ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМПАКТНЫХ МОБИЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО СПОСОБА РАЗРУШЕНИЯ ГЕОМАТЕРИАЛОВ

Усов Анатолий Фёдорович

к. т. н., ст. научный сотрудник ЦФТПЭС КНЦ РАН, г. Апатиты

Е-mail:

Потокин Александр Сергеевич

аспирант КНЦ РАН, г. Апатиты

Е-mail: student_noo@admksc.apatity.ru

В данной статье предлагаются принципиально новые технические решения в создании зарядных устройств и средств генерирования высоковольтных импульсов, обеспечивающие существенное улучшение удельных энергетических и массо-габаритных характеристик установок электроимпульсного разрушения материалов.

Потребности технического прогресса в горном деле и ряде других отраслей промышленности с технологиями, включающими процессы разрушения материалов, ставят задачи повышения технологической эффективности, снижения энергоемкости разрушения, улучшения массогабаритных характеристик, обеспечения более простого управления процессом, более высокой экологической чистоты техники и технологии и т. п. К числу потенциально эффективных способов разрушения материалов относится электроимпульсный (ЭИ) способ разрушения материалов, основанный на использовании взрывного действия канала электрического разряда в твердом теле при выделении в нем энергии емкостного накопителя [11].

Способ отличает высокая энергетическая эффективность и уникальные технологические особенности, позволяющие его универсально использовать для бурения скважин различного диаметра и назначения, дробления и измельчения руд и технических материалов, резания и поверхностной обработки массива и блочного камня [12].

В исследовательских работах по электроимпульсной технологии, когда главные задачи связывались с исследованием технологических процессов, вопросы совершенствования электротехнического оборудования в сторону уменьшения его габаритов и веса всегда отходили на второй план. Сейчас, когда технологические процессы в значительной степени изучены, вопросы оптимизации электротехнического обеспечения технологии встают на первый план, и технологию уже не удовлетворяют аппараты на устаревшей элементной базе - громоздкие зарядные устройства и источники импульсного напряжения.

Как и российским опытным установкам, апробированным в производственных условиях [4], предлагаемым зарубежным разработкам свойственны известные недостатки, сдерживающие широкое производственное использование новых ЭИ-процессов. Эти недостатки в основном связаны с неудовлетворительными удельными энергетическими и массогабаритными характеристиками электроимпульсных установок и, прежде всего, относящиеся к электротехническому обеспечению способа [6–10].

Электротехническая часть установок включает в себя два относительно самостоятельных блока: зарядное устройство с элементами, позволяющими управлять процессом заряда и частотой следования импульсов, и генератор импульсов высокого напряжения на основе разряда емкостного накопителя энергии (рис.1).

Рисунок 1. Блок-схема электроимпульсной установки

1 — пульт управления, 2 — блок регулирования зарядного процесса, 3 — повысительно-зарядный блок, 4 — генератор импульсов, 5 — технологический блок.

Спецификой работы электротехнического оборудования в электроимпульсной технологии является применение высоких напряжений (350-500 кВ и выше) и динамический режим работы емкостного накопителя энергии: заряд-разряд на малоомную нагрузку, каким является канал разряда, с высокой частотой следования импульсов (оптимально до 20-30 импульсов в секунду).

Зарядное устройство

Зарядное устройство для реализации ЭИ способа должно обеспечивать требуемые напряжение и мощность, давать возможность регулирования частоты следования импульсов, обладая при этом высоким КПД и cos φ. Для установок электроимпульсной технологии, использующих в качестве источников импульсов ГИН и ИТ, принципиально подходят большинство типов зарядных устройств, разработанных для других электроразрядных и иных технологий, в которых основным накопителем энергии является конденсаторная батарея.

Начало работ по электроимпульсным технологиям относится ко времени, когда только начиналось освоение полупроводниковой техники. В исследовательских установках еще использовались кенотроны, затем селеновые вентили. Кольским научным центром (КНЦ) РАН (тогда Кольский филиал АН СССР) к разработке выпрямительных устройств для технологических установок были привлечены организации электротехнической промышленности с ориентацией на использование все более совершенных полупроводников с более высоким КПД выпрямления. С учетом требуемого для ЭИ технологий уровней импульсного напряжения (300 кВ и выше) предпочтительный уровень зарядного напряжения определялся в диапазоне 50–100 кВ, а максимальная мощность зарядных устройств в большинстве случаев могла быть ограничена величиной 100–250 кВт. Для целей ЭИ-технологий по заданиям КНЦ РАН в 1960-1980 гг.  Московским электрозаводом им. Куйбышева (МЭЗ) и Тольяттинским филиалом Всесоюзного энергетического института (ТФ ВЭИ) был разработан ряд зарядных устройств, испытанных на технологических установках КНЦ:

Блок ВТМ 27/45 - РНТМ 78/05 - (Московский электрозавод им. Куйбышева) – включает трансформатор-выпрямитель  ВТМ 27/45 (27 кВт, 45 кВ, селеновые столбы типа 15ГЕ) и дроссель насыщения с подмагничиванием РНТМ 78/0.5 (78 кВА, максимальный фазный ток 120 А, пределы изменения фазной индуктивности дросселя от 0.05 до 0.01 Гн при изменении тока подмагничивания от 0 до 5 А).

КВТМ-75/2х50-76У2- РНРМ-100/0.5  (Московский электрозавод им. Куйбышева) – включает трансформатор-выпрямитель КВТМ-75/2х50 (75 кВт; ±50 кВ; средний выпрямленный ток 0.75 А., кремниевые диоды) и дроссель насыщения с подмагничиванием РНРМ-100/0.5 (встроенный, 100кВа, регулирование индуктивности дросселя в пределах 0.02-0.002 Г, регулирование скорости заряда в пределах от 1 до 20 Гц с кпд 0.9 и cosf 0.8)

Зарядное устройство ЗУ-400 (Тольяттинский филиал ВЭИ) - номинальная мощность 58 кВа, выпрямленное напряжение 40-60 кВ со ступенью регулирования 5кВ; номинальный выпрямленный ток 0.6 А, селеновые столбы типа 15ГЕ. Предусматривает раздельное регулирование уровня напряжения и скорости заряда переключением числа витков обмотки низкого напряжения трансформатора и изменением числа витков линейной индуктивности в фазах трансформатора со стороны НН в диапазоне от 0.05 до 0.005 Г,  регулирование скорости заряда в пределах от 1 до 10 Гц.

Созданные ЗУ по номиналам напряжения и мощности, возможности управления скоростью заряда удовлетворяли требованиям установок для электроимпульсных технологий, но имели большой вес и габариты, свойственные схемам выпрямления с повышением переменного напряжения промышленной частоты трансформаторами на железе. Поэтому революционный прорыв в выпрямительной технике, произошедший в последние два десятилетия, переносит эти достижения в область истории разработки ЭИ способа.

Последние достижения в технологии изготовления источников питания высокого напряжения по схеме высокочастотного преобразования напряжения (ВЧП) обеспечили существенное (на порядок и более) уменьшение их габаритных размеров, массы и рост КПД энергопреобразования по сравнению с их аналогами, которые выпускались всего десятилетие назад. Приборы этого нового класса обычно работают на высоких частотах в диапазоне от 20 до 100 кГц и практически вытеснили все прежние модели источников питания в промышленности, которые работали от сети переменного тока, в том числе даже модели с высоким уровнем выходной мощности. Разработанное в КНЦ РАН  для исследовательских целей зарядное устройство на 50 кВ, 2 кВт представлено на рис. 2.

Рисунок 2. Зарядное устройство по схеме высокочастотного преобразования напряжения

При размерах 480 х 480 х 210 мм и весе 30 кг  удельные характеристики соответственно равны  24 дм³/кВт и 15 кг/кВт против 176 дм³/кВт и 120 кг/кВт для достаточно мощного (75 кВт) выпрямителя КВТМ-75/2х50-76У2- РНРМ-100/0.5. (Данное зарядное устройство разработано при активном участии сотрудников Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН  Данилина А.Н., Колобова В.В., Селиванов В.Н., Баранника М.Б. и Прокопчука П.И.).

Генерирование высоковольтных импульсов

В исследовательских и технологических электроимпульсных установках генерирование импульсов для процессов ЭИ в основном базировалось на использовании  относительно надежной, но большой по габаритам многоступенчатой (5–6 ступеней) схемы генератора Аркадьева – Маркса. Низкие удельные характеристики по габаритным параметрам генератора импульсов обусловлены очень высоким уровнем напряжения (сотни киловольт). При этом габариты установки определяются не только и не столько габаритами электротехнического оборудования, сколько большими изоляционными промежутками до ограждений, которые вынужденно выдерживаются в конструкции установки. Одним из путей улучшения удельных энергетических (энерго-габаритных) характеристик источников импульсов в установках ЭИ технологиях  является применение импульсных трансформаторов (ИТ). Оно главным образом преследует цель уменьшения габаритов установок за счет исключения многокаскадных ГИН, представляя накопитель энергии единичным элементом.

В КНЦ РАН опробованы несколько вариантов ИТ, отличающиеся схемой и типом материала магнитопровода, позволившие существенно уменьшить размеры генераторов импульсов. Тольяттинским филиалом ВЭИ по заданию КНЦ РАН разработан макетный 4-каскадный ИТ с магнитопроводом из трансформаторной стали (рис. 3).

Рисунок 3. Буровое устройство с каскадным импульсным трансформатором

Габариты генератора, предназначенного для установки бурения скважин с промывкой водой при буровом наконечнике диаметром 400 мм, позволяют разместить его непосредственно в скважине перед буровой коронкой. В подобных случаях решаются многие проблемы, связанные с передачей на забой импульсов высокого напряжения, причем не столько по причине деформации импульса, сколько из-за проблем с обеспечением электрической прочности передающей системы. В схеме с погружным ИТ амплитуда канализируемого к забою импульса напряжения снижается с 300–400 до 50 кВ. Однако схема генератора многокаскадного ИТ обладает тем недостатком, что при разряде накопительной емкости через ИТ предельная мощность импульса невелика вследствие высокого волнового сопротивления цепи разряда. По той же причине сечение железа сердечника ИТ имеет значительные размеры. В НИИ электрофизической аппаратуры (НИИ ЭФА) им. Ефремова, г. Санкт-Петербург по заданию КНЦ РАН был разработан однокаскадный ИТ, нагружаемый на контур обострения фронта высоковольтных импульсов с обостряющим конденсатором на напряжение 400 кВ (рис. 4).

Рисунок 4. Однокаскадный импульсный трансформатор

Целесообразно рассматривать данный вариант схемы как путь для дальнейшего снижения веса ИТ, сочетая использование материалов с высокой магнитной проницаемостью с оптимизацией параметров разрядного контура для обеспечения максимального к.п.д передачи энергии из первичного контура импульсного трансформатора в канал разряда породоразрушающего устройства с требуемым режимом выделения энергии [9]. Схема обострения фронта импульсов за счет перераспределения энергии между разрядной и обостряющей емкостями также дает дополнительные возможности для регулирования энерговыделения в канале разряда в целях достижения максимального разрушающего эффекта разряда. А если этого недостаточно, то комбинированные схемы генераторов импульсов с двумя источниками энергии позволяют независимо оптимизировать формирование импульса напряжения на нагрузке до пробоя в разрядном промежутке и режим энерговклада в канал разряда с целью энергетической оптимизации процесса электроимпульсного разрушения. На рис. 5 приведен макетный вариант ИТ на ферритовых кольцах 2000 НМ, обеспечивающий зарядку обострителя до 350 кВ.

Рисунок 5. Макетный образец ИТ – 50/350

коэффициент трансформации – 7, выходное напряжение 350 кВ;. 1- ферритовых кольцах 100x60x15-15 шт., 2 - вторичная обмотка, 3 - первичная катушка, 4 - бак (изоляционный), 5 – опора,   6 - крышка (изоляционная), 7 – маслозаливные  трубки.

Благодаря нашей высокой активности в постановке и обсуждении электротехнических проблем электроимпульсного способа разрушения материалов к этой проблеме возник интерес со стороны научных организаций из смежных отраслей высоковольтной электротехники и это приносит свои плоды. В этом плане следует отметить работы  НИИ ядерной физики, НИИ высоких напряжений ТПУ, IT & AC Ltd., Japan (Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий [14] и ИСЭ СО РАН [2]. Предложенные решения по схемам генерирования импульсов могут рассматриваться альтернативными, равнозначно эффективными в определенных диапазонах широкого спектра применения способа.

Таким образом, в настоящее время возникли реальные технические предпосылки для создания компактных и энергетически эффективных электротехнологических комплексов. Учитывая широкую гамму технологических применений способа и диапазон энергетических режимов, предлагается поэтапное рассмотрение и решение проблемы восхождением от простого к сложному. На первом этапе исследования новых технических решений предлагается проверить и отработать на установках ограниченной производительности, соответствующих запросам и отвечающих требованиям определенных отраслей, а уже далее перейти к реализации адаптированных решений на более мощных установках и по более широкому спектру перспективных направлений использования. В основу стратегии дальнейшего совершенствования электротехнического оборудования для электроимпульсной технологии для существенного улучшение удельных энергетических и массо-габаритных характеристик электроимпульсных установок предлагается использование следующих технических решений: 1 - использование при создании зарядного устройства схем высокочастотного преобразования напряжения, 2 - использование в схеме генерирования импульсов импульсных трансформаторов с магнитопроводом из материала с высокой магнитной проницаемостью, 3 – использование схемы обострения фронта импульсов напряжения, 4 - исполнение обостряющих конденсаторов на воде и иных жидких диэлектриках с высокой диэлектрической проницаемостью.

Список литературы:

1.            Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Завадовская Е.К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1971.

2.            Канаев Г. Г., Кухта В. Р., Лопатин В. В., Нашилевский А. В., Ремнев Г. Е.,  Uemura К., Фурман Э. Г.. Приборы и техника эксперимента № 1, Январь-Февраль 2010, 105-109 c.

3.            Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. - Апатиты: КНЦ РАН, 2002, 324 с.

4.            Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - Апатиты: КНЦ РАН, 1995.

5.            Усов А.Ф. Перспективы технологий электроимпульсного разрушения горных пород и руд. Известия РАН, Энергетика. 2001. № 1, 54–62 c.

6.            Усов А.Ф., Бородулин В.В. Проблема улучшения удельных массогабаритных и энергетических характеристик технических средств электроимпульсного разрушения материалов. Горный информационно-аналитический бюллетень №9, 2010, 375-379 c.

7.            Усов А.Ф., Гладков В.С. Вопросы электротехнического обеспечения технологий электроимпульсного разрушения материалов источниками высоковольтных импульсов. Вестник НТУ "ХПИ", г. Харьков, - в. 35, 2004, 143-154 c.

8.            Усов А.Ф., Потокин А.С. О стратегии разработки  и освоения электротехнического оборудования для технологий электроимпульсного разрушения материалов. Труды Всероссийской конференция по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2011, Петрозаводск, 21-27.06.2011, 62-66 с.

9.            Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные  процессы в установках электроимпульсной технологии - Л.:- Наука, 1987, 179 с.

10.       Усов А.Ф., Цукерман В.А., Бородулин В.В., Приютов Ю.М. Лабораторный электроимпульсный дезинтегратор КЛЭИД эффективный инструмент для изучения минерального сырья. Горный информационно-аналитический бюллетень № 3, 2008, 130-135 с.

11.       Andres, U. 1995. Electrical disintegration of rock, Mineral Proc. Extractive Metallurgy Rev., 14: 87- 110, 225 с.

12.       Biela J., Marxgut C., Bortis D. and Kolar J.W. Electric Discharge Drilling of Conrete., Proceeding of the IEEE International Power Modulator Conference, May 27-31, Las Vegas, NV, 2008, 276 с.

13.       Inoue, H.et al. 2000. Drilling of hard rocks by pulsed power. Inoue, H.   Lisitsyn, I.V.   Akiyama, H.   Nishizawa, I.   In  Electrical Insulation Magazine, IEEE Volume: 16,  Issue: 3, 2000 pp. 19-25 pp.

14.       Kovalchuk, A. V. Kharlov, V. A. Vizir, V. V. Kumpyak, V. B. Zorin, and V. N. Kiselev. High-voltage pulsed generator for dynamic fragmentation of rocks.  Rev. Sci. Instrum. 81, 103506 (2010); doi:10.1063/1.3497307.