Дубовенко Костянтин Вікторович. Наукові основи розробки високовольтних електророзрядних компактних систем з урахуванням вторинних електрофізичних процесів

Короткий опис

Дубовенко Костянтин Вікторович. Наукові основи розробки високовольтних електророзрядних компактних систем з урахуванням вторинних електрофізичних процесів. : Дис... д-ра наук: 05.09.03 2007

Дубовенко К.В. Наукові основи розробки високовольтних електророзряд-них компактних систем з урахуванням вторинних електрофізичних процесів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 електротехнічні комплекси та системи. Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2007.
Дисертація присвячена розвитку теорії електромагнітних процесів в обмежених об’ємах та нелінійних електричних колах високовольтних електророзрядних компактних систем у напрямку розробки нових методів і математичних моделей з урахуванням та використанням впливу вторинних електрофізичних явищ для збільшення енергоефективності та покращення питомих характеристик розрядно-імпульсного устаткування.
Розроблено метод і виконано чисельний аналіз перехідних процесів у високовольтних зарядних пристроях з високочастотними перетворювачами, метод розрахунку ймовірнісних характеристик пробою газової ізоляції, математичну модель процесів електричного розряду обмежених об’ємах газових та конденсованих середовищ, у контурах з різними типами накопичувачів енергії, математичні моделі дистанційної зарядки ємнісних накопичувачів через лінії з розподіленими параметрами, розрахунку електричної міцності вакуумної ізоляції, відновлення електричної міцності газової ізоляції у режимах розряду з високою частотою про-ходження імпульсів. Результати теоретичних досліджень впроваджено у розробку і створення енергоефективного електророзрядного компактного устаткування різного технологічного та електрофізичного призначення.

У дисертаційній роботі одержали подальший розвиток теорія високовольтних електророзрядних компактних систем у напрямку розробки нових методів і математичних моделей для чисельного аналізу електродинамічних процесів в обмежених об’ємах розрядних камер та перехідних процесів у зарядних та розрядних контурах з урахуванням впливу вторинних електрофізичних факторів, викликаних їх дією. Отримані результати у сукупності є вирішенням важливої науково-прикладної проблеми розвитку теорії електромагнітних процесів у високовольтних електророзрядних компактних системах для підвищення їх енергоефективності і покращення питомих енергетичних характеристик.
Основні наукові результати полягають у наступному.
1. На основі аналізу сучасних результатів досліджень обгрунтовано доцільність розвитку теорії електромагнітних процесів у високовольтних електророзрядних компактних системах для урахування взаємодії основних і вторинних нестаціонарних електрофізичних процесів, що забезпечує визначення оптимальних за енерго-ефективністю електророзрядних режимів роботи і підвищення питомих енергетичних характеристик таких систем. Виявлено та систематизовано сукупність критеріїв, які визначають рівень взаємодії процесів у електророзрядному устаткуванні.
2. Розроблено узагальнену математичну модель для аналізу характеристик електричних розрядів, яка ураховує вплив вторинних процесів взаємодії ударних хвиль з плазмою каналу розряду у газових та конденсованих середовищах в обмежених об’ємах розрядних камер та у розрядних контурах ВЕРКС з різними типами накопичувачів енергії. Це забезпечило розробку ефективних методик розрахунку параметрів ВЕРКС з підвищеною енергоефективністю та збільшеними питомими характеристиками.
3. Розроблено метод чисельного розрахунку ймовірнісних характеристик електричного пробою газової ізоляції (напруги пробою, електричної міцності, розкидів пробивних напруг), що дозволило мінімізувати об’єм, збільшити значення питомих характеристик та підвищити енергоефективність ВЕРКС.
Результат отримано на основі аналізу електричної міцності ізоляції та характеристик пробою комутаційної газорозрядної апаратури з урахуванням неоднорідності розподілу електричного поля, мікровиступів на поверхні електродів, сукупності механізмів генерації вільних електронів у полях високої напруженості, електрофізичних характеристик середовищ та матеріалу електродів, іонізаційних процесів та швидкості зміни падіння напруги на міжелектродних проміжках.
4. Розроблено нову математичну модель для аналізу електричної міцності вакуумної ізоляції, на основі якого проведено мінімізацію об’єму ізоляції та екранування найбільш електрично напружених її ділянок та збільшено питомі характеристики високовольтних установок. Модель дозволяє провадити: чисельний аналіз розподілу характеристик електричного поля, обчислення величин передпробійних струмів у вакуумованому об’ємі (обмеженому різнопотенційними поверхнями) та визначення часу розвитку пробою.
5. На основі аналізу надперехідних (вторинних) процесів у зарядних колах зі змінною топологією та ненульовою початковою напругою ємнісних накопичувачів енергії створено новий метод чисельного розрахунку перехідних процесів в електричних колах зарядних пристроїв ВЕРКС з високочастотним перетворенням параметрів електроенергії. Метод на 2- 4 порядки зменшує обсяг і тривалість обчислень (в залежності від частоти перетворення та параметрів накопичувача) та дозволяє запобігти накопиченню похибок при чисельному розв’язку жорстких систем диференційних рівнянь.
6. На основі розвитку методу розрахунку осереднених характеристик зарядки ємнісних накопичувачів розроблено нову математичну модель для аналізу процесів дистанційної зарядки ємнісних накопичувачів енергії через лінії з розподіленими параметрами, що дозволило підвищити енергоефективність устаткування, його питомі та експлуатаційні характеристики шляхом визначення оптимальних за мінімальною потужністю зарядки параметрів зарядних пристроїв.
7. Визначено основні електричні, енергетичні та електрофізичні характеристики потужних (10101012Вт) розрядів мегаджоульного діапазону у розрядних контурах з комбінованими накопичувачами енергії (електромеханічними та індуктивними) з питомою енергією, що перевищує на два порядки питому енергію ємнісних накопичувачів енергії, і двохступеневою комутацією розрядних кіл розмикачами з нелінійними характеристиками. Показано, що інтегральні (струм, напруга, опір навантаження) і просторово-часові (густина струму, питома електропровідність, тиск, температура, тепловий потік) характеристики розряду мають значення, що є характерними для перспективних розрядно-імпульсних технологій.
8. На основі визначення кореляції між розподілом характеристик електричного поля і експериментально отриманими характеристиками пробою в електродних системах із шаром низької питомої електропровідності навколо вістря високо-потенціального електроду у середовищі з високою питомою електропровідністю обґрунтовано та реалізовано зменшення у 10..30 разів часу формування каналу, втрат енергії на пробій та на цій основі стабілізацію характеристик розряду і підвищення енергоефективності високовольтних електророзрядних компактних систем.
9. Розроблено математичну модель і виконано аналіз відновлення електричної міцності газової ізоляції після попередніх розрядів з урахуванням вторинних іонізаційних та термоемісійних процесів у міжелектродних проміжках. Підхід дозволяє підвищити енергоефективність та питомі характеристики устаткування за рахунок визначення максимальної частоти проходження імпульсів при заданих параметрах розрядних контурів і напруги зарядки накопичувачів ВЕРКС.
10. Результати дисертаційної роботи є достатньо обгрунтованими і досто-вірними, що підтверджується збігом чисельних рішень при подвійному згущенні розрахункової сітки, збіжністю ітераційних процесів, відповідністю отриманих результатів автомодельним, тестовим аналітичним та чисельним рішенням, які одержано за допомогою інших методів, відповідністю результатів чисельного моделювання експериментальним даним.
11. Отримані результати впроваджено:
- в Інституті імпульсних процесів і технологій НАН України при розробці високо-вольтних електророзрядних установок типу «Скіф» та при їх промисловій експлуа-тації у ВАТ «Український нафтогазовий інститут» (м. Київ) для обробки нафтови-добувних свердловин на родовищах України з метою інтенсифікації притоку нафти;
- в Інституті новітніх технологій Національного авіаційного університету (м. Київ) при проектуванні компактних високовольтних джерел живлення технологічних лінійних індукційних прискорювачів електронів з енергією пучка 2 МеВ та 4 МеВ;
- в Інституті електрофізики та електроенергетики РАН (м. Санкт-Петербург, Росія) для створення потужних енергоефективних імпульсних генераторів плазми з високою питомою енергоємністю, заснованих на взаємодії ударних хвиль з плазмою;
- в Інституті імпульсних процесів і технологій НАН України і в Інституті електро-ніки сильних струмів СВ РАН (м. Томськ, Росія) для підвищення питомої енергії, забезпечення електричної міцності газової та вакуумної ізоляції при створенні субмегавольтних генераторів імпульсних напруг джерел релятивістських електрон-них пучків та лазерного випромінювання для фундаментальних досліджень;
- у компанії Viara Research, LLC (Columbus, Ohio, USA) при створенні техно-логічних лінійних індукційних прискорювачів електронів, призначених для бактери-цидної дезінфекції обмежених об’ємів суцільних середовищ.
Результати дисертаційної роботи використовуються також у навчальних планах підготовки бакалаврів, спеціалістів та магістрів на кафедрі Імпульсні процеси і технології” Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова та на кафедрі ”Обчислювальна техніка та інформаційні технології” Миколаївського навчально-наукового інституту Одеського національного університету імені І.І. Меч-никова.