СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДУГОВОГО РАЗРЯДА В ПЛАЗМОТРОНЕ
METHOD OF ARC DISCHARGE CREATION IN PLASMATRON

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам формирования и стабилизации дугового разряда в плазмотроне косвенного действия.
Известны различные способы повышения устойчивости горения дугового разряда, общим для них является внешнее воздействие на электрическую дугу (введение в электрическую цепь балластных сопротивлений, обжатие дуг газом, жидкостью, стенками разрядной камеры).
Известен способ формирования электродугового разряда в плазмотроне, при котором подают в газовую камеру по ее оси поток плазмообразующего газа, подают в камеру жидкостной стабилизации тангенциальный поток жидкости, возбуждают в газовой камере вспомогательный разряд и, используя его, зажигают рабочую дугу, согласно изобретению, до подачи потока жидкости подают поток плазмообразующего газа, закрученного относительно оси газовой камеры, и после зажигания рабочей дуги подачу газа прекращают, а давление жидкости увеличивают (Патент России №2115269, кл. Н05В 7/18, заявл. 20.02.91, опубл. 10.07.1998).
Однако предлагаемый способ не позволяет протягивать дугу через длинные межэлектродные вставки и обеспечивать ее стабильное горение.
Устойчивое горение длинной высоковольтной дуги достигается в плазмотронах с секционированной межэлектродной вставкой (МЭВ), состоящей из набора коротких (l/d<2) секций, где l - длина секции; d - диаметр секции, и распределенной подачей плазмообразующего газа, причем с увеличением числа секций МЭВ энтальпия потока на выходе возрастает, а увеличение подачи плазмообразующего газа приводит к росту кпд плазмотрона (Жуков М.Ф., Аньшаков А.С. и др. Электродуговые генераторы с межэлектродными вставками. Новосибирск: Наука, 1981, 223 с.).
Однако при большом числе секций МЭВ усугубляются трудности, связанные с уплотнением межсекционных поверхностей, поджигом дуги и распределением газожидкостных потоков, возрастает турбулентность потока, дуга горит нестабильно.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принят способ стабилизации дугового разряда в плазмотроне с секционированными межэлектродными вставками (МЭВ), при котором соотношение геометрических размеров вставок выбирают из условия l/d>15, где l - длина межэлектродной вставки; d - диаметр вставки. На обдув дуги через тангенциальные отверстия по длине секции подают примерно 50-60% плазмообразующего газа, а остальное количество распределяли между потоками, вводимыми тангенциально через зазоры между пусковой секцией МЭВ и между МЭВ и анодной вставкой. При этом расход защитного газа на обдув катода сравнительно невелик. При запуске плазмотрона использовали регулируемое балластное сопротивление, величина которого равна или больше, чем сопротивление электрической дуги. Вспомогательная дуга между катодом и пусковой секцией инициировалась высокочастотным осциллятором и легко переносилась на анод при указанной величине балластного сопротивления и соотношении газовых потоков. После запуска плазмотрона балластное сопротивление отключали (Генераторы низкотемпературной плазмы. Тезисы докладов XI Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы. Часть 1., Академия наук СССР. Сибирское отделение - Новосибирск, 1989, с.82-83).
Существенным недостатком указанного способа является ограничение мощности дуги и температуры нагреваемого газа вследствие «явления шунтирования» - пробоя газового промежутка между столбом дуги и стенкой электрода. Чтобы получить высокий уровень напряжения на дуге, необходимо увеличивать длину дуги (до нескольких метров), что приводит к снижению коэффициента полезного действия из-за значительных потерь тепла за счет излучения и громоздкости конструкции плазмотрона. Другим существенным недостатком является отсутствие связи между диаметром МЭВ и напряжением холостого хода. Если диаметр МЭВ (нейтродов) выполнить сколь угодно большим, то плазмотрон, безусловно, будет запускаться, и дуга будет гореть достаточно стабильно. Однако стоит только начать использовать такой способ формирования дугового разряда в плазмотроне для реализации какой-нибудь технологии, как стабильность горения дуги резко снижается и плазмотрон выходит из строя. Это обусловлено тем, что при больших диаметрах каналов все внешние возмущения начинают проникать в разрядную камеру и дестабилизировать разряд. Поэтому дугу в плазмотроне необходимо формировать в канале с минимально возможным диаметром.
xx
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа формирования дугового разряда в плазмотроне путем повышения отношения U и радиуса нейтрода в соответствии с заданным напряжением холостого хода, позволяющим улучшать тепловые параметры плазменной струи и энергетические характеристики плазмотрона и за счет этого улучшить стабильность горения дуги, обеспечить надежную и экономическую работу плазмотрона в технологическом агрегате.
xx
Поставленная задача решается тем, что в способе формирования дугового разряда в плазмотроне, включающем распределенную подачу рабочего тела (газа) по длине отдельных трубчатых вставок (нейтродов) с осевой и тангенциальной составляющей скорости и заданными расходами, возбуждение вспомогательного разряда и зажигание рабочей дуги, согласно изобретению устанавливают заданное значение напряжения холостого хода (U) источника электропитания, принимают оптимальное количество нейтродов в зависимости от величины напряжения холостого хода, задают длину первого нейтрода по потоку газа в границах длины ламинарного участка дуги, а длину каждого последующего нейтрода принимают в 1,3-2,2 раза меньше длины предыдущего, выбирают пороговое значение отношения напряжения холостого хода к радиусу нейтродов:
xx
-3
при U до 600 В пороговое значение составляет (70-80)·10 В/м;
xx
-3
при U до 1500 В пороговое значение составляет (100-115)·10 В/м;
xx
-3
при U до 5000 В пороговое значение составляет (200-220)·10 В/м,
и по установленным граничным значениям определяют радиус нейтродов для принятой величины напряжения холостого хода и после установки рабочих расходов газа и тока дуги запускают плазмотрон, а плазмотрон с одним нейтродом формируют при величине напряжения холостого хода до 600 В, с двумя нейтродами - до 1500 В, с четырьмя нейтродами - до 5000 В.
Поскольку дуговой разряд на начальном участке имеет ламинарный режим горения, то длина первого по потоку газа трубчатого нейтрода, примыкающего к закрытому электроду, находится в границах ламинарного участка дуги.
При высокой температуре плазмы газы увеличиваются в объеме, поэтому каждая последующая секция межэлектродных вставок короче предыдущей, что обеспечивает равномерное обжатие плазменного потока и охлаждение секций. При соблюдении условия, что длина последующего трубчатого нейтрода в 1,3-2,2 раза меньше предыдущего, двойное дугообразование в плазмотроне отсутствует, повышается устойчивость дуги. Длина последующего трубчатого нейтрода не может быть меньше граничной величины 1,3, поскольку снижается напряжение горения разряда, что приводит к уменьшению срока службы электродов и ухудшению энергетических параметров плазмотрона. При превышении величины верхней границы независимо от величины расхода газа, при незначительном увеличении тока дугового разряда происходит двойное дугообразование, что приводит к снижению срока службы электродов и кпд плазмотрона.
Экспериментальным путем были определены оптимальные режимы проведения операций способа и параметры, характеризующие конструктивное выполнение плазмотрона: диаметр разрядного канала, количество межэлектродных вставок, которые удовлетворяют проведению способа и определяются мощностью плазмотрона и величиной напряжения холостого хода.
Предложенное соотношение геометрических параметров элементов и режимных характеристик определяет энергетические и технологические параметры электрической дуги, устойчивость и стабильность работы плазмотрона, при взаимодействии ее с газовым потоком и стенками нейтрода в соответствии с заданным напряжением холостого хода.
xx
xx
xx
xx
При этом установлено, что чем больше значение U, тем больше количество нейтродов необходимо установить для повышения дифференциального сопротивления дуги. Так, при U<600 В устанавливается один нейтрод, при U до 1500 В - два нейтрода, для U до 5000 В - четыре нейтрода. Такой рост количества нейтродов с увеличением напряжения холостого хода обусловлен возрастанием потенциала по длине дуги. Необходимое и достаточное количество нейтродов при заданной величине напряжения холостого хода уменьшает габариты плазмотрона и обеспечивает стабильное горение дуги.
На основании результатов испытаний разработана модель плазмотрона с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Способ осуществляется следующим образом.
При установленной величине напряжения холостого хода рассчитывают общую длину нейтродов и отдельных трубчатых секций нейтродов. Внутренний диаметр одинаковый для всех секций.
xx
xx
xx
xx
В соответствии с номиналами вторичных напряжений выпускаемых промышленностью трансформаторов выпрямленное напряжение холостого хода (U) от трансформатора переменного напряжения 380 В дает напряжение 580-600 В, для напряжения 660 В дает напряжение 1500-1600 В, для напряжения 2500 В - 4500-5000 В. В зависимости от величины напряжения холостого хода принимают количество нейтродов в плазмотроне. Так, при напряжении U до 600 В устанавливают один нейтрод, при U до 1500 В - два нейтрода и при U до 5000 В - четыре нейтрода. Задают длину первого нейтрода по потоку газа в границах принятой величины ламинарного участка дуги, а длину каждого последующего нейтрода принимают в 1,3-2,2 раза меньше длины предыдущего. На основании результатов испытаний в качестве исходного физического параметра выбирают пороговое значение отношения напряжения холостого хода к радиусу нейтродов:
xx
-3
при U до 600 В пороговое значение составляет (70-80)·10 В/м;
xx
-3
при U до 1500 В - (100-115)·10 В/м;
xx
-3
при U до 5000 В - (200-220)·10 В/м,
по установленным граничным значениям определяют радиус нейтродов для принятой величины напряжения холостого хода и после установки рабочих расходов газа и тока возбуждают дугу с помощью вспомогательного разряда и запускают плазмотрон.
Взаимодействие электрической дуги с газовым потоком и стенками канала плазмотрона протекает следующим образом.
На начальном участке дуга постепенно расширяется до тех пор, пока не встретится с холодным пограничным слоем, образующимся на стенке канала. После встречи холодного пристеночного слоя с дугой, последняя начинает подвергаться турбулентным возмущениям. На этом участке растет напряженность электрического поля. Газовый поток выдувает дугу из межэлектродного промежутка и вытягивает ее вдоль оси. Для увеличения теплоотвода от стенок канала опорные пятна дуги перемещают с большой скоростью по поверхности канала газодинамическим воздействием, а сами нейтроды интенсивно охлаждают.
xx
В предлагаемом способе, благодаря экспериментально установленным пороговым значениям отношения величины U к радиусу нейтродов, подтверждается возможность улучшить пространственную стабилизацию дуги, реализовать истечение плазменной струи при давлениях существенно превышающих атмосферное.
Практическая реализация предложенного способа состоит в том, что полученные пороговые значения позволяют определить радиус канала плазмотрона в зависимости от величины напряжения холостого хода, при которых обеспечивается потребная электрическая прочность зазора между стенкой канала и высокотемпературной электропроводной зоной, а также способствует повышению точности и воспроизводимости узлов при изготовлении плазмотронов.
Изготовлен рабочий плазмотрон потребляемой мощностью 2 МВт, в котором выполнены заявляемые условия.
xx
Напряжение холостого хода источника электропитания составило 5000 В, при рабочем напряжении 4000 В. Поскольку в начальный момент времени дуга не проходит через все нейтроды и напряжение холостого хода подключено ко всем нейтродам, то оно составило 5000 В. Исходя из экспериментальных данных длина ламинарного участка дуги отнесенная к U составляет , где  - длина ламинарного участка дуги. Количество секций МЭВ равно четырем, при этом длина первой секции по потоку газа составила , что соответствует длине ламинарного участка дуги, а последующие секции имеют длину: вторая - 0,2 м, третья - 0,15 м, четвертая - 0,1 м.
-3
-3
-3
-3
Для вытягивания дуги через длинные нейтроды в начальный момент ее формирования, а также для обеспечения стабильного горения длинных дуг в трубчатых нейтродах с малой амплитудой пульсаций тока и напряжения без риска двойного дугообразования необходимо создание определенных условий. В качестве исходного физического параметра выбрано пороговое значение отношения величины напряжения холостого хода к радиусу нейтродов, который получен экспериментально (радиус нейтродов во всех секциях одинаковый). В результате испытаний установлено, что только при определенном соотношении напряжения холостого хода к радиусу канала дуга протягивается через длинный нейтрод с соответствующим числом секций и устойчиво горит в канале. Приняли числовое значение отношения величины напряжения холостого хода к радиусу, которое составило 263·10 В/м. По следам шунтирования дуги в канале нейтродов и по полученным осциллограммам распределения тока и напряжения по нейтродам и аноду плазмотрона определили, что дуга шунтируется только в первом нейтроде с редким перемещением на начальный участок второго нейтрода. Приняли числовое значение отношения 250·10 В/м. Дуга устойчиво протягивается через первый нейтрод и стабильно горит во втором нейтроде. Затем установили 232·10 В/м, при этом дуга протягивается через первый, второй и третий нейтроды и стабильно горит в четвертом. И только при значении 210·10 В/м дуга при запуске протянулась через все четыре нейтрода, зашунтировалась на аноде и стабильно горела по всей длине разрядной камеры плазмотрона при токе 600 А и напряжении около 3000 В, при этом изменение расхода газа от 100 до 200 г/с не оказывает влияние на протягивание дуги.
xx
xx
xx
xx
xx
-3
-3
xx
-3
-3
Данный цикл расчета повторялся многократно до установления стационарного режима при U=600 В и U=1500 В. В процессе расчета граничные значения задавались следующим образом. При U=600B пороговое значение отношения напряжения холостого хода к радиусу нейтрода принято (70-80)·10 В/м. При этом значении U плазмотрон формируют с одним нейтродом. Исходя из длины ламинарного участка дуги для U=600 В длина нейтрода равна 80·10 м. Исходя из порогового значения отношения U к радиусу нейтрода, которое принято (70-80)·10 В/м, радиус нейтрода будет в пределах (7,5-8,5)·10 В/м.
xx
-3
-3
При U до 1500 В используются два нейтрода, соответственно длина первого нейтрода 0,25 м, а второго - (0,1-0,15) м. Принимая пороговое значение отношения напряжения холостого хода к радиусу нейтрода равным (100-115)·10 В/м, определяем радиус нейтродов, который составляет (13-15)·10 м.
Проведенные испытания плазмотронов, изготовленных в соответствии с формулой изобретения способа формирования дугового разряда, показали, что они обеспечивают заданную длительность непрерывного процесса работы в металлическом расплаве плазменной плавильной печи при повышенном рабочем давлении в реакционной зоне.