Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения

Материал из Электронная энциклопедия ТПУ
Перейти к: навигация, поиск

Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения – научное открытие № 122 в области электроимпульсной технологии.

В 1958 г. А. А. Воробьевым, Г. А. Воробьевым и А.Т. Чепиковым было открыто явление повышения импульсной электрической прочности жидкости над импульсной электрической прочностью твердых диэлектриков в области малых времен разряда. Открытие было зарегистрировано в 1999 г. под номером 122 на имя НИИ ВН при ТПУ с приоритетом от 14 декабря 1961 года - "Закономерность пробоя твердого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульсов напряжения". Это открытие легло в основу разработки высоковольтных электроимпульсных технологических установок для разрушения горных пород, руд и твердых диэлектрических и полупроводящих материалов (бетон, кварц, керамика, корунд и др.). Основным «рабочим инструментом» в них является искра в твердом теле, расширяющийся канал которой создает разрушающие механические возмущения. Были разработаны и изготовлены лабораторные и опытно-промышленные электроимпульсные установки для дробления и измельчения руд, резания горных пород и бетонов, бурения и проходки скважин и стволов.

Их разработке предшествовали исследования импульсных разрядных характеристик широкого набора разрушаемых и изоляционных материалов, жидкостей и их смесей при временах 10 -6 с и менее, были изучены условия передачи импульсов к исполнительному органу. Для этих технологических процессов были созданы соответствующие высоковольтные установки, изучены и отработаны их технологические режимы, определены оптимальные параметры и технико-экономические показатели.

О значении открытия и практическом применении технологий, разработанных на его основе, рассказывает профессор В.Я.Ушаков:

- Долгое время принято было считать, что если есть комбинация из нескольких видов диэлектриков (например, твердый диэлектрик в жидкости, в воздухе, или в вакууме), то при воздействии на такую комбинированную изоляцию высокого напряжения, превышающего ее электрическую прочность, электрический разряд будет развиваться по поверхности твердого изолятора. Для того, чтобы увеличить электрическую прочность конструкции, обычно используют оребрение, ведь ребристая поверхность увеличивает путь, по которому развивается разряд. На этом зиждется основной прицип конструирования изоляции. В 50 годы ректор политехнического Александр Акимович Воробьев со своими ближайшими помощниками Григорием Абрамовичем Воробьевым и Александром Тимофеевичем Чепиковым обнаружили, что при воздействии на такую комбинированную систему импульсного напряжения, разряд развивается не по поверхности твердого диэлектрика, не в жидкости, и не в газе, он развивается в твердом теле. То есть канал как бы внедряется вглубь твердого тела и там развивается. Из-за того, что в канале электрического разряда выделяется энергия, которая была накоплена в источнике питания, разрядный канал обладает некоторым бризантным действием, т.е. разряд подобен заряду взрывчатого вещества. Он представляет собой некий поршень, который с большой скоростью расширяется и создает вокруг себя волны механических напряжений.

Дальнейший ход мыслей авторов открытия был совершенно понятен: нельзя ли использовать этот эффект для того, чтобы разрушать твердые непроводящие тела? Под эти работы была создана проблемная лаборатория "Кедр", и долгие годы труды в ней шли под грифом "секретно", ведь это было не просто ноу-хау, а нечто революционное. Первые открытые публикации появились в 70-х годах. Научно-исследовательский институт высоких напряжений при ТПУ работал в значительной мере на реализации установок, работающих на принципе этого открытия. Работы проводились по нескольким направлениям, одно из них - разработка новой технологии бурения скважин большого диаметра и стволов в особо крепких горных породах. Другое - дробление и измельчение твердых тел -- минералов, искусственных материалов и т.д.

Преимущества этой технологии наиболее ярко проявляются при дроблении особо прочных материалов, при дроблении породы, содержащей драгоценные или полудрагоценные камни, а также в случаях, когда к конечному материалу предъявляются повышенные требования по чистоте. Еще одна сфера применения этой технологии - разрушение некондиционного железобетона. Дело в том, что на заводах железобетонных конструкций образуется достаточно много брака, который желательно было бы перерабатывать и пускать в дело.

Проблема переработки и последующей утилизации компонентов железобетонных конструкций обострилась в связи с тем, что вырабатывается ресурс жилых и производственных зданий из железобетона, сооруженных в 50--60-е годы. Технология позволяет разрушать диэлектрическую составляющую конструкции (щебень, гравий и бетон) и извлекать практически неповрежденную металлическую сетку. Так что стало возможно утилизировать и металл, извлеченный из такой конструкции, и нейтральный наполнитель, вполне пригодный для повторного применения. Была опробована также технология резки бетонных плит, асфальтовых покрытий и т.д. с помощью электрической искры. Когда информация об этой технологии стала доступна читателю, в том числе зарубежному, она вызвала большой интерес: и институтом высоких напряжений были заключены контракты с Японией, Германией, Великобританией, рядом российских предприятий.

Литература

Гагарин А.В. Профессора Томского политехнического университета. Биографический справочник. Т.3, ч. 1. Томск: Изд-во ТПУ, 2005-326 стр.

Ссылки

http://www.sbras.ru/HBC/2000/n04/f17.html