УДК 537.528

О роли пузырьков в зажигании импульсного электрического пробоя.

С.М.Коробейников*, Ю.Н. Синих*, А.В.Мелехов**, В.М. Антонов**, В.Г.Посух**
*Новосибирский Государственный Технический Университет
**Институт Лазерной Физики СОРАН

 

     Экспериментально установлено, что в диэлектрических жидкостях на электродах образуются пузырьки. Относительно их происхождения и роли в пробое жидкостей предлагалось немало гипотез, начиная с того, являются ли пузырьки следствием пробоя или его причиной.

     Анализ известных экспериментов, проведенных в Сибирском НИИ Энергетики и Институте Лазерной Физики СОРАН [1] позволил выявить ряд данных указывающих на зажигание разряда с помощью пузырьков:

1. Последовательность кадров по предпробивным процессам в нитробензоле, на первом из которых на электроде существовал пузырек до подачи напряжения, на последующих развитие разряда из того места, где был пузырек и последующий пробой из этого места.

2. Цепочка пузырьков в приэлектродной области, которая возникает в зоне объемного заряда, на спаде напряжения, в случае недостаточной амплитуды импульса.

3. Периодические скачкообразные изменения напряженности поля в приэлектродной области, содержащей пузырьки, что указывает на локальные разряды в этой области.

4. Уникальный кадр, показывающий пузырьки в гексане на поверхности электрода, причем вблизи полюса наиболее вытянутого пузырька наблюдается полуразмытое конусовидное образование, которое, по нашему мнению, указывает на зажигание разряда в жидкости в процессе экспозиции кадра.

      Основываясь на этих экспериментах разработана пузырьковая модель зажигания разряда [2]. В модели считаются наиболее опасными, с точки зрения зажигания разряда в жидкости, микропузырьки радиусом 1-10 мкм. Математическая модель учитывает следующие факторы, действующие на пузырек: кулоновские силы, действие электрического поля, электрострикционное и внешнее давления, вязкие напряжения, поверхностное натяжение. Путем упрощений с выделением наиболее значимых эффектов, модель доведена до расчета конкретных экспериментальных зависимостей электрической прочности от различных факторов.

       На основе модели разработана учебно-исследовательская компьютерная программа для расчета зависимостей импульсной электрической прочности от различных факторов [3]. Программа «Bubbreak» («Зажигание разряда в жидкостях») написана в двух вариантах: DOS и Windows и состоит из блоков:

а) расчета предпробивного времени при разряде с анода или (и) катода в зависимости от давления, напряженности поля, температуры, размера пузырьков t(E,P,T,r0) путем численного решения дифференциального уравнения второго порядка. В основу расчета положен метод Рунге-Кутта-Мерсона 4-го порядка. Преимущество этого метода по сравнению с обычным методом Рунге-Кутта состоит в более высокой скорости вычислений;

б) обработки       рассчитанных  данных  t(E,P,T,r0) с  целью получения нужной   зависимости E(t)| P,T,r , E(P)| t,T,r , t(E)| P,T,r , t(P)| E,T,r , E(T)| P,E,r , t(r0)| P,T,E. Кроме этого, рассчитываются и могут быть выведены в линейном масштабе зависимости радиуса от времени и зависимости скорости от времени. В каждой из зависимостей остальные параметры считаются фиксированными, но их значения можно изменять в последующих расчетах;

в) построения графиков в логарифмическом или линейном масштабе;

г) ввода данных (выбор жидкости из библиотеки, установка параметров расчета и вывода), выбора требуемых зависимостей, а также ввода новой жидкости;

д) справки по теории пробоя, инструкции по работе и сведения о авторах;

е) работы с пользователем (студентом, либо исследователем) предполагающий регистрацию, сохранение, просмотр и удаление исходных и полученных данных (в графическом виде).

     Сопоставление расчетных и экспериментальных зависимостей показывает не только качественное, но и, в ряде случаев полуколичественное согласие.

      Однако прямого экспериментального подтверждения модели до сих пор нет. Это связано с экспериментальными трудностями, а именно, с малыми размерами активных пузырьков и кратковременностью событий. Характерный пространственный масштаб составляет 1-20 мкм, а временной масштаб- 10 нсек-1 мкс. Нами разработан способ получения микропузырьков заданного размера. Генерация пузырьков осуществляется импульсным нагревом квазиострийного электрода. В паровой пузырек, образованный после локального вскипания, диффундирует газ, растворенный в жидкости. После остывания на поверхности электрода остается долгоживущий, слаборастворяющийся микропузырек размером 20-100 мкм.

Авторы благодарны РФФИ и МинОбразования РФ за предоставление грантов.

[1] Korobeynikov S.M., Yanshin E.V., Yanshin K.V., Experimental evidence of bubble model of discharge initiation. Proc. of the 1998 International Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Atlanta, USA, 1998, p 436-438.

[2] Коробейников С.М. О роли пузырьков в электрическом пробое жидкостей. Тепл. Выс. Темп. 1998, N 3, стр. 362-367, 1998, N4, c 541-547.

[3] Korobeynikov S.M., Sinikh Yu.N., and Tregubov A.G. Research and Educational Computer Program of Breakdown Initiation in Liquids. Conf. Record of 13 ICDL, Japan, Nara, 1999 (to be published).

Hosted by uCoz