Оценка ресурса системы высоковольтных электродов генератора озона с многослойным диэлектрическим барьером

УДК 541.13 ББК 31.241

Г.А. КРАВЧЕНКО, А.М. МАКАРОВ, Ю.П. ПИЧУГИН

ОЦЕНКА РЕСУРСА СИСТЕМЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ГЕНЕРАТОРА ОЗОНА С МНОГОСЛОЙНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ БАРЬЕРОМ

Ключевые слова: барьерный разряд, синтез озона, диэлектрический барьер.

Рассмотрена система электродов генератора озона барьерного типа, отличающаяся от известных наличием многослойного диэлектрического барьера. С целью повышения ресурса работы диэлектрический барьер покрыт термокороностойким слоем. Проведена оценка влияния конструкции диэлектрического барьера системы высоковольтных электродов на ресурс работы генератора озона.

G.A. KRAVCHENKO, AM. MAKAROV, Yu.P. PICHUGIN RESOURCE ASSESSMENT OF OZONE GENERATOR HIGH VOLTAGE ELECTRODES WITH MULTILAYER DIELECTRIC BARRIER

Key words: barrier discharge, ozone synthesis, a dielectric barrier.

We consider a system of electrodes, barrier-type ozone generator, which differs from the known presence of a multilayer dielectric barrier. In order to increase the service life of a dielectric coated with a protective barrier layer. In the work the influence of the design of high voltage dielectric barrier electrodes on the life of the ozone generator.

Озон широко используется во многих отраслях промышленности: химической, целлюлозно-бумажной, пищевой, металлургической, фармацевтической, текстильной, в сельском хозяйстве, медицине и т.д. В настоящее время наиболее распространенным способом получения озона является его генерация в области барьерного разряда.

Барьерный разряд представляет собой разряд в узком газовом зазоре между электродами, разделенными слоем твердого диэлектрика (диэлектрическим барьером). Конструкция системы высоковольтных электродов плоского озонатора представлена на рис. 1. Когда амплитуда приложенного к электродам переменного напряжения превысит пробивное напряжение газового промежутка, в нем возникает разряд, состоящий из большого числа отдельных микроразрядов, дискретных в пространстве и во времени.

Основным недостатком генераторов озона, работающих на барьерном разряде, является недостаточный ресурс их работы. Наиболее частая причина выхода генератора озона из строя - это электрический пробой диэлектрического барьера. Установлено, что одной из основных причин разрушения диэлектрических барьеров является воздействие микроразрядов [1]. В электроизоляционной технике для длительной работы электрической изоляции стремятся исключить или свести до минимума воздействие частичных разрядов на диэлектрик. В озонаторах это невозможно, так как зона микроразрядов - это рабочая область, где генерируется озон.

2

3

^ -°з

txxxxxxxx :хххх

Рис. 1. Конструкция системы высоковольтных электродов плоского озонатора барьерного типа:

1 - электроды; 2 - диэлектрический барьер; 3 - зона разряда

Существуют несколько направлений, по которым ведутся исследования в области повышения ресурса работы озонаторных установок. В частности, это поиск и разработка наиболее стойких материалов для барьера, использование специальных конструкций при проектировании озонаторных установок. Одним из важных направлений повышения ресурса является усовершенствование диэлектрических барьеров.

В лаборатории «озона и озонных технологий» Чувашского государственного университета имени И.Н. Ульянова был разработан ряд конструкций озонаторных установок с многослойными барьерами [3]. На основе данных разработок были созданы модели систем высоковольтных электродов генераторов озона. Конструкция модели с плоскими электродами представлена на рис. 2.

Рис. 2. Модель системы высоковольтных электродов генератора озона:

1 - плоские электроды; 2 - диэлектрический барьер; 3 - воздушный зазор; 4 - водяное охлаждение; 5 - короностойкое покрытие

По методике, приведенной в работе [1], были проведены ускоренные испытания разработанных моделей. Форсированные испытания проводились при частоте 400 Гц и напряжении от 6 до 10 кВ с целью сокращения времени экспериментов.

Целью данной работы является оценка ресурса модели озонатора с многослойным диэлектрическим барьером при работе в нормальном режиме.

Для электроизоляционных конструкций обязательным является определение так называемой «кривой жизни» изоляции - зависимости электрической прочности от времени воздействия приложенного напряжения. Построение «кривой жизни» требует значительного времени и больших трудозатрат, при этом разброс экспериментальных данных в этих испытаниях весьма значителен.

Основной причиной снижения электрических характеристик при длительном воздействии напряжения являются процессы старения, происходящие в элементах конструкции под действием электрического и теплового полей. Эти процессы усиливаются в результате явлений ионизации и местных перегревов электрической изоляции, что приводит к изменению физико-химических свойств диэлектрика, уменьшению электрической прочности, а далее к пробою.

Для получения кривой жизни предложенная модель озонатора подвергалась действию напряжения установленного значения, и в каждом случае определялось время выдержки модели озонатора под напряжением до момента наступления пробоя. Экспериментально был получен значительный разброс данных по времени работы озонатора при одних и тех же внешних условиях (напряжение, частота). Поэтому испытания проводились для нескольких образцов (от 3 до 5), и за результат принимались средние значения времени выдержки до пробоя.

Экстраполировать кривую жизни в прямолинейных координатах практически невозможно. Для возможности эктраполяции «кривая жизни» была построена в координатах, в которых она принимает вид прямой, пересекающей ось ординат при

значении времени t = да . Для этого по оси абсцисс откладывалась величина, обратно пропорциональная .Уравнение этой прямой имеет вид

Ut Ппрш+ ,

Рис. 3. Экстраполяция экспериментальных данных для получения расчетного значения Ппр „ для модели с многослойным диэлектрическим барьером:

1 - п = 2; 2 - п = 4; 3 - п = 7; 4 - п = 14

где величина ипрм равна пробивному напряжению при бесконечной длительности приложенного напряжения [2].

Пример определения ипр м приведен на рис. 3.

Для построения кривых были проведены временные испытания моделей озонаторов при разных напряжениях.

В табл. 1 приведены результаты экспериментов и расчетов для модели генератора озона с многослойным диэлектрическим барьером из гетинакса толщиной 1 мм при испытаниях на частоте 400 Гц.

На основе анализа полученных расчетных кривых, представленных на рис. 3, установлено, что спрямление характеристики Ппра = /(і/) происходит при п = 7.

При этом значении п расчетная прямая пересекает ось напряжения при бесконечном времени приложения напряжения в точке ипр м = 4 кВ.

Экспериментальные данные по электрической прочности гетинакса, текстолита и других материалов, применяемых в качестве диэлектрических барьеров в генераторах озона, характеризуются зна-

Таблица1

Таблица экспериментальных и расчетных данных для модели с многослойным барьером

чительным разбросом. Поэтому для испытаний выбирались конкретные материалы из одной партии. Испытания проводились по возможности в одинаковых внешних условиях.

В табл. 2 приведены экспериментальные и расчетные данные по зависимости электрической прочности от времени для модели генератора озона с диэлектрическим барьером из гетинакса без защитного покрытия.

По полученным расчетным кривым, представленным на рис. 4 видно, что спрямление характеристики 1

Напряжение и, кВ Время работы модели до пробоя т, мин Расчетные данные

1 Я 1 1 1

10 30 0,183 0,427 0,615 0,784

8 532 0,043 0,208 0,408 0,639

7 4211 0,015 0,124 0,304 0,551

6 59 307 0,0041 0,064 0,208 0,456

П.

прс

= I

происходит при п = 7.

Таблица 2

Таблица экспериментальных и расчетных данных для модели с диэлектрическим барьером без защитного покрытия

В этом случае расчетная прямая пересекает ось напряжения при бесконечном времени приложения напряжения в точке Ппр м = 0,75 кВ.

Полученные результаты позволили определить ресурс при любом напряжении на системе электродов,

Напряжение и, кВ Время работы модели до пробоя т, мин Расчетные данные

1 Я 1 1 1

10 10 0,316 0,562 0,72 0,825

8 62 0,127 0,356 0,555 0,709

6 523 0,044 0,209 0,409 0,594

5 2317 0,021 0,144 0,331 0,524

а также решить обратную задачу по определению рабочего напряжения электродной системы генератора озона при заданном ресурсе.

В качестве примера для времени 10 000 ч рабочее напряжение, рассчитанное по экспериментальным данным для модели с многослойным барьером, составило около 5 кВ, что является обычным рабочим напряжением для генераторов озона такого типа.

При таком же напряжении генератор озона с диэлектрическим барьером из гетинакса без защитного покрытия имел расчетный ресурс около 50 ч.

Таким образом, в результате проделанной работы было установлено, что применение короностойкого и термостойкого покрытия приводит к существенному увеличению долговременной электрической прочности диэлектрических барьеров генератора озона.

Литература

1. Кравченко Г.А. Исследование высокоресурсного диэлектрического барьера для генераторов озона // Вестник Чувашского университета. 2008. № 2. С. 100-103.

2. Основы кабельной техники: учеб. пособие для втузов / В.А. Привезенцев, И.И. Грод-нев, С.Д. Холодный и др.; ред. В.А. Привезенцев. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 472 с.

3. Пат. 2355627 РФ, МПК C01B 13/11. Устройство для генерирования озона / авт.: Пичу-гин Ю.П., Кравченко Г.А.; заявитель и патентообладатель Чуваш. гос. ун-т. № 2007135585/15; заявл. 25.09.2007 г.; опубл. 20.05.2009 г., Бюл. № 5. 5 с.

КРАВЧЕНКО ГАЛИНА АЛЕКСЕЕВНА - старший преподаватель кафедры электромеханики и технологии электротехнического производства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (krav68@bk.ru).

KRAVCHENKO GALINA ALEKSEEVNA - senior teacher of Electromechanics and Electrotechnical Production Technology Chair, Chuvash State University, Russia Cheboksary.

МАКАРОВ АЛЕКСЕЙ МИХАИЛОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики и технологии электротехнического производства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары.

MAKAROV ALEXEY MIKHAYLOVICH - candidate of technical sciences, assistant professor of Electromechanics and Electrotechnical Production Technology Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

ПИЧУГИН ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики и технологии электротехнического производства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (Pichugin 1945@km.ru).

PICHUGIN YURIY PETROVICH - candidate of technical sciences, assistant professor of Electromechanics and Electrotechnical Production Technology Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Рис. 4. Экстраполяция экспериментальных данных для получения расчетного значения ипр „ для модели с диэлектрическим барьером без защитного покрытия:

1 - п = 2; 2 - п = 4; 3 - п = 7; 4 - п = 12