автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Разработка импульсного высоковольтного электрооптического моста и исследование предпробивной электропроводности воды

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

1.1. Объект измерений.

1.2. Специфика задачи измерений.

1.3. Электрические методы.

1Л. Оптические методы.

Задача исследования электрофизических процессов в воде при воздействии сильных импульсных электрических полей возникла в связи с ее использованием в качестве высоковольтной изоляции. Одна из наиболее важных областей применения водяной изоляции -мощные импульсные системы накопления больших энергий, необходимых для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Интенсивная разработка таких систем в настоящее время ведется как в СССР, так и за рубежом /1-5-5/. Вода как высоковольтная изоляция практически незаменима в электроимпульсных технологических установках, нашедших в последнее время ряд важных применений в промышленности /6,7/. Быстрое развитие электрогидравлики и расширение областей ее применения также вызывают необходимость в детальном исследовании поведения воды при воздействии высоковольтных импульсов.

На первых этапах исследования водяной изоляции основное внимание уделялось получению данных об ее импульсной электрической прочности в зависимости от таких факторов, как величина и длительность высоковольтных импульсов, наличия примесей, внешнего давления и температуры и т.п. Эти данные обобщены и систематизированы в монографии /8/.

В дальнейших исследованиях основной акцент был перенесен на выяснение феноменологии импульсного электрического пробоя воды. Значительный прогресс в этом направлении был достигнут за счет использования современных методов физического эксперимента, ранее развитых применительно к другим областям экспериментальной физики. В экспериментах применялись сверхскоростные, в том числе - электроннооптические, фоторегистраторы /8*16/, лазерная интерферометрия /17 * 20/, теневая съемка оптических явлений /5,11,21/.

В результате этих экспериментов была выяснена общая картина предпробивных явлений в воде. Было установлено /II, 15, 16, 17, 18/, что пробой воды и других исследованных жидкостей инициируется в микропузырьках, появляющихся вблизи электродов ( преимущественно - у анода) при воздействии высоковольтного импульса. Таким образом полученные данные показали, что импульсный электрический пробой воды происходит не по ионизационному механизму, в котором нарушение электрическом прочности жидкости объяснялось лавинным размножением в ней электронов /22*24/> а по электротепловому механизму.

Прямые экспериментальные доказательства определяющей роли инжекции зарядов в образовании микропузырьков и инициировании пробоя в жидкости были получены в экспериментах с нитробензолом /25,26/ с помощью методики, основанной на эффекте Керра. Однако применение этой методики в экспериментах с водой /27,28/ не позволило надежно зарегистрировать предпробивную инжекцию, поскольку электрооптический эффект в воде значительно меньше, чем в нитробензоле .

Для выяснения механизма появления предпробивных пузырьков и разработки способов повышения импульсной электрической прочности водяной изоляции необходимы надежные экспериментальные данные об инжекционных свойствах электродов, природе и подвижности носителей заряда, собственной и примесной электропроводности воды в предпробивных электрических полях.

К настоящему времени выполнено крайне ограниченное число работ по импульсной высоковольтной проводимости воды, что нашло отражение в обзоре /29/. Следует отметить, что существующие представления сформированы на основе теоретических моделей, нуждающихся в экспериментальной проверке. По существу единственные измерения импульсной высоковольтной электропроводности воды выполнены в работе /30/.

В этой работе было зарегистрировано значительное (более, чем в 5 раз) увеличение электропроводности деионизованной воды в полях с напряженностью до I МВ/см при воздействии микросекундных импульсов с амплитудой 3 кВ на межэлектродный промежуток 30 мкм. Анализируя полученные данные, автор этой работы смог сделать единственный вывод, что обнаруженное возрастание электропроводности не могло быть обусловлено увеличением степени диссоциации молекул воды под действием сильного поля, а объясняется, вероятно, инкекцией из электродов носителей заряда неизвестной природы.

Отметим, что отсутствие в рассматриваемой работе описания методики измерений и анализа экспериментальных ошибок не дает возможности оценить достоверность полученных данных. С другой стороны, как видно из выводов этой работы, основные вопросы о величине собственной электропроводности воды, природе инжектируемых зарядов и их подвижности в сильных полях остаются открытыми.

Анализ показывает, что основные трудности получения этих данных обусловлены следующим. I) При воздействии коротких импульсов напряжения ток проводимости в электроизоляционных жидкостях, особенно полярных, на несколько порядков меньше емкостного тока. Поэтому для выделения активной составляющей тока образца требуется высокая точность компенсации емкостной составляющей, причем это необходимо обеспечить в широком диапазоне частот. 2) Протекание больших емкостных токов через исследуемый образец жидкости создает значительные помехи и наводки, действующие на высокочувствительную регистрирующую аппаратуру (осциллограф + усилитель)

Использование обычных способов подавления помех и наводок оказывался недостаточно эффективным. 3) При электрическом пробое исследуемого образца амплитуда сигнала на входе измерительной аппаратуры скачком возрастает на несколько порядков и возникает опасность выхода ее из строя. Это не позволяет проводить измерения вблизи порога пробоя и получать наиболее интересную с физической точки зрения информацию.

В последние годы в высоковольтной технике стали применяться нетрадиционные методы измерений импульсных напряжений, основанные на использовании эффекта Керра. Оптическая развязка измерительных и высоковольтных цепей дает возможность радикально устранить наводки, а амплитудно-фазовое преобразование сигнала ячейкой Керра

- увеличить динамический диапазон и точность измерений по сравнению с обычным осциллоградированием импульса напряжения.

Представляется перспективным использовать достоинства электрооптических измерений при разработке методики и экспериментальной установки для исследования импульсной высоковольтной проводимости диэлектриков в предпробивных электрических полях.

Цель настоящей работы - создать методику измерений электропроводности жидких диэлектриков при воздействии высоковольтных импульсов и получить экспериментальные данные о предпробивной электропроводности воды.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

- разработана методика и создана экспериментальная установка для исследования электропроводности жидких диэлектриков при воздействии импульсов напряжения с амплитудой до 250 кВ и длительностью от 20 не до 5 мкс;

- получены экспериментальные данные о наносекундной кинетике высоковольтной электропроводности воды, инжекционных свойствах электродов и подвижности ионов в воде в полях с напряженностью до I МВ/см;

- найдены принципиально новые возможности управления кинетикой примесной электропроводности воды в сильных импульсных электрических полях.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Предложены и разработаны мостовые схемы, в которых, в отличие от известных, измерение высоковольтной электропроводности диэлектриков осуществляется оптическими способами (электрооптические мостовые схемы), что позволяет повысить точность, чувствительность, быстродействие и помехоустойчивость измерений. Создан импульсный высоковольтный электрооптический мост для исследования электропроводности жидких диэлектриков при воздействии импульсов с амплитудой до 250 кВ и длительностью 20 * 5000 не. Полоса пропускания электрооптического моста не менее 650 МГц, при амплитуде импульсов 100 кВ и времени регистрации тока 10 не чувствительность не хуже 60 мА, а при времени регистрации I мке - не хуже 0,6 мА., уровень наводок не превышает порога чувствительности во всей полосе пропускаемых частот. Пробой исследуемого образца не приводит к амплитудным перегрузкам регистрирующей аппаратуры.

2. Предпробивная электропроводность воды, назависимо от степени ее очистки, имеет преимущественно ионную природу и обусловлена присутствием собственных ( Н+ и ОН"), примесных и инжектируемых ионов. В полях с напряженностью до I МВ/см дрейфовая подвижность ионов с точностью ±5 % совпадает с их подвижностью в слабом поле , а высоковольтная электропроводность деионизованной

-7 -Т -Т воды не болэе, чем на 10 Ом см выше низковольтной вплоть до начала развития ионизованного канала пробоя.

3. Поверхность металлических электродов в воде при воздействии высоковольтных импульсов представляет собой инжектирующий ионный контакт резервуарного типа с ограниченной емкостью и способностью к восстановлению. Этот контакт может быть истощен, если электроды изготовлены из химически инертных металлов (например -нержавеющей стали), путем многократных воздействий высоковольтными импульссИш на межэлектродный промежуток, заполнений непрерывно заменяемой деионизованной водой, без его пробоев.

4. Присутствие в воде ионов или электронейтральных ди-полярных ионов аминокислот приводит к возникновению релаксационного процесса, в течение которого примесная электропроводность воды в сильном поле уменьшается значительно ниже уровня ее электропроводности в слабом поле.

5. Обнаруженный эффект релаксации примесной электропроводности воды мо:кно объяснить гипотезой о рекомбинации ионов путем протонного обмена под действием сильного электрического поля.

Диссертация содержит 5 разделов, введение, заключение и изложена на 120 стр. машинописного текста, имеет 42 рисунка, 3 таблицы, список из 91 наименования использованных литературных источников.

2.6. Заключение.

Предложены электрооптические мостовые схемы со скрещенными ячейками Керра и с двухлучевым интерферометром для измерения параметров пассивных электрических элементов - сопротивлений, емкостей и индуктивностей. Предложена методика измерений электропроводности изолирующих и слабопроводящих материалов при воздействии высоковольтных импульсов напряжения с помощью электрооптических мостовых схем.

Принципиальное отличие предложенных методов измерений от существующих состоит в том, что в электрооптических мостовых схемах используется оптическое сравнение измеряемого параметра с эталонным и все измерения электрических величин осуществляются оптическими способами.

При измерении импульсной высоковольтной электропроводности диэлектриков в электрооптической мостовой схеме ток смещения образца компенсируется оптически, а ток проводимости регистрируется с помощью фоторегистратора. Благодаря оптической развязке, в отличие от обычных схвм измерений, исключено воздействие высокого напряжения на регистрирующую аппаратуру при пробое образца или других элементов высоковольтного контура, исключены амплитудные перегрузки при разбалансировке схемы, значительно увеличена помехоустойчивость схемы в условиях работы мощных генераторов высоковольтных импульсов.

1.1. Схема с сосредоточенными параметрами.

2. Чувствительность электрооптического моста.

3. Минимальное регистрируемое изменение напряжения на ячейках Керра и образце в начале воздействия прямоугольного импульса напряжения оценивается следующей величиной:оЦ>= ^г • -qf2 (3.2)

4. Чувствительность ячеек Керра и точность измерения напряжения возрастают, как видно из (3.2), при увеличении амплитуды высоковольтного импульса. При этом также возрастают требования к точности регулировки величины компенсирующей емкости.

5. Чувствительность измерений проводимости неполярных диэлектриков выше, как видно из (3.4), чем полярных. При 2 минимальна регистрируемая электропроводность примерно в 40 раз меньше приведенных пороговых значений для воды.

6. Динамический диапазон измерений.

7. А, а разность электропроводности 3-Ю ^ 0м см . Более высокие разности токов приведут к частотной перегрузке фоторегистратора.

8. Оценивая динамический диапазон измерений отношением максимальных регистрируемых величин к минимальным, получим1.АЛЫ.» Aff'min~ (3.II)

9. Схема с распределенными параметрами.

10. Наиболее подходящей конструкцией такого типа является коаксиальный резонатор с емкостями в торцевых зазорах, обычно используемый при исследовании диэлектриков на низком СВЧ напряжении1. А9/.

11. Конфигурация коаксиального электрооптичеокого изморительного узла.го 40мм | ^1. Рис.3.1,I

12. Рассмотрим процесс установления напряжений в резонаторе.

13. Переходный процесс в резонаторе сопровождается затухающими колебаниями напряжения на ячейках Керра величиной SU,, и otf/ (см. рис.3.2). Для уравновешивания моста необходимо, чтобы этиIвеличины были равны Stf^t) = SU^t) в течение всего переходного

14. Необходимая точность выполнения этих требований оценивается следующим образом.

15. Если собственные частоты измерительной и компенсирующей ветвей резонатора отличаются между собой на небольшую величину a^v^ Vv , то это приведет, как можно показать, к паразитной фазовой модуляции регистрируемого света величинойir ^ Jt ,3.13)

16. Для отражений от неконтролируемых неоднородностей линии величиной необходимо выполнить условие ,

17. Краевой эффект в ячейках Керра.

18. Рассмотрим вопрос о влиянии неоднородности поля в ячейках на точность измерений^

19. Оптимальная конфигурация электродов ячеек Керра для электрооптического моста подбиралась путем расчетов распределения полей на ЭВМ БЭСМ-6 с помощью программы "КСИ-БЭСМ" /71/. Картина

20. Краевой эффект в измерительной емкости.

21. Картина поля в ячейках Керра

22. Вид со стороны фотоприемника. Числа у кривых % отклонения поля от однородного. Ыеаэлектродное расстояние 8 мм.1. Рис.3 Л.о г <з-О С?

23. В случае непроводящей компенсирующей емкости <?"*)отличие j* от I можно не учитывать, так как это приводит к пре

24. Неравенство геометрических константj несмотря на их малое отличие от I, может оказаться очень существенным, когда жидкости в измерительной и компенсирующей емкостях имеют близкие величины электропроводности .

25. В этом случае при измерении дифференциальной проводимостид<зч±) вместо (2.23) необходимо использовать следующую формулу,-полученную с учетом возможного отличия величин "}fu и у; :3.20)

26. Времяпролетная раскомпенсация.

27. Одноходовая оптическая схема.

28. В начале воздействия прямоугольного импульса напряжения с фронтом длительностью фаза, не скомпенсированная вследствие этого эффекта, оценивается следующей величиной:1. К2 V0 Ji С3/22)

29. Для типичных значений Ф0= 100 ft/2 , к= 2, 1( = 8 см, = 10 не нескомпенсированная фаза на фронте высоковольтного импульса достигает величины = $72 , что практически не позволяет установить баланс моста по регистрируемому импульсу света.

30. Двухходовая оптическая схема.

31. Принципиальная схема элоктрооптического моста о двухкратным прохождением света через скрещенные ячейки Керра.1. А Д ог1. ФЖ-171. С 7-1 OA7$1. ЯК,3 %1. U1. ЯКг