников Н.К., Кухта В.Р. Электрическая прочность жидкостей и рабочая напряженность изоляционных промежутков высоковольтных импульсных устройств. // В кн.: Импульсный разряд в диэлектриках. Новосибирск: Наука. - 1985. - С.114-134.

11. Логунов В.М., Федоров В.М. Применение водяной изоляции в импульсных генераторах тока и электронных ускорителях Новосибирского ИЯФ. // Физика плазмы. 1978. - № 3. - С. 703-714.

12. Martin. J.C. Nanosecond pulse techniques: Preprint. Aldermoston Berks. 1971. 51 p. Наносекундная импульсная техника.

13. Смит Я. Формирующие линии с жидким диэлектриком. // В кн.: Накопление и коммутация энергии больших плотностей. М.: Мир 1979. С 25-39.

14. Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицин Ю.Ф. Сильноточные наносекундные коммутаторы. Новосибирск, «Наука», 1979. 176 с.

15. Андрианов К.А., Скипетеров В.В. Синтетические жидкие диэлектрик! Госэнергоиздат, 1962, 176 с.

16. Кучинский Г. С. Высоковольтные импульсные конденсаторы. Л., Энергия, 1973,- 175 с.

17. Watson Р.К. The electric strength of hexane vapor and liquid in critical region. // J. Appl. Phys. 1977. - V. 48,- № 3. - P. 943-950. Электрическая прочность паров гексана и жидкого гексана в критической области.

18. Watson Р.К., Sharbbaugh А.Н. The electric strength of nitrogen at elevated pressures and small gap spacings. // J. Appl. Phys. 1969. - V. 40. - № 1. - P. 328-334. Электрическая прочность азота при повышенном давлении в малых электродных промежутках.

19. Санкин Г.Н., Тесленко B.C. Двухпороговый кавитационный режим. // Докл. РАН. -2003. Т. 393. - С. 762 -765.

20. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хеммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974. - 687 с.

21. Бункин Н.Ф., Бакум С.И. Роль растворенного газа при оптическом пробое воды // Квантовая электроника. 2006. - Т. 36. - № 2. - С. 117-124.

22. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. М.: Энергия, 1979. - 504 с.

23. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит, 1991. - 224 с.

24. Каляцкий И.И., Кривко В.В. Исследование импульсной электрической прочности трансформаторного масла и воды при повышенных давлениях и температурах. // В кн.: Пробой диэлектриков и полупроводников.- М.: Энергия, 1964. С. 207-211.

25. Алхимов А.П., Воробьев В.В., Климкин В.Ф., Пономаренко А.Г., Солоухин Р.И. О развитии электрического разряда в воде // ДАН СССР 1970. - Т. 194. -№5.-С. 1052-1057.

26. Sletten A.M., Lewis Т. I. The influence of dissolve gases on electric strength of n-hexane // Brit. J. Appl. Phys. 1963. - V. 14,- № 12. - P. 883-888. Влияние растворенных газов на электрическую прочность н-гексана.

27. Lewis Т.J., Ward B.W. A statistical interpretation of electrical breakdown of liquid dielectrics // Proc. Roy. Soc A. 1962 - V. 269. - № 1337. - P. 233-248. Статистическая интерпретация электрического пробоя в жидких диэлектриках.

28. Климкин В.Ф. Особенности развития электрического пробоя воды в субмиллиметровых промежутках // ЖТФ. 1987. - Т. 57. - №4. - С. 805-807.

29. Климкин В.Ф. Границы механизмов электрического пробоя н-гексана в квазиоднородном поле // ЖТФ. -1991. Т. 61 -№8. - С. 80-83.

30. Климкин В.Ф., Пономаренко А.Г. Исследование импульсного электрического пробоя жидкостей с помощью оптической интерферометрии // ЖТФ. 1979. - Т. 49. - № 9. - С. 1896-1904.

31. Комин С.Н., Кучинский Г.С., Морозов Е.А. Механизм нарушения электрической прочности воды в микросекундном диапазоне // ЖТФ. 1984. -Т.54. - №9. - С.1826-1829.

32. Воробьев В.В., Капитонов В.А., Кругляков Э.П., Цидулко Ю.А. Исследование пробоя воды в системе с «диффузионными» электродами // ЖТФ.- 1980. Т.50. - №5. - С. 993-999.

33. Овчинников И.Т., Яншин К.В., Яншин Э.В. Исследование распределения предпробивных электрических полей в воде с помощью эффекта Керра // ЖТФ.- 1974. Т.44. - №2. - С. 472-474.

34. Chadband W.G., Wright. G.T. A pre-breakdown phenomenon in liquid dielectric hexan // Brit. J. Appl. Phys. VI6 - №3. - P. 305-314. Предпробивные явления в гексане.

35. Yamashita Н., Amano Н., Mori Т. Optical observation of pre-breakdoun and breacdoun phenomena in transformer oil. // J. Appl. Phys. 1977. - V. 10. - P. 17531760. Оптические наблюдения предпробойных и пробойных явлений в трансформаторном масле.

36. McGrath Р.В., Nelson J.K. Optical studies of prebreacdoun events in liquid dielectrics. // Proc. IEE. 1977. - V. 124. -№ 2. - P. 183-187.

37. Оптические исследования предпробойных явлений в жидких диэлектриках.

38. Allan. R.N., Hizal Е.М. Prebreakdoun phenomena in transformer oil subjected to nonuniform fields. // Proc. IEE 1974. - V. 124 - P. 183 - Оптические явления в трансформаторном масле в неоднородных полях.

39. Климкин В.Ф. Предпробойные явления в жидкостях в квазиоднородном электрическом поле: Автореф. дис. . докт физ.-мат. наук: 01.04.13. Томск, 2001.-40. с.

40. Коробейников С. М., Яншин К.В., Яншин Э.В. Предпробойные процессы в жидкой изоляции при импульсном напряжении. // В кн.:Импульсный разряд в диэлектриках. Новосибирск: Наука. 1985. С. 99-114.

41. Скорых В.В. Влияние пузырьков газа на зажигание разряда в воде // ЖТФ. -Т.56.-№8.-С. 1569-1572.

42. Трофимова Н.Б. Исследование пробоя проводящих недегазированных жидкостей. // В кн.:Пробой диэлектриков и полупроводников. М.: Энергия 1964, С. 219-224.

43. Кремнев В.В., Месяц Г.А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск; Наука, 1987. - 224 с.

44. Белостоцкий Б.Р., Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. Твердотельные ОКГ. Под ред. акад. A.M. Прохорова. М., «Советское радио», 1972. 408 с.

45. Олихов И.М. ИПЛЭН Новое поколение приборов квантовой электроники // «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» 3-4/98. С. 26-29.

46. Климкин В.Ф., Папырин А.Н., Солоухин Р.И. Оптические методы регистрации быстропротекающих процессов. Новосибирск: Наука, 1980,- 208 с.

47. Коробейников С.М., Мелехов A.B., Посух В.Г., Антонов В.М., Рояк М.Э. Экспериментальные исследования поведения пузырьков в воде // Теплофизика высоких температур,- 2001. Т.39. - №2. - С. 163-168

48. Коробейников С.М., Мелехов A.B., Синих Ю.Н., Соловейчик Ю.Г. Влияние сильных электрических полей на поведение пузырьков в воде // Теплофизика высоких температур.- 2001. Т.39. - №3. - С. 395-399.

49. Молдавский Д.Д., Шкультецкий Л.В., Алексеенко С.В., Фурин Г.Г. О растворимости основных компоентов воздуха в перфторированных соеденениях // Журн. прикл. химии. 1999. - Т.72. - Вып. 5. - С. 744-747

50. Краткий справочник физико-химических величин./ Под ред. Мищенко К.П., Равделя A.A. М.-Л.:Химия, 1965. 160 с.

51. Коробейников С.М., Сарин С.Г., Фурин Г.Г. Электрическая проводимость перфтортриэтиламина при постоянном напряжении // Журнал Прикладной Химии. 1996 - Т.69. - Вып. 2. - С. 321-326.

52. Техника высоких напряжений. Под ред. М. В. Костенко. М., «Высш. школа», 1973.-528 с.

53. Коробейников С.М., Мелехов A.B., Ганенко К.Б. Поведение пузырьков в перфтортриэтиламине под действием сильных электрических полей // Теплофизика высоких температур,- 2001. Т.39. - №6. - С. 885-889.

54. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М. «Наука»: ГРФМЛ, 1988. -736 с.

55. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1 М. «Наука»: ГРФМЛ, 1973. -536 с.

56. Jones Т.В., Bliss G.W. Bubble ^electrophoresis. // J. Appl. Phys. 1977. - V.48. -№4. - P. 1412-1417. Пузырьковый диэлектрофорез.

57. Щехтман И.А. Теория электромагнитного поля. Учебное пособие. ИЯФ -НГТУ. 1998. 153 с.

58. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М. «Наука»: ГРФМЛ, 1982. - 624 с.

59. Справочник по электротехническим материалам.: В 3-х т. Т.З./под ред. Ю.В. Корицкого и др.-3-e изд., М.: Энергоатомиздат, 1988.

60. Коробейников С.М., Мелехов A.B., Бесов A.C. Зажигание разряда в воде с помощью пузырьков // Теплофизика высоких температур. 2002. - № 5. - С. 706-713.

61. Korobeynikov S.M., Melekliov A.V. Microbubbles and breakdown initiation in water // Proc. of the 14 Int. Conference on Dielectric Liquid, 7-12 July, Graz, Austria, 2002. P. 127-131. Инициирование разряда в воде микропузырьками.

62. Паркин Б.Р., Гилмор Ф.Р., Броуд Г.Л. Ударные волны в воде с пузырьками воздуха. В кн.: Подводные и подземные взрывы. - М.: Мир, 1974. - С. 152258.

63. Сливков И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М. Энергоатомиздат. 1986. - 256 с

64. Райзер Ю.П. Физика газового разряда,- М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987,- 592 с.

65. Мюллер В. Электрооптические затворы. в кн.: Физика быстропротекающих процессов. Т.1. М. «Мир». 1971. - С. 200-304.

66. Kelley E.F., Hebner R.E., Jr. The electric field distribution associated with prebreakdown phenomena in nitrobenzene. // J. Appl. Phys. 1981. - V52. - № 1. - P. 191-195.Распределение электрического поля при предпробойных явлениях в нитробензоле.

67. Воробьев В.В., Капитонов В.А., Князев Б. А., Кругляков Э.П. Постоянная Керра воды // ПМТФ. 1976. - №1. - С. 155-160.

68. Ушаков В.Я. К вопросу о фотографических методах исследования механизма скользящих разрядов в жидкостях. // Известия. Вузов. «Физика», -1966. №4.-С. 96-100.