ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 4, с. 494-499
УДК 533.9.004.14
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ КРИВОЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА РЕЖИМ РАБОТЫ ПЛАЗМОТРОНА
© 2015 г. О. Б. Васильева, И. И. Кумкова, В. Е. Кузнецов, А. Ф. Рутберг, А. А. Сафронов, В. Н. Ширяев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, Санкт-Петербург E-mail: rc@iperas.nw.ru Поступила в редакцию 13.03.2014 г.
Рассмотрены особенности плазмотронов переменного тока со стержневыми электродами, явления и закономерности, наблюдаемые при их работе в широком диапазоне мощности 0.1—7 МВт. Исследован механизм повторного зажигания дуги в однофазном и трехфазном режимах работы плазмотрона. Приведены характерные различия данных процессов, существование которых объясняется сохранением концентрации носителей тока в межэлектродном промежутке в трехфазном режиме. Показано, что изменение напряжения повторного зажигания происходит в соответствии с изменением температуры поверхности электродов, при этом с ростом тока наблюдается насыщение температуры электрода и фиксируется постоянство напряжения повторного зажигания. Особое внимание уделено анализу внешних характеристик плазмотронов в различных режимах работы при использовании в качестве рабочего газа азота, водорода и аргона. Рассмотрено влияние физических параметров плазмы на форму кривых напряжения и вольт-амперных харарктеристик дуг, описана зависимость от них энергетических параметров плазмотронов.
DOI: 10.7868/S0040364415030205
ВВЕДЕНИЕ
Конструкции плазмотронов переменного тока в широком диапазоне токов и их рабочие параметры подробно рассмотрены в [1—5]. На рис. 1 приведена конструкция трехфазного однокамерного плазмотрона со стержневыми вольфрамовы-
1 2
Рис. 1. Трехфазный плазмотрон со стержневыми электродами: 1 — камера, 2 —контур подачи газа, 3 — наконечник электрода, 4 — изолятор, 5 — токоввод, 6 — подвод воды.
ми или вольфрамосодержащими электродами, предназначенными для работы на инертных газах, азоте и водороде.
Принципиальная электрическая схема источника питания для этого плазмотрона представлена на рис. 2.
В источнике питания используется трансформатор со следующими характеристиками: напряжение первичной обмотки — 380 В, напряжение вторичной обмотки — 800—4000 В. Для обеспечения падающей вольт-амперной характеристики (ВАХ) и номинального тока вторичной и первичной обмоток в цепь первичной обмотки включены водо-охлаждаемые токоограничивающие реакторы, выполненные на железе с воздушным зазором и обеспечивающие изменение индуктивности от 0.2 до 2 мГн. Для обеспечения cos ф = 1 параллельно системе питания подключен компенсатор реактивной мощности.
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ КРИВОЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА РЕЖИМ РАБОТЫ ПЛАЗМОТРОНА
Появление высших гармоник в кривых напряжения и тока приводит к искажению их формы и уменьшению коэффициента мощности дуги. По-
А-В'
С-
L1
Плазмотрон
К = ра/и,
йЧ
С
Рис. 2. Схема источника питания трехфазного плазмотрона: А, В и С — клеммы подключения к питающей сети; L1—L3 — токоограничивающие реакторы; Т — повышающий трансформатор; С — компенсатор реактивной мощности.
этому целесообразно стремиться к тому, чтобы форма кривых тока и напряжения была максимально близка к синусоиде.
В случае периодических (с периодом Т) несинусоидальных напряжения и тока представим их рядами Фурье
иё = X Лк 8т(кю, + ак),
к=1,3,5...
ад
= ^ Вк к).
к=1,3,5...
Тогда для активной мощности дуги имеем
Т го
Рй = Т = X ЛВ С0§(а кв к )•
О к=1,3,5...
Определим коэффициент мощности дуги как отношение ее активной мощности к полной мощности:
= X
ЛкВк С08(а кв к)/
X Лк2 £
В2
к=1,3,5...
к "к к=1,3,5...
к=1,3,5...
Питание плазмотрона со стержневыми электродами осуществляется от источника тока, и, если магнитопровод реакторов не насыщен, кривая тока близка к синусоиде. В рассматриваемых экспериментах реакторы работали при ненасыщенных магнитопроводах. Анализ полученных осциллограмм показывает, что форма кривой тока сглажена и почти во всех режимах близка к синусоиде.
На форму кривых напряжения на дугах существенным образом влияет способ подключения плазмотрона, т.е. использование трехфазного или однофазного режимов.
На рис. 3 представлена осциллограмма напряжения на дуге плазмотрона при однофазном включении. На рис. 4 приведена осциллограмма одной из фаз при трехфазном режиме работы, ток и напряжение такие же, как и в случае однофазного включения, условия в камере также аналогичны. Как видно из осциллограммы на рис. 3, повторное зажигание дуги после прохождения тока через ноль при однофазном режиме происходит скачком при сравнительно низком напряжении порядка десятков вольт. В то же время при трехфазном режиме после прохождения тока через ноль пики повторного зажигания сглажены и кривая напряжения по форме близка к синусоиде. Напряжение зажигания дуги при однофазном включении на холодных электродах в аналогичных условиях составляет величину порядка 4—5 кВ. Это можно объяснить наличием в разрядном промежутке определенной концентрации электро-
Рис. 3. Осциллограмма напряжения на дуге при однофазном режиме работы плазмотрона, рабочий газ — аргон, расход газа — 7 г/с, I = 200 А, и^ = 115 В.
Рис. 4. Осциллограмма напряжения в одной из фаз при трехфазном режиме работы плазмотрона, рабочий газ — аргон, расход газа — 7 г/с, I = 200 А.
нов, которая поддерживается эмиссиеи из не успевших остыть электродов, в течение времени нарастания напряжения повторного зажигания при условии отсутствия в цепи емкости и времени нарастания (5—7) х 10-4 с. На этот механизм повторного зажигания также указано в литературе [3, 6, 7].
Наибольшие напряжения зажигания соответствуют горению дуги при наличии катодного пятна, в переходной области напряжение зажигания падает до минимума и при переходе к режиму горения без катодного пятна меняется незначительно.
Изменение напряжения повторного зажигания происходит в соответствии с изменением температуры поверхности электродов, с ростом тока наступает насыщение температуры электрода. Области насыщения температуры соответствует область постоянства напряжения повторного зажигания. Это явление можно объяснить изменением величины термоэлектронной эмиссии с поверхности электродов в зависимости от ее температуры.
В момент прекращения разряда электронная концентрация пе в плазме дуги уменьшается в соответствии со следующим уравнением:
йпе 2 п „2 ,
—е = -апе - пе - Нуапе,
йг
где а — коэффициент рекомбинации, Ба — коэффициент амбиполярной диффузии, к — вероятность прилипания, va — частота столкновения с молекулами, захватывающими электроны.
Поскольку в сильноточных дугах высокого давления преобладает рекомбинация, то диффузией и прилипанием электронов можно пренебречь и тогда
Мпе 2 —1 = -а пе. йг е
Интегрируя от пе(?0) до пе(^) при = 0 и I = ?1, получим
ЛеЙ)
I Мп = 4й
пА'о)
а отсюда 1
1
пе^) пе(г0)
= аг1 и пей) =
п(г о)
1 + п(г0)аг1
(1)
где пе(?0) — электронная концентрация в начальный момент, пе(?1) — электронная концентрация в момент времени ?1, — время распада плазмы дуги. Согласно [8] для аргона в сильноточных дугах следует полагать а = = 1011—1012 см3/с.
Как отмечалось, составляет величину порядка 10-3 с — это время нарастания напряжения повторного зажигания.
Как видно из (1), вне зависимости от начальной концентрации за время плазма дуги, вероятно, не успевает распасться до весьма малого значения концентрации электронов. Однако поскольку плазма выдувается из межэлектродного промежутка со скоростью порядка 103—104 см/с, что определяется скоростью рабочего газа, то вследствие этого происходит деионизация межэлектродного промежутка. Следовательно, при повторном зажигании дуги существенную роль должна играть эмиссия с поверхности электродов, приводящая к падению напряжения повторного зажигания.
При трехфазном режиме горения дуг наблюдается сглаживание пиков повторного зажигания. Это можно объяснить большой концентрацией электронов в разрядном промежутке, возникающем за счет диффузии, так как в этом случае всегда горит, по крайней мере, одна из трех дуг. Следовательно, переход к дуговому режиму происходит не скачком вследствие пробоя, а плавным формированием дуги по мере роста напряжения на разрядном промежутке.
Как следует из приведенных осциллограмм на рис. 3 и 4, в случае трехфазного режима работы плазмотрона кривая напряжения значительно ближе к синусоиде, чем при однофазном режиме. Из анализа осциллограмм напряжения дуги при трехфазном режиме следует, что с ростом тока дуги кривая напряжения все больше приближается к синусоиде. Следовательно, при трехфазном режиме коэффициент мощности дуги К ближе к единице, чем при однофазном режиме в аналогичных условиях, т.е. выделяющаяся при трехфазном режиме в каждой фазе электромагнитная мощность больше выделяющейся мощности в однофазном режиме. Это подтверждается прямым измерением мощности в дугах.
ВНЕШНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Для характеристики свойств дуги в целом существенным является получение ее ВАХ и учет факторов, влияющих на их изменение. При этом следует помнить, что напряжение горения дуги складывается из падения потенциала в столбе дуги и анодного и катодного падений потенциала.
Характер анодного и катодного падений потенциала в основном определяется процессами, происходящими у электродов. Такой же фактор, как изменение скорости потока рабочего газа и его давления, прежде всего, влияет на столб дуги в данной конструкции. Кроме того, весьма существенное влияние на характер процессов в столбе дуги оказывает величина плотности тока. Рассмотрим влияние скорости рабочего газа и тока дуги на ВАХ в трехфазных плазмотронах.
е
0
В случае применения в плазмотронах вихревой газовой стабилизации при больших токах и большом расходе газа поток сжимает дугу подобно диафрагме и интенсивно охлаждает внешние части дугового столба, что приводит к сужению столба дуги и при определенных условиях к значительному росту напряжения в столбе дуги. В ограниченном столбе дуги с увеличением тока растет е
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.