Электротехника и электроэнергетика УДК 541.13 ББК 31.241 Г.А. КРАВЧЕНКО, А.М. МАКАРОВ, Ю.П. ПИЧУГИН

Электротехника и электроэнергетика
193
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, A.M. 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.
Рис. 1. Конструкция системы высоковольтных электродов
плоского озонатора барьерного типа:
1 – электроды; 2 – диэлектрический барьер; 3 – зона разряда
.
194
Вестник Чувашского университета. 2013. № 3
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
.
Электротехника и электроэнергетика
195
значении времени t = ∞ . Для этого по
оси абсцисс откладывалась величина,
обратно пропорциональная n  .Уравнение этой прямой имеет вид
U
U t  U пр   n ,

где величина Uпр  равна пробивному
напряжению при бесконечной длительности приложенного напряжения [2].
Пример определения Uпр  приведен на
рис. 3.
Для построения кривых были проРис. 3. Экстраполяция
ведены временные испытания моделей
экспериментальных данных
озонаторов при разных напряжениях.
для получения расчетного значения Uпр 
В табл. 1 приведены результаты
для модели с многослойным
экспериментов и расчетов для модели
диэлектрическим барьером:
генератора озона с многослойным ди1 – n = 2; 2 – n = 4; 3 – n = 7; 4 – n = 14
электрическим 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 U пр   f 1/ n   происходит при n = 7.
При этом значении n расчетная прямая пересекает ось напряжения при бесконечном
времени приложения напряжения в точке Uпр  = 4 кВ.
Экспериментальные данные по электрической прочности гетинакса, текстолита
и других материалов, применяемых в качестве диэлектрических барьеров в генераторах озона, характеризуются знаТаблица 1
чительным разбросом. Поэтому для
Таблица
экспериментальных
испытаний выбирались конкретные
и расчетных данных
материалы из одной партии. Испыдля модели с многослойным барьером
тания проводились по возможности
Время
Расчетные данные
в одинаковых внешних условиях.
работы
В табл. 2 приведены экспери- Напряжение U,
1
1
1
1
модели
кВ
ментальные и расчетные данные по
4
7
14
до пробоя 2 



зависимости электрической прочноτ, мин
сти от времени для модели генера10
30
0,183 0,427 0,615 0,784
тора озона с диэлектрическим барь8
532
0,043 0,208 0,408 0,639
7
4211
0,015 0,124 0,304 0,551
ером из гетинакса без защитного
6
59 307 0,0041 0,064 0,208 0,456
покрытия.
По полученным расчетным криТаблица 2
вым, представленным на рис. 4 вид- Таблица экспериментальных и расчетных данных
но, что спрямление характеристики
для модели с диэлектрическим барьером
1 
без защитного покрытия

U пр   f  n  происходит при n = 7.
 
Время
Расчетные данные
В этом случае расчетная прямая Напряжение U, работы
1
1
1
1
модели
пересекает ось напряжения при бескВ
2
4
7
12
до
пробоя




конечном времени приложения наτ, мин
пряжения в точке Uпр  = 0,75 кВ.
10
10
0,316 0,562 0,72 0,825
Полученные результаты позво8
62
0,127 0,356 0,555 0,709
лили определить ресурс при любом
6
523
0,044 0,209 0,409 0,594
напряжении на системе электродов,
5
2317
0,021 0,144 0,331 0,524
.
196
Вестник Чувашского университета. 2013. № 3
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.
Рис. 4. Экстраполяция
При таком же напряжении генераэкспериментальных данных
тор озона с диэлектрическим барьером
для получения расчетного значения Uпр 
из гетинакса без защитного покрытия
для модели с диэлектрическим барьером
имел расчетный ресурс около 50 ч.
без защитного покрытия:
Таким образом, в результате про1 – n = 2; 2 – n = 4; 3 – n = 7; 4 – n = 12
деланной 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. Гроднев, 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.: Пичугин 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 ([email protected]).
KRAVCHENKO GALINA ALEKSEEVNA – senior teacher of Electromechanics and
Electrotechnical Production Technology Chair, Chuvash State University, Russia Cheboksary.
МАКАРОВ АЛЕКСЕЙ МИХАЙЛОВИЧ – 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 [email protected]).
PICHUGIN YURIY PETROVICH – candidate of technical sciences, assistant professor of
Electromechanics and Electrotechnical Production Technology Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
.