Генератор импульсных токов

Генератор импульсных токов (ГИТ) предназначен для первичного преобразования электрической энергии. Включает элек­трическую сеть переменного тока частотой 50 Гц, высоковольтный трансформатор, выпрямитель, токоограничивающее устройство, аппа­ратуру защиты. В ГИТе выделяют зарядный и разрядный контуры, которые связаны между собой батареей конденсаторов. ГИТ, являю­щийся источником питания, связан с технологическим блоком через разрядный контур.

Импульсные генераторы характеризуются следую­щими основными параметрами: напряжением на батарее конденсаторов U, электрической емкостью батареи С, накопленной в конденсаторах энергией W_н, энергией в импульсе W₀ частотой следования импульсов υ.

Назначение зарядного контура — заряжание батареи конденсаторов до заданного напряжения. Контур включает токоограничивающее устройство, повышающий трансформаторе и высоковольтный выпрямитель. Для выпрямления зарядного тока применяют селеновые или кремниевые столбы. Высоковольтным трансформатором исходное напряжение питающей сети 380/220 В повышается до (2-70) 10³ В.

В схеме L - С – D имеем ή₃ > 50 %.

При применении генераторов импульсных токов значительны поте­ри энергии на стадии формирования разряда. Этого недостатка лишена распространенная система, в которой сочетаются генераторы импульсных токов и напряжения (рис. 30). В этой системе пробой формирующего промежутка производится за счет энергии конденсаторной батареи генератора напряжения, что создает токопроводящий канал в основном рабочем промежутке и обеспечивает выделение основной энергии разря­да в разрядном промежутке генератора импульсных токов.

Характерное для такой системы соотношение электрических напряжений и ем­костей составляет: » при где индекс 1 соответствует генератору напряжений, а индекс 2 — генератору токов. Так, к примеру

Энергетические и массогабаритные показатели генератора существенно зависят от высоковольтного трансформатора и выпрямителя. Коэффициент полезного действия зарядно-выпрямительного устройства повышается при применении высоковольтных кремниевых столбов. Выпрямители имеют высокие характеристические показатели — удельный

объем от 0,03 до 0,28 м³/кВт и удельную массу 25—151 кг/кВт.

В электроимпульсных установках применяются также единые бло­ки, включающие трансформатор и выпрямитель, что уменьшает основ­ные размеры и упрощает коммутационную сеть.

Импульсные конденсаторы предназначены для накоп­ления электрической энергии. Высоковольтные импульсные конден­саторы должны обладать повышенной удельной энергоемкостью, малой внутренней индуктивностью и малым сопротивлением при больших токах разряда, способностью выдерживать многократные циклы заряд-разряд. Основные технические данные импульсных конденсаторов при­ведены ниже.

Напряжение (номинальное), кВ ...................................5-50

Емкость (номинальная), мкФ . . ...................................0,5-800

Частота разряда, число импульсов/мин.......................1-780

Ток разряда, кА...............................................................0,5-300

Энергоемкость, Дж/кг....................................................4,3-30

Ресурс, число импульсов...............................................10^э - 3 • 10⁷

Одной из основных характеристик импульсных конденсаторов, влияющей на размеры батареи и электроимпульсной установки в целом, является показатель удельной объемной энергоемкости

(3.23)

где Е_н — накапливаемая энергия; V_к — объем конденсатора.

Для существующих конденсаторов ω_с = 20 -г 70 кДж/м³, что оп­ределяет повышенные размеры накопителей. Так объем батареи для Е_н = 100 кДж составляет 1,5—5,0 м³. В накопителях установок кон­денсаторы соединяют в батареи, что обеспечивает суммирование их электрической емкости, которая равна 100—8000 мкФ.

Высоковольтные коммутаторы применяются для мгновенного выделения в технологическом узле электрической энергии, накопленной в батарее конденсаторов. Высоковольтные коммутаторы (разрядники)' выполняют две функции: отключают разрядную цепь

от накопителя при его заряжании; мгновенно включают накопитель в цепь нагрузки.

Возможны различные конструктивные схемы разрядников и соот­ветствующие этим схемам типы коммутаторов: воздушные, вакуум­ные, газонаполненные, контактные тарельчатые, игнитронные и тригатронные, с твердым диэлектриком.

Основные требования к коммутаторам следующие — выдерживать высоковольтное рабочее напряжение без пробоя, иметь малую индук­тивность и малое сопротивление, обеспечивать заданную частоту сле­дования импульса тока.

В лабораторных электроимпульсных установках применяются преимущественно разрядники воздушного типа, обеспечивающие ком­мутацию больших энергий при длительном сроке эксплуатации и имею­щие сравнительно простую конструктивную схему (рис. 31).

Разряд­ники этого типа имеют ряд существенных недостатков, ограничиваю­щих их применение: влияние состояния поверхности и состояния ат­мосферного воздуха (запыленности, влажности, давления) на стабиль­ность воспроизводимого импульса; образуются оксиды азота, оказы­вающие воздействие на человека; образуется мощное высокочастот­ное звуковое давление.

В промышленных передвижных установках распространение полу­чили механические тарельчатые коммутаторы (см. рис. 31, а). Разряд­ники этого типа просты по электрической схеме и конструктивному ис­полнению, надежны при транспортировке и работе на участках с пе­ресеченным рельефом, но требуют регулярной очистки поверхности тарельчатых элементов. I

В состав электроимпульсной установки входят также блоки управ­ления импульсным генератором и технологическим процессом, системы защиты и блокировок, вспомогательные системы, обеспечивающие ме­ханизацию и автоматизацию процессов в технологическом узле.

Блок управления включает электрические схемы запуска, блоки­ровки и схему формирования импульса синхронизации.

Система блокировки служит для «мгновенного отключения вы­соковольтного напряжения. Система контроля состоит из вольтметра и киповольтметра, указывающих соответственно напряжение сети и на батарее конденсаторов, из индикаторных ламп, звуковых сигналов, а также частотомера.

Технологический узел

Технологический узел предназначен для преобразования электри­ческой энергии в другие виды энергии и для передачи преобразованной энергии на объект обработки.

Применительно к специфике разрядно-импульсной технологии разрушения горных пород технологический узел включает: рабочую разрядную камеру, рабочий орган в виде элек­тродной системы или электрогидравлического взрывателя, устрой­ство для впуска и выпуска рабочей жидкости и устройство перемеще­ния электродов или взрывающегося проводника (рис. 32). Рабочая разрядная камера заполняется рабочей жидкостью или специальным диэлектрическим составом.

Разрядные (рабочие) камеры делят на открытые и закрытые, заглубленные и поверхностные, стационарные, перемешаю­щиеся и выносные. Камеры могут быть одноразовые и многоразовые; вертикальные, горизонтальные и наклонные. Тип и форма рабочей ка­меры должны обеспечивать максимальное выделение накопленной элек­трической энергии, максимальный к л.д. преобразования этой энергии в механическую, передачу этой энергии на объект обработки или в заданную его зону.

Рабочий технологический орган предназначен для непосредственного преобразования электрической энергии в механичес­кую и для ввода этой энергии в рабочую среду, а через нее — на объект обработки. Тип рабочего органа зависит от используемой в данном тех­нологическом процессе разновидности электрического разряда в жид­кости — при свободном формировании разряда рациональны электрод­ные системы (рис. 33, а); при инициируемом разряде — электрогид­равлический взрыватель с взрывающимся проводником (рис. 33,6).

Рабочий орган испытывает динамические нагрузки, действие элек­тромагнитного поля и ультрафиолетовых излучений, а также влияние рабочей жидкости.

Электродная система применяется при свободном формировании разряда. По конструктивному фактору выделяют стержневые линей­ные и коаксиальные системы. Наиболее просты по исполнению линей­ные (противостоящие или параллельные) системы с сочетаниями форм электродов острие — острие и острие — плоскость. Недостатками ли­нейных систем являются их значительная индуктивность (1—10 мкГн) и ненаправленность действия.

Более совершенны коаксиальные сис­темы, имеющие малую собственную индуктивность и большой к.п.д. преобразования накопленной электрической энергии в энергию плаз­мы. Недостаток коаксиальных систем — их малая надежность и недол­говечность. Электродная система является технологичной и высоко­производительной за счет высокой частоты процесса создания механи­ческих нагружающих усилий.

По числу повторных разрядов выделяют системы разового и мно­гократного действия. Более экономичны и производительны системы многократного действия. Величина энергии, преобразуемой электродной системой, также влияет на конструктивное исполнение и долговечность.

В горной промышленности большее применение получили электродные системы, рассчитанные на с часто­той следования импульсов 1—12 в минуту. При электрическом разря­де из-за тепловых процессов происходит эрозия электродов, интенсив­ность которой зависит от материала электродов и рабочей жидкости, а также от количества энергии, выделяющейся в

канале разряда. Ра­бочая часть электродов изготавливается из стали Ст3 или Ст45; диа­метр выступающей части должен быть более 8 мм при длине не менее 12 мм. В зоне электрода температура плавления железа достигается за 10^-6 с, а температура кипения за 5 • 10^-6 с.

Вызванное этим интенсивное разрушение электрода сопровождается образованием плазменных струй (паров и жидких капель металла). Ослабленной зоной электрода являет­ся изоляционный слой на границе выхода стержня — токовода и воды.

Основными требованиями к электродной системе являются: высо­кий коэффициент преобразования электрической энергии, высокие

эксплуатационные и технологические показатели, экономически целе­сообразная стойкость. Наибольшую эрозионную стойкость имеют элек­троды из сплава меди, карбида вольфрама и никеля.

Площадь поверхнос­ти катода должна превышать площадь анода в 60—100 раз, что 6 соче­тании с подачей положительного импульса напряжения на анод обес­печит снижение потерь энергии на стадии формирования разряда и по­высит к.п.д. системы. Рациональный материал изоляции — стеклоплас­тик, вакуумная резина, полиэтилен.

Электрогидравлический взрыватель применяет­ся при инициируемом разряде, воспринимает динамические нагрузки, воздействие сильноточных полей и рабочей жидкости, что приводит к разрушению корпуса, изоляции и электрода.

В электрогидравлическом взрывателе положительный электрод изолирован от корпуса; взры­вающийся проводник устанавливается между электродом и заземлен­ным корпусом, выполняющим роль отрицательного электрода.

В за­висимости от решаемых технологических задач применяются проводни­ки из меди, алюминия, вольфрама; размеры проводника в пределах диаметр 0,25—2 мм, длина 60—300 мм. Конструкция электрогидрав­лического взрывателя должна обеспечивать концентрацию энергии в требуемом направлении и формирование цилиндрического по форме фронта ударной волны, а также технологичность операций по установ­ке и замене взрывающегося проводника.

Для выполнения части этих требований необходимо, чтобы корпус электрогидравлического взры­вателя служил жесткой преградой Для распространяющегося фронта волн.

Это обеспечивается применением специальных кумулятивных вые­мок в корпусе взрывателя и определенного сочетания линейных разме­ров корпуса и проводника. Так, диаметр корпуса взрывателя должен в 60 раз и более превышать диаметр взрывающегося проводника.

В последние годы разработаны новые конструктивные схемы и спе­циальные устройства, повышающие эффективность действия рабочих органов, обеспечивающие направленность действия на объект обработ­ки образуемых волн и гидропотока.

К таким устройствам относят пас­сивные отражающие поверхности, электроды со сложной геометрией, генераторы расходящихся волн. Имеются также устройства для протяж­ки взрывающегося проводника, что осложняет конструкцию взрыва­теля, но повышает технологичность процесса.

Для непосредственного преобразования энергии электрического разряда в энергию импуль­са сжатия применяют специальные электровзрывные патроны (рис. 34).

Рабочая жидкость, заполняющая технологический узел, играет весьма существенную роль в процессе электрического разряда. Именно в жидкости воспроизводится разряд с непосредственным пре­образованием электрической энергии в механическую.

В жидкости наб­людается ионизация, а также газовыделение непрореагировавших кис­лорода и водорода (до 0,5 • 10^-6 м³/кДж), жидкость вовлекается в дви­жение распространяющимся фронтом волн, что образует в технологи­ческом узле гидропоток, способный совершать механическую работу.

В качестве рабочей жидкости применяется вода (техническая, мор­ская, дистиллированная) и водные электролиты; углеводородные (ке­росин, глицерин, масло трансформаторное) и силиконовые (полиметилсилоксаны) жидкости, а также специальные диэлектрические, жид­кие и твердые составы. Большее применение получила техническая вода, удельная электрическая проводимость которой составляет (1- 10) См/м.

Электрическая проводимость жидкости существенно влияет на ве­личину энергии, необходимой для формирования разряда, так как оп­ределяет величину пробойного напряжения и скорость движения стри­меров. Минимальная напряженность, при которой возникают стримеры, оценивается в 3,6 • 10³ В/мм.

Значения удельной электрической проводимости (См/м) некото­рых жидкостей, применяемых для заполнения технологического узла, приведены ниже.

Техническая вода (водопроводная).........................................................(1—10) 10^-2

Морская вода.............................................................................................1-10

Дистиллированная вода............................................................................4,3 -10^-4

Глицерин.....................................................................................................6,4 • 10^-6

Видно, что диэлектрические жидкости имеют малую ионную про­водимость. Удельное электрическое сопротивление жидкости (р_ж) оп­ределяет также величину электрического к.п.д. и зависит от величины энергии, вводимой в единицу объема рабочей жидкости. Так, для воды параметр р_ж уменьшается с увеличением до значений 500—1000 кДж/ ; с дальнейшим возрастанием W₀ параметр р_ж стабилизирует­ся в пределах 10—25 Ом-м.

Электрический разряд в жидкости зависит также от плотности ра­бочей жидкости — с увеличением плотности уменьшаются пик перена­пряжений и крутизна спада тока. Чтобы повысить величину напряжения разрядного контура, а соответственно величину напряжения пробоя, следует применять рабочие жидкости с низкой удельной проводимостью (пример — техническую воду).

Применение жидкостей с большей прово­димостью облегчает процесс образования скользящих разрядов; увеличивает потери энергии на стадии формирования канала и снижает амплитуду ударной волны.

В качестве рабочей жидкости используют также вязкие составы (веретенное масло — 70%, алюминиевый порошок — 20%, мел — 10%), что повышает на 20—25 % амплитуду ударной волны и снижает потери энергии.

В качестве диэлектрика применяют также металлизированную диэлектрическую нить и бумажные ленты, пропитанные электролитом. Ввод твердого диэлектрика уменьшает общие затраты энергии на про­бой (в 4—5 раз), снижает требуемое число стримеров (в 4—6 раз) [44, 46], уменьшает термическую радиацию и ультрафиолетовое излучение. Введение в поток рабочей жидкости твердых частиц токопроводящих добавок применяют взамен взрывающихся проводников.