Импульсный электрический пробой и разрушение непроводящих материалов при повышенных давлениях

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 149

1966

ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ И РАЗРУШЕНИЕ

НЕПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ

ДАВЛЕНИЯХ

И. И. КАЛЯЦКИИ, В. В. КРИВКО

Технологический процесс отдельных отраслей промышленности связан с разрушением весьма крепких непроводящих материалов, в том числе горных пород.

В последние годы интенсивно ведутся поиски новых, эффективных способов разрушения твердых тел. При этом среди разрабатываемых способов разрушения особое место занимают способы с использованием электрической энергии. Поэтому исследование электрических характеристик различных твердых материалов представляет научный и практический интерес.

Горные породы, залегающие на больших глубинах, подвержены воздействию высоких давлений и температур, которые могут оказать влияние на электрические характеристики горных пород и эффективность их разрушения при электрическом пробое.

В опубликованной отечественной и зарубежной литературе данные по импульсному пробивному напряжению горных пород при повышенных давлениях отсутствуют.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния давления на импульсное пробивное напряжение и разрушение некоторых горных пород и твердых диэлектриков.

Методика эксперимента

Исследование влияния давления (до 150 кг!см2) на импульсное пробивное напряжение твердых непроводящих материалов проводились на горных породах: кварците, фельзит-порфире, мраморе и на природной кристаллической каменной соли.

Образцы горных пород и каменной соли имели прямоугольную форму размерами 40X40X20 мм с коническими выемками и нанесенный металлический электродный слой. Измерение толщины образца в месте пробоя производилось с помощью прибора ИЗВ-1 с точностью до 0,01 мм. В работе использовалась система электродов «стержень-плоскость».

Пробой образцов проводился в специальной камере высокого давления. Камера представляла собой стальной цилиндр диаметром 120 мм и высотой 700 мм с герметически закрывающимися фланцами. Ввод импульсного напряжения до 300 кв в камеру осуществлялся по отрезку кабеля типа РК-162 со снятой металлической оплеткой. Рабо-! 1 * 163

чей средой ib камере служило трансформаторное масло с электрической прочностью 30 кв в стандартном пробойнике. Давление в камере создавалось с помощью гидравлического пресса поршневого типа и измерялось манометром с точностью до 0,5 кг/см2.

В качестве источника однократных апериодических импульсов высокого напряжения в работе использовался семиступенчатый генератор импульсных напряжений, собранный по схеме Аркадьева-Маркса. Максимальное напряжение генератора 400 кв, разрядная емкость 0,0J35 • 10-6Ф„ энергия импульса около 1000 дж. Генератор позволял получать импульсы ¡высокого напряжения с минимальной длиной фронта 0,3 - 10~6 сек. Увеличение длины фронта импульса осуществлялось включением индуктивности и емкости.

Пробой твердых материалов при повышенных давлениях проводился на фронте импульса. Импульсы высокого напряжения подавались на стержневой электрод, плоский электрод заземлялся. Амплитуда и длительность импульса регистрировались осциллографом ОК-19М, включенным через омический делитель напряжения сопротивлением 3000 ом.

Каждая экспериментальная точка соответствует среднему арифметическому значению из пробивных напряжений, полученных на основе отработки 20 и более осциллограмм.

Исследование влияния повышенного гидростатического давления на эффективность разрушения твердых тел при импульсном электрическом пробое проводилось на каменной соли. В этом случае образцы имели прямоугольную форму размерами 40Х40ХЮ мм без конической выемки.

Эффективность разрушения образцов каменной соли при импульсном электрическом пробое оценивалась по величине зоны трещинооб-разования т образце. Определение зоны трещинообразования проводилось с помощью фотометра Пульриха и непосредственным измерением.

Результаты эксперимента

На рис. 1 представлена зависимость импульсного пробивного напряжения кварцита, фельзит-порфира и мрамора от давления. Импульсы положительной полярности, длительностью 0,5 • 10 ~6 сек. На рис. 1 также приведена зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от давления для тех же условий опыта.

Как видно из рис. 1, пробивные напряжения кварцита и фельзит-порфира с увеличением давления от атмосферного до 50 кг!см2 возрастают соответственно на 12 и 21% (кривая 2 и 4). Дальнейшее увеличение давления от 50 до 150 кг/см2 влияния на пробивное напряжение этих пород не оказывает. С ростом давления от атмосферного до 50 кг/см2 пробивное напряжение мрамора увеличивается от 80 до 115 кв, т. е. на 43% (рис.1, кривая 3), и, начиная с давления 50 кг/см2, оно оказывается выше про-

М пр, к В

15 О

/25

ЮО

75

Hr-rt a b. I

X-1 1 • 1—1 1 з I_ « f

и —1 — и -{ -

РЪ

50

75

WO 125 150 Р,

кг/сн'

Рис. I. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла (I) и горных пород от давления (импульсы положительной полярности

длительностью 0,5.10 сек) 2 — кварцит, 3 — мрамор, 4 — фельаит-порфир.

бивного 'напряжения фельзит-порфира. Наибольшее увеличение пробивного напряжения мрамора (29%) имеет место с изменением давления от атмосферного до 50 кг/см2 так же, как для кварцита и фельзит-порфира.

Повышение импульсного напряжения исследованных горных пород с ростом давления, по-видимому, связано с двумя факторами:

1) с некоторым упрочнением газовых пор породы под давлением;

2) с интенсивным проникновением в поры породы трансформаторного масла, пробивное напряжение которого при длительности импульсов 0,5 • 10 сек выше пробивных напряжений кварцита, фельзит-порфира и мрамора и от давления не зависит (рис. 1, кривая 1).

Сжимаемость горных пород -в интервале давлений до 150 кг/см2 составляет несколько процентов [1—3] и не может оказать влияния на формирование разряда и величину пробивного напряжения. С увеличением гидростатического давления скорость проникновения рабочей (изолирующей) жидкости в поры породы возрастает. Возрастает и объем образца, пропитанный жидкостью за время пребывания образца в камере в период эксперимента по пробою. Например, при давлении-50 кг/см2 за время 2 мин. образец из кварцита размерами 40X40X20 мм пропитывается на глубину 3 мм, а при давлении 150 кг/см2 — на 8 мм. Следует отметить, что соотношения процентных повышений пробивных напряжений кварцита, фельзит-порфира и мрамора с изменением давления от атмосферного до 150 кг/см2, равные 12, 21 и 43%. примерно пропорциональны соотношению величин их пористости, которые соответственно равны 2,7; 3,0 и 5,4%- Таким образом, наибольшее увеличение пробивного напряжения с ростом давления оказывается у породы с ¡наибольшей пористостью (в данном случае у мрамора).

Возможное влияние пропитки горных пород трансформаторным маслом под давлением на величину их пробивных напряжений подтверждается результатами дополнительных экспериментов.

- 5 мм ! 1 i

¡с------

1 —^ , 2

о—--1

О 50 100 р хГ/сн*

Рис. 2. Зависимость пробивного напряжения мрамора от давления на импульсах положительной

полярности длительностью 0,5.10 сек. 1 — образцы без лакового покрытия, 2 — образцы покрыты бакелитовым лаком.

На рис. 2 представлена зависимость импульсного пробивного напряжения мрамора от гидростатического давления. Импульсы положительной полярности длительностью 0,5 • 10 сек. Одна партия образцов мрамора была изготовлена, как указывалось выше. Поверхность образцов другой партии покрывалась пленкой бакелитового лака. Толщина лакового покрытия составляла 0,01 мм. Лаковая пленка исключала

ирогштку образцов мрамора трансформаторным маслом в процессе их пробоя в камере под давлением. Из рис. 2 видно, что для образцов без лаковой пленки (кривая 1) пробивное напряжение с увеличением давления от атмосферного до 150 кг)см2 возрастает примерно на 40% (так же, как и в первых экспериментах). Для образцов, защищенных пленкой (кривая 2), пробивное напряжение с изменением давления в указанном интервале остается постоянным.

Импульсный электрический пробой твердых тел сопровождается мощным кратковременным выделением энергии в узком проводящем канале. При достаточной энергии и мощности в канале импульсного разряда в твердом теле возникающие ударные волны высокого давления приводят к механическому разрушению тела, обусловленному разрывом его сплошности и трещинообразованием. Из: меняя параметры разрядной цепи, а также параметры импульса, можно регулировать количество и скорость выделения энергии в канале разряда, а следовательно, и эффективноть разрушения твердых непроводящих и полупроводящих тел при их импульсном электрическом пробое.

На рис. 3 представлена зависимость диаметра зоны трещинооб-разования в образцах каменной соли при импульсном пробое от гидростатического давления. Импульсы положительной полярности длительностью 0,5-10"6 сек и амплитудой 120, 170, 210 и 254 кв. Разрядная емкость генератора 13500 пф.

В связи с тем, что при атмосферном давлении используемые образцы каменной соли при пробое па импульсах с минимальной амплитудой <120 кв) полностью разрушались на 3—4 части и более, за начальное давление принималось давление 25 кг/'см2.

Как видно из рис. 3, с увеличением давления от 25 до 150 кг/см2 диаметр зоны трещинообразования уменьшается. Относительное уменьшение диаметра с ростом давления в этом интервале составляет около 30% и для амплитуд импульса 120—154 кв, примерно одинаково.

Разрушение твердых диэлектриков и других непроводящих тел при их импульсном пробое, по нашему мнению, происходит за счет напряжений сжатия на фронте ударной волны, а также растягивающих усилий, обусловленных отражением упругих волн от свободных поверхностей образцов.

В условиях повышенных давлений пробиваемый образец подвергается деформации сжатия, обусловливаемой внешним давлением. Следовательно, в этом случае для разрушения образца при импульсном пробое необходимо затратить энергию: во-первых, для преодоления сжимающих усилий и, во-вторых, для преодоления межмолекулярных сил сцепления образца, т. е.

Як = Яр + Яви,

ср, мм

р

сна

Рис. 3. Зависимость диаметра зоны трещинообразования в каменной соли при сквозном импульсном пробое на импульсах положительной полярности длительностью 0,6.10 сек. различной амплитуды. 1 — 21:4 кв, 2 — 210 кв, 3—170 кв, 4 — 120 кв.

_ __ _ Л Г < Л _ Й ____

где Як — давление в канале разряда; 166

Рвн — внешнее (гидростатическое) давление;

Рр — давление, необходимое для разрушения образца.

Давление в канале разряда (Рк) определяется величиной энергии канала разряда и скоростью ее выделения.

Давление, необходимое для механического разрушения образца при пробое (Рр ), зависит от механической прочности материала образца и его линейных размеров. Внешне гидростатическое давление определяет величину деформаци-и сжатия образца. С увеличением гидростатического давления при постоянной энергии импульса, а также неизменной плотности энергии и мощности в канале разряда, механической прочности образца данного материала и его линейных размеров часть энергии, затрачиваемая на преодоление сжимающих усилий, возрастает, следовательно, эффект разрушения будет уменьшаться.

Изменение диаметра зоны трещинообразования в образцах каменной соли при пробое в условиях повышенных давлений до 150 кг/см2

. описывается уравнением

*2

18

40

А

/ гг-Ы - м S f

J Г г S xi

/ Л

/ J>

1 f

— dro е

аР

<о

20

30

W, кги

трегцинооб-

где с1т) — диаметр зоны трещинообразования при атмосферном давлении,

Р — гидростатическое давление,

ос — 0,004 — коэффициент, характеризующий относительное снижение диаметра зоны трещинообразования с ростом давления.

С увеличением энергии импульсов за счет изменения амплитуды импульса или разрядной емкости диаметр зоны трещинообразования возрастает. Например с увеличением амплитуды импульса от 120 до 170 кв диаметр зоны трещинообразования при давлении 25 кг/см2 возрастает от 15 до 17,5 мм.

На рис. 4 приведена зависимость диаметра зоны трещинообразования в каменной соли при пробое под давлением 50 кг/см2 от энергии импульса. Энергия импульса изменялась увеличением разрядной емкости (кривая 1) и амплитуды (кривая 3). Цифры у кривой 3 указывают на величину перенапряжения

п = ,

Рис. 4. Зависимость диаметра зоны разования в каменной соли от энергии импульса при сквозном пробое (длительность импульса 0,6.10 сек).

1 — изменение энергии разрядной емкостью, 2 — изменение энергии амплитудой напряжения (расчетная кривая), 3—изменение энергии амплитудой напряжения (экспериментальная кривая).

и

пр

где ¿/под — напряжение, подаваемое на образец;

Опр — пробивное напряжение.

Как следует из рис. 4, энергетически наиболее рационально увеличение эффективности разрушения твердых тел при их импульсном пробое производить изменением разрядной емкости, а не амплитуды импульса. Начиная с перенапряжения я =1,7, кривая изменения диаметра зоны трещинообразования с энергией импульса как бы перехо-

диг в зону насыщения и дальнейшее увеличение амплитуды импульса становится малоэффективным. Отмеченное обстоятельство объясняется следующим образом. С увеличением перенапряжения па пробиваемом образце доля энергии, выделяющаяся в канале разряда за первый полупериод колебания тока после пробоя, уменьшается. Так как разрушение твердых тел при их импульсном электрическом пробое происходит в основном за время первого полупериода колебания тока после пробоя, то, несмотря на увеличение энергии импульса с ростом амплитуды относительное возрастание диаметра зоны трещинообразования уменьшается. Если бы указанное влияние не имело места, то возрастание диаметра зоны трещинообразования с увеличением амплитуды импульса носило бы прямолинейный характер. Прямая 2 на рис. 4 — расчетная зависимость диаметра зоны трещинообразования с изменением энергии импульса.

Выводы

1. Установлено, что импульсная электрическая прочность горных пород с увеличением давления от атмосферного до 150 кг!см2 возрастает незначительно. Наибольшее увеличение импульсной прочности имеет место при давлениях до 50 кг/см2 и составляет 20—40%. С изменением давления от 50 до 150 кг/см'2 импульсная электрическая прочность остается практически неизменной и при времени воздействия напряжения 0.5 • 10~t5сек составляет 220 : 250 кв/см.

2. Эффективность разрушения твердых материалов при их импульсном электрическом пробое с увеличением давления от 25 до 150 кг/см2 снижается на 30%.

3. Повышение эффективности разрушения твердых материалов при их импульсном электрическом пробое в условиях повышенных давлений целесообразно осуществлять за счет увеличения разрядной емкости.

ЛИТЕРАТУРА

!. Z ism an W. А., Ргос. Nat. Acad. Sein. 19, 66, 1933.

2. Z ism an W. A.f Proc. Nat. Acad. Sein. 19, 680, 1933.

3. Z ism an W. A.f Gerland Beitz, Z. Geophys. 39, 408, 1933.

4. И. И. Каляцкий, А. Г. Синебрюхов. Изв. вузов СССР, Энергетика, 3, 1963.