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**
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,r
0) 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,r
0) 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).