Influence of the quality of electrical energy on the operation of the main elements of electric arc plasma systems for thermochemical fuel preparation

Full Text

Введение

Качество электрической энергии (КЭЭ) – одно из основополагающих аспектов эффективной работы элементов электроэнергетических систем. Как известно [1–5], КЭЭ в ряде регионов России и за рубежом не соответствует регламентируемым ГОСТ 32144–2013 [6] значениям, в наибольшей степени преобладает отклонение таких показателей качества электрической энергии (ПКЭ), как несимметрия и несинусоидальность напряжения, отклонение напряжения.

На сегодняшний день плазменные системы термохимической подготовки топлива находят широкое применение в топливно-энергетических комплексах электроэнергетических систем [7, 8]. Согласно спецификации производителей плазменных систем, для их стабильной работы необходимо наличие определенных энергоресурсов (электроснабжение, водоснабжение и т. д.), которые должны соответствовать определенным требованиям [7–10].

Сложность работы плазменных систем термохимической подготовки топлива заключается в чувствительности данных систем к внешним помехам, таким как искажение напряжения питающей сети. Как и любое технически сложное оборудование, плазменные системы сконструированы и изготовлены для работы в строго определенных (номинальных) условиях эксплуатации [11–15].

Стоит отметить, что одними из основных элементов электродуговых плазменных систем термохимической подготовки топлива являются электроды, способствующие образованию плазмы при эксплуатации плазменных установок [15–16]. Для данных элементов характерны неисправности и преждевременный выход из строя, обусловленные износом поверхности электродов, который вызывается такими факторами, как термическое воздействие со стороны электрической дуги, а кроме того, электроэрозионное и коррозионно-окислительное воздействие. В зоне непосредственного воздействия привязки электрической дуги на поверхность электрода возможен его локальный нагрев до температуры в несколько тысяч градусов. Соответственно, при перемещении пятна привязки на поверхности электродов возможны появления каверн, трещин, отколов вследствие термохимических воздействий [19–21].

Одним из наиболее эффективных способов увеличения ресурса электродов является применение магнитно-волнового сканирования для перемещения приэлектродного участка плазмы. Разновидностью магнитно-волнового сканирования является питание электромагнитных катушек плазматрона переменным напряжением [22]. Стоит подчеркнуть, что при использовании любого переменного напряжения в качестве питания плазменной установки необходимо учитывать его качество.

Известно, что движение приэлектродного участка плазмы зависит от сочетания пондемоторной силы и электромагнитных сил катушек [12–24]. Вследствие этого изменения электромагнитного поля катушек из-за искажения напряжения приведут к изменению движения приэлектродного участка плазмы. Отсюда следует, что подобные искажения траекторий, возникающие при отклонении уровня напряжений от регламентируемых [6] значений, могут значительно снизить ресурс электродов, так как при подобной форме траектории увеличивается время нахождения приэлектродного участка плазмы в одной области электрода. Снижение ресурса электрода, в свою очередь, уменьшает ресурс установки плазматрона в целом.

Именно поэтому в рамках настоящей статьи предлагается выполнить исследования и оценку влияния искажения напряжений на траекторию движения приэлектродного участка плазмы с магнитно-волновым сканированием и последующего изменения ресурса плазматрона при определенных условиях эксплуатации.

Материалы и методы исследования

В качестве основного инструмента исследования использовано программное обеспечение ANSYS Maxwell [25]. Указанный программный продукт предоставляет возможность выполнения процедуры оценки влияния искажений напряжения на траекторию перемещения приэлектродного участка плазмы и, следовательно, ресурс электродов плазматрона.

Как известно, траектория движения приэлектродного участка плазмы зависит от изменения электромагнитных сил катушек плазматрона, то есть изменение электромагнитного поля катушек приводит к изменению траектории движения приэлектродного участка плазмы. Следовательно, для оценки влияния искажений напряжения необходимо выполнить построение картины электромагнитных полей катушек плазматрона.

В проводимых исследованиях выбраны следующие параметры эксперимента:

– коэффициент несимметрии по нулевой последовательности ($K_{0U}$), равный 2 % и 4 %;

– коэффициент несимметрии по обратной последовательности ($K_{2U}$), равный 2 % и 4 %;

– отклонение напряжения $\delta U_{\left(+\right)}$, равное 5 % и 10 %.

Искажение напряжения задавалось однократно и оставалось неизменным на протяжении каждой итерации эксперимента.

В процессе исследования выполнены следующие эксперименты:

– эксперимент № 1 – построение эталонной траектории движения приэлектродного участка плазмы без искажения напряжения;

– эксперимент № 2 – построение траектории движения приэлектродного участка плазмы при величине $K_{2U}=2$%;

– эксперимент № 3 – построение траектории движения приэлектродного участка плазмы при величине $K_{2U}=4$%;

– эксперимент № 4 – построение траектории движения приэлектродного участка плазмы при величине $K_{0U}=2$%;

– эксперимент № 5 – построение траектории движения приэлектродного участка плазмы при величине $K_{0U}=4$%;

– эксперимент № 6 – построение траектории движения приэлектродного участка плазмы при величине $\delta U_{\left(+\right)}=5$%;

– эксперимент № 7 – построение траектории движения приэлектродного участка плазмы при величине $\delta U_{\left(+\right)}=10$%.

Результаты исследования и их обсуждение

Примеры статичных форм электромагнитных полей без искажения напряжения приведены на рис. 1, при искажении напряжения (параметры $K_{2U}=4$%, $\delta U_{\left(+\right)}=10$%) – на рис. 2, 3. 

 

Рис. 1. Электромагнитное поле модели магнитно-волнового сканирования без искажения напряжения

 

Сравнение статичных форм электромагнитных полей, изображенных на рис. 1–3, показывает их видоизменения при воздействии искажающих факторов. Так, размер статичной формы электромагнитного поля катушки при несимметрии напряжений отличается от размера статичной формы как при отклонении напряжения, так и без искажения напряжений.

В рамках исследования траекторий движения приэлектродного участка плазмы необходимо реализовать картины разверток трехмерного движения на плоскость при различных параметрах эксперимента, далее представленных на рис. 4–10.

В результате выполненных экспериментов получены траектории движения приэлектродного участка плазмы, изображенные на рис. 4–10, из которых становится очевидным, что при перемещении приэлектродного участка плазмы с магнитно-волновом сканированием переменным током его траектория изменяется со временем.

 

Рис. 2. Электромагнитное поле модели магнитно-волнового сканирования при ${\mathit{K}}_{\mathbf{2}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{4}$%

 

На полученных траекториях движения приэлектродного участка плазмы (см. рис. 4–10) отображены моменты появления резких изменений кривой, что позволяет судить о потенциальном перегреве электрода вследствие искажений напряжения.

Анализ траекторий движения приэлектродного участка в выполненных исследованиях показывает следующее:

– в экспериментах № 2 и № 3 – от величины несимметрии напряжений по обратной последовательности зависит степень отклонения формы траектории от формы траектории без искажения напряжений, однако характер воздействия остается схожим;

– в экспериментах № 2 и № 4 – схожесть влияния составляющих несимметрии напряжений на траекторию движения, однако степень данного влияния различна. Несимметрия напряжений по обратной последовательности оказывает большее влияние, чем несимметрия напряжений по нулевой последовательности, на форму траектории движения;

– в экспериментах № 4 и № 5 – зависимость изменения формы траектории от величины несимметрии напряжения нулевой последовательности. Чем больше величина несимметрии напряжений по нулевой последовательности, тем больше отклонение траектории, следовательно, тем больше вероятность возникновения каверн на участке электрода.

 

Рис. 3. Электромагнитное поле модели магнитно-волнового сканирования при $\mathit{\delta }{\mathit{U}}_{(+)}\mathbf{=}\mathbf{10}$%

 

Рис. 4. Траектория движения приэлектродного участка плазмы без искажения величины напряжения

 

Рис. 5. Траектория движения приэлектродного участка плазмы при ${\mathit{K}}_{\mathbf{2}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{2}$%

 

Рис. 6. Траектория движения приэлектродного участка плазмы при ${\mathit{K}}_{\mathbf{2}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{4}$%

 

Рис. 7. Траектория движения приэлектродного участка плазмы при ${\mathit{K}}_{\mathbf{0}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{2}$%

 

Рис. 8. Траектория движения приэлектродного участка плазмы при ${\mathit{K}}_{\mathbf{0}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{4}$%

 

Рис. 9. Траектория движения приэлектродного участка плазмы при $\mathit{\delta }{\mathit{U}}_{(+)}\mathbf{=}\mathbf{5}$%

 

Рис. 10. Траектория движения приэлектродного участка плазмы при $\mathit{\delta }{\mathit{U}}_{(+)}\mathbf{=}\mathbf{10}$%

 

Таким образом, анализ результатов моделирования траекторий показал, что форма изменения кривой при отклонении напряжения отличается от формы траекторий при наличии несиммметрии напряжений. Кроме того, очевидно, что величина отклонения напряжения прямо пропорциональна величине искажения траектории движения приэлектродного участка плазмы относительно формы траектории без искажения напряжений, полученной в результате эксперимента № 1.

В итоге в выполненных экспериментах № 2–7 построен участок с искривлением формы траектории относительно формы траектории без искажения напряжений. Соответственно, изменение движения траектории приэлектродного участка плазмы показывает качественную характеристику влияния искажения напряжения на ресурс электродов плазматрона. Именно поэтому для количественной оценки степени воздействия искажения напряжений необходимо определить динамику варьирования величин эрозии электродов вследствие изменения показателей качества электрической энергии.

Следовательно, отразим взаимосвязь искажений траекторий приэлектродного участка плазмы с величиной эрозии электрода через изменения температуры электрода. Срок службы электрода плазматрона определим согласно формуле

$Z=\frac{\rho \pi D{L}_{\text{эф}}H}{GI}$,   (1)

где $\rho$ – плотность материала электрода, г/см³; G – удельная эрозия электрода, мкг/К; I – фазный ток плазматрона, А;  – цилиндрическая область эрозии электрода, мм; H – толщина стенки электрода, мм; D – толщина эрозии электрода, мм.

В формуле (1) приняты допущения: область эрозии электрода, ограниченная криволинейной поверхностью длиной L, заменена цилиндрической с эффективной длиной $L_{\text{эф}}$. Это допущение оправдано в силу того, что зона эрозии на порядок превышает как толщину эрозии, так и толщину стенки электрода [26]. Значения параметров формулы (1), кроме удельной величины эрозии, принимаем постоянными. Величина удельной эрозии будет зависеть от температуры перегрева электрода, зависящей, в свою очередь, от траектории движения приэлектродного участка. Исходя из этого для нахождения данной зависимости необходимо выполнить исследования изменения температуры электрода плазматрона при различных искажениях напряжения, используя программный продукт ANSYS Maxwell.

С целью определения количественных значений изменения ресурса электродов плазматрона необходимо получить данные величин удельной эрозии электрода при различных искажениях напряжения, используя формулу (1). Следовательно, выполним следующий эксперимент с соответствующими параметрами:

– применяемые материалы изготовления электродов: медь (Cu), псевдосплав молибдена, вольфрама и меди – МВД (Mo + W+ Cu) и псевдосплав вольфрама, никеля и меди – ВНДС (W + Ni + Cu);

– начальная рабочая температура электродов принята равной 1000 К;

– начальные форма и размеры электродов одинаковы на каждой итерации моделирования;

– величина фазного тока постоянна на каждой итерации моделирования;

– коэффициент несимметрии по нулевой последовательности ($K_{0U}$) равен 2 % и 4 %;

– коэффициент несимметрии по обратной последовательности ($K_{2U}$) равен 2 % и 4 %;

– отклонение напряжения $\delta U_{\left(+\right)}$ равно 5 % и 10 %.

В результате комплекса экспериментов получены данные изменения температуры электрода плазматрона при движении приэлектродного участка плазмы при различных искажениях напряжения, проиллюстрированные на рис. 11–19. Очевидно, что отображение изменения температуры электрода плазматрона показывает области повышенный температуры электрода при различных искажениях напряжения.

 

Рис. 11. Отображение изменения температуры медного электрода плазматрона при движении приэлектродного участка плазмы при ${\mathit{K}}_{\mathbf{2}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{2}$% (а), ${\mathit{K}}_{\mathbf{2}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{4}$% (б)

 

Рис. 12. Отображение изменения температуры медного электрода плазматрона при движении приэлектродного участка плазмы при ${\mathit{K}}_{\mathbf{0}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{2}$% (а), ${\mathit{K}}_{\mathbf{0}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{4}$% (б)

 

Рис. 13. Отображение изменения температуры медного электрода плазматрона при движении приэлектродного участка плазмы при $\mathit{\delta }{\mathit{U}}_{(+)}\mathbf{=}\mathbf{5}$% (а), $\mathit{\delta }{\mathit{U}}_{(+)}\mathbf{=}\mathbf{10}$% (б)

 

Рис. 14. Отображение изменения температуры электрода из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди (МВД) плазматрона при движении приэлектродного участка плазмы при ${\mathit{K}}_{\mathbf{2}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{2}$% (а), ${\mathit{K}}_{\mathbf{2}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{4}$% (б)

 

Рис. 15. Отображение изменения температуры электрода из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди (МВД) плазматрона при движении приэлектродного участка плазмы при ${\mathit{K}}_{\mathbf{0}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{2}$% (а), ${\mathit{K}}_{\mathbf{0}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{4}$% (б)

 

Рис. 16. Отображение изменения температуры электрода из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди (МВД) плазматрона при движении приэлектродного участка плазмы при $\mathit{\delta }{\mathit{U}}_{(+)}\mathbf{=}\mathbf{5}$% (а), $\mathit{\delta }{\mathit{U}}_{(+)}\mathbf{=}\mathbf{10}$% (б)

 

Рис. 17. Отображение изменения температуры электрода из псевдосплава вольфрама, никеля и меди (ВНДС) плазматрона при движении приэлектродного участка плазмы при ${\mathit{K}}_{\mathbf{2}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{2}$% (а), ${\mathit{K}}_{\mathbf{2}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{4}$% (б)

 

Рис. 18. Отображение изменения температуры электрода из псевдосплава вольфрама, никеля и меди (ВНДС) плазматрона при движении приэлектродного участка плазмы при ${\mathit{K}}_{\mathbf{0}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{2}$% (а), ${\mathit{K}}_{\mathbf{0}\mathbf{U}}\mathbf{=}\mathbf{4}$% (б)

 

Рис. 19. Отображение изменения температуры электрода из псевдосплава вольфрама, никеля и меди (ВНДС) плазматрона при движении приэлектродного участка плазмы при $\mathit{\delta }{\mathit{U}}_{(+)}\mathbf{=}\mathbf{5}$% (а), $\mathit{\delta }{\mathit{U}}_{(+)}\mathbf{=}\mathbf{10}$% (б)

 

Сравнение областей повышенной температуры электродов, изображенных на рис. 11–19, показывает, что повышение температуры участка электрода зависит прямо пропорционально от величины искажения напряжений.

Графические отображения рис. 11–13, иллюстрирующие изменение температуры электрода из меди (Cu) плазматрона с магнитно-волновым сканированием переменным током ∆T:

– при $K_{0U}$, равном 2 % и 4 % соответственно, показывают, что максимальное $\Delta T$ для $K_{0U}=2$% меньше, чем для $K_{0U}=4$%, на 110 К. Максимальное $\Delta T$составило для $K_{0U}=2$%  $\Delta T=200$К, для $K_{0U}=4$% $\Delta T=310$ К;

– при $K_{2U}$, равном 2 % и 4 % соответственно, показывают, что максимальное $\Delta T$ для $K_{2U}=2$% меньше, чем для $K_{2U}=4$%, на 80 К. Максимальное $\Delta T$составило для $K_{2U}=2$% $\Delta T=250$ К, для $K_{2U}=4$% $\Delta T=330$ К;

– при $\delta U_{\left(+\right)}$, равном 5 % и 10 % соответственно, показывают, что максимальное $\Delta T$ для $\delta U_{\left(+\right)}=5$% меньше, чем для $\delta U_{\left(+\right)}=10$%, на 50 К. Максимальное $\Delta T$ составило для $\delta U_{\left(+\right)}=5$% $\Delta T=200$ К, для $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $\Delta T=250$ К.

Проведенный анализ рис. 11–13 исследованных искажающих факторов свидетельствует о том, что наибольшее влияние $K_{2U}$ оказывает на температурный режим работы электродов. Так, при $K_{2U}=4$% изменение температуры электрода относительно рабочей температуры, равной $T=1000$ К, составило $\Delta T^{\text{'}}=330$ К.

Графические отображения, представленные на рис. 13–16, иллюстрирующие изменение температуры электрода из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди – МВД (Mo + W+ Cu) плазматрона с магнитно-волновым сканированием переменным током $\Delta T$:

– при $K_{0U}$, равном 2 % и 4 % соответственно, показывают, что максимальное $\Delta T$ для $K_{0U}=2$% меньше, чем для $K_{0U}=4$%, на 60 К. Максимальное $\Delta T$составило для $K_{0U}=2$% $\Delta T=245$ К, для $K_{0U}=4$% $\Delta T=305$ К;

– при $K_{2U}$, равном 2 % и 4 % соответственно, показывают, что максимальное $\Delta T$ для $K_{2U}=2$% меньше, чем для $K_{2U}=4$%, на 80 К. Максимальное $\Delta T$составило для $K_{2U}=2$% $\Delta T=265$ К, для $K_{2U}=4$% $\Delta T=345$ К;

– при $\delta U_{\left(+\right)}$, равном 5 % и 10 % соответственно, показывают, что максимальное $\Delta T$ для $\delta U_{\left(+\right)}=5$% меньше, чем для $\delta U_{\left(+\right)}=10$%, на 70 К. Максимальное $\Delta T$ составило для $\delta U_{\left(+\right)}=5$% $\Delta T=195$ К, для $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $\Delta T=265$ К.

Проведенный анализ рис. 13–16 исследованных искажающих факторов свидетельствует о том, что наибольшее влияние $K_{2U}$ оказывает на температурный режим работы электродов. Так, при $K_{2U}=4$% изменение температуры электрода относительно рабочей температуры, равной $T=1000$ К, составило $\Delta T^{\text{'}}=345$ К.

Графические отображения рис. 16–19, иллюстрирующие изменение температуры электрода из псевдосплава вольфрама, никеля и меди – ВНДС (W + Ni + Cu) плазматрона с магнитно-волновым сканированием переменным током $\Delta T$:

– при $K_{0U}$, равном 2 % и 4 % соответственно, показывают, что максимальное $\Delta T$ для $K_{0U}=2$% меньше, чем для $K_{0U}=4$%, на 60 К. Максимальное $\Delta T$ составило для $K_{0U}=2$% $\Delta T=250$ К, для $K_{0U}=4$% $\Delta T=310$ К;

– при $K_{2U}$, равном 2 % и 4 % соответственно, показывают, что максимальное $\Delta T$ для $K_{2U}=2$% меньше, чем для $K_{2U}=4$%, на 80 К. Максимальное $\Delta T$ составило для $K_{2U}=2$% $\Delta T=270$ К, для $K_{2U}=4$% $\Delta T=350$ К;

– при $\delta U_{\left(+\right)}$, равном 5 % и 10 % соответственно, показывают, что максимальное $\Delta T$ для $\delta U_{\left(+\right)}=5$% меньше, чем для $\delta U_{\left(+\right)}=10$%, на 70 К. Максимальное ∆T составило для $\delta U_{\left(+\right)}=5$% $\Delta T=200$ К, для d$\delta U_{\left(+\right)}=10$ % $\Delta T=270$ К.

Проведенный анализ рис. 16–19 исследованных искажающих факторов свидетельствует о том, что наибольшее влияние K_2U оказывает на температурный режим работы электрода. Так, при $K_{2U}=4$% изменение температуры электродов относительно рабочей температуры, равной $T=1000$ К, составило $\Delta T^{\text{'}}=350$ К.

Искажения траекторий приэлектродного участка плазмы подтверждают влияние качества электроэнергии на ресурс электродов плазматрона. Однако для оценки степени влияния ПКЭ необходимо количественно оценить изменения срока службы электродов плазменных установок.

Соответственно, полученные значения изменения температур необходимо соотнести с удельной величиной эрозии электродов плазматрона. Ввиду этого на данном этапе исследования предпочтительно использование графоаналитического метода на основе исследований, полученных авторами в [27]. Результаты исследования графически отображены на рис. 20–22.

 

Рис. 20. Величины удельной эрозии электродов плазматрона при различных искажениях напряжения с материалом электрода медь

 

Рис. 21. Величины удельной эрозии электродов плазматрона при различных искажениях напряжения с материалом электрода из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди (МВД)

 

Рис. 22. Величины удельной эрозии электродов плазматрона при различных искажениях напряжения c материалом электрода из псевдосплава вольфрама, никеля и меди (ВНДС)

 

Анализ изображенных на рис. 20 графических отображений свидетельствует о том, что величина удельной эрозии электрода из меди (Cu) плазматрона с магнитно-волновым сканированием переменным током изменяется при искажении напряжения так:

– при $K_{0U}=2$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0264}$ мкг/К, при $K_{0U}=4$% $G=\mathrm{1,0294}$ мкг/К;

– при $K_{2U}=2$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0293}$ мкг/К, при $K_{2U}=4$% $G=\mathrm{1,0325}$ мкг/К;

– при $\delta U_{\left(+\right)}=5$% удельная эрозия составила $\delta U_{\left(+\right)}=5$ мкг/К, при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $G=\mathrm{1,0249}$ мкг/К.

Изображенные на рис. 21 графические отображения показывают, что величина удельной эрозии электрода из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди – МВД (Mo + W + Cu) плазматрона с магнитно-волновым сканированием переменным током изменяется при искажении напряжения так:

– при $K_{0U}=2$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0242}$ мкг/К, при $K_{0U}=4$% $G=\mathrm{1,0272}$ мкг/К;

– при $K_{2U}=2$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0271}$ мкг/К, при $K_{2U}=4$% $G=\mathrm{1,0303}$ мкг/К;

– при $\delta U_{\left(+\right)}=5$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0206}$ мкг/К, при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $G=\mathrm{1,0226}$ мкг/К.

Анализ графических отображений, представленных на рис. 22, показывает, что величина удельной эрозии электрода из псевдосплава вольфрама, никеля и меди – ВНДС (W + Ni + Cu) плазматрона с магнитно-волновым сканированием переменным током изменяется при искажении напряжения так:

– при $K_{0U}=2$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0231}$ мкг/К, при $K_{0U}=4$% $G=\mathrm{1,0261}$ мкг/К;

– при $K_{2U}=2$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0260}$ мкг/К, при $K_{2U}=4$% $G=\mathrm{1,0292}$ мкг/К;

– при $\delta U_{\left(+\right)}=5$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0194}$ мкг/К, при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $G=\mathrm{1,0215}$ мкг/К.

Сравнение полученных результатов удельной эрозии электродов показало, что наибольшее значение данного параметра отмечено для медного электрода, что обусловлено меньшей термической стойкостью материала.

Как известно, для установок, применяемых для розжига топлива угольных тепловых станций, нормативный срок службы электрода по данным завода-изготовителя составляет 200 ч [26, 27].

На основании формулы (1) определим срок службы электрода при различных искажающих факторах. В качестве примера рассмотрим вариант эксперимента – электрод из меди (Cu) плазматрона при условии $K_{2U}=4$%:

$Z=\frac{8.96\cdot 3.14\cdot 1.81\cdot 7\cdot 1}{1.0292\cdot 500}=193.5$ ч.

Алгоритм вычисления  аналогичен для остальных вариантов эксперимента. Графические результаты расчета представлены на рис. 23–25.

 

Рис. 23. Изменение срока службы электродов при различных искажениях напряжения плазматрона с материалом электрода медь

 

Рис. 24. Изменение срока службы электродов при различных искажениях напряжения плазматрона с материалом электрода из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди (МВД)

 

Рис. 25. Изменение срока службы электродов при различных искажениях напряжения плазматрона с материалом электрода из псевдосплава вольфрама, никеля и меди (ВНДС)

 

Графические отображения, проиллюстрированные на рис. 23, показывают, что срок службы электрода из меди (Cu) плазматрона с магнитно-волновым сканированием переменным током изменился так:

– при $K_{0U}=2$% срок службы составил $Z=\mathrm{194,6}$ ч, при $K_{0U}=4$% $Z=\mathrm{194,1}$ ч. В процентном соотношении изменение срока службы при $K_{0U}=2$% составило $\Delta Z=\mathrm{2,64}$%, при $K_{0U}=4$% $\Delta Z=\mathrm{2,94}$%;

– при $K_{2U}=2$% срок службы составил $Z=\mathrm{194,1}$ ч, при $K_{2U}=4$% $Z=\mathrm{193,5}$ ч. В процентном соотношении изменение срока службы при $K_{2U}=2$% составило $\Delta Z=\mathrm{2,93}$%, при $K_{2U}=4$% $\Delta Z=\mathrm{3,25}$%;

– при $\delta U_{\left(+\right)}=5$% срок службы составил $Z=\mathrm{195,4}$ ч, при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $Z=195$ ч. В процентном соотношении изменение срока службы при $\delta U_{\left(+\right)}=5$% составило $\Delta Z=\mathrm{2,28}$%, при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $\Delta Z=\mathrm{2,49}$%.

Анализ графических отображений, представленных на рис. 24, показывает, что срок службы электрода из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди – МВД (Mo + W + Cu) плазматрона с магнитно-волновым сканированием переменным током изменился так:

– при $K_{0U}=2$% срок службы составил $Z=\mathrm{195,2}$ ч, при $K_{0U}=4$%, $Z=\mathrm{194,6}$ ч. В процентном соотношении изменение ресурса для $K_{0U}=2$% составило $\Delta Z=\mathrm{2,42}$%, для $K_{0U}=4$% $\Delta Z=\mathrm{2,72}$%;

– при $K_{2U}=2$% срок службы составил $Z=\mathrm{194,6}$ ч, при $K_{2U}=4$% $Z=\mathrm{193,9}$ ч. В процентном соотношении изменение срока службы для $K_{2U}=2$% составило $\Delta Z=\mathrm{2,71}$%, для $K_{2U}=4$% $\Delta Z=\mathrm{3,03}$%;

– при $\delta U_{\left(+\right)}=5$% срок службы составил $Z=\mathrm{195,9}$ ч при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $Z=\mathrm{195,5}$ ч. В процентном соотношении изменение ресурса для $\delta U_{\left(+\right)}=5$% составило $\Delta Z=\mathrm{2,06}$%, для $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $\Delta Z=\mathrm{2,26}$%.

Анализируя изображенные на рис. 25 графические отображения, отметим, что срок службы электрода из псевдосплава вольфрама, никеля и меди – ВНДС (W + Ni + Cu) плазматрона с магнитно-волновым сканированием переменным током изменился так:

 – при $K_{0U}=2$% срок службы составил $Z=\mathrm{195,4}$ ч, при $K_{0U}=4$% $Z=\mathrm{194,8}$ ч. В процентном соотношении изменение срока службы при $K_{0U}=2$% составило $\Delta Z=\mathrm{2,31}$%, при $K_{0U}=4$% $\Delta Z=\mathrm{2,61}$%;

– при $K_{2U}=2$% срок службы составил $Z=\mathrm{194,8}$ ч, при $K_{2U}=4$% $Z=\mathrm{194,2}$ ч. В процентном соотношении изменение срока службы при $K_{2U}=2$% составило $\Delta Z=\mathrm{2,6}$%, при $K_{2U}=4$% $\Delta Z=\mathrm{2,92}$%;

– при $\delta U_{\left(+\right)}=5$% срок службы составил $Z=\mathrm{196,1}$ ч, при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $Z=\mathrm{195,7}$ ч. В процентном соотношении изменение срока службы при $\delta U_{\left(+\right)}=5$% составило $\Delta Z=\mathrm{1,94}$%, при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $\Delta Z=\mathrm{2,15}$%.

Проведенные исследования доказали влияние искажения напряжений на срок службы электродов плазменных установок при использовании магнитно-волнового сканирования. Установлено, что максимальная величина изменения срока службы наблюдается для электрода с материалом изготовления – медь при $K_{2U}=4$% и составляет $\Delta Z=\mathrm{3,25}$%.

Заключение

1. Выявлено влияние искажения напряжений на эксплуатацию электродов плазменных установок, использующих перемещение приэлектродного участка плазмы магнитно-волновым сканированием. Так, максимальные величины изменения сроков службы электродов при $K_{2U}=4$% составляют: с материалом изготовления электродов из меди $\Delta Z=\mathrm{3,25}$%; с материалом изготовления электродов из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди $\Delta Z=\mathrm{3,03}$%; с материалом изготовления электродов из псевдосплава вольфрама, никеля и меди $\Delta Z=\mathrm{2,92}$%. Максимальные величины изменения сроков службы при $K_{0U}=4$% составляют: с материалом изготовления электродов из меди $\Delta Z=\mathrm{2,94}$%; с материалом изготовления электродов из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди $\Delta Z=\mathrm{2,72}$%; с материалом изготовления электродов из псевдосплава вольфрама, никеля и меди $\Delta Z=\mathrm{2,61}$%. Максимальные величины изменения сроков службы при $\delta U_{\left(+\right)}=10$ % составляют: с материалом изготовления электродов из меди $\Delta Z=\mathrm{2,49}$%; с материалом изготовления электродов из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди $\Delta Z=\mathrm{2,26}$%; с материалом изготовления электродов из псевдосплава вольфрама, никеля и меди $\Delta Z=\mathrm{2,15}$%. 

2. Показана количественная взаимосвязь величин удельной эрозии электродов плазматрона с его сроком службы для различных материалов электродов. Так, для медного электрода при $\delta U_{\left(+\right)}=5$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0228}$ мкг/К, срок службы $Z=\mathrm{195,4}$ ч; при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $G=\mathrm{1,0249}$ мкг/К, $Z=195$ ч; при $K_{0U}=2$% $G=\mathrm{1,0264}$ мкг/К, $Z=\mathrm{194,6}$ ч; при $K_{0U}=4$% $G=\mathrm{1,0294}$ мкг/К, $Z=\mathrm{194,1}$ ч; при $K_{2U}=2$% $G=\mathrm{1,0293}$ мкг/К, $Z=\mathrm{194,1}$ ч; при $K_{2U}=4$% $G=\mathrm{1,0325}$ мкг/К, $Z=\mathrm{193,5}$ ч; для электрода из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди $\delta U_{\left(+\right)}=5$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0206}$ мкг/К, срок службы $Z=\mathrm{195,9}$ ч; при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $G=\mathrm{1,0226}$ мкг/К, $Z=\mathrm{195,5}$ ч; при $K_{0U}=2$% $G=\mathrm{1,0242}$ мкг/К, $Z=\mathrm{195,2}$ ч; при $K_{0U}=4$% $G=\mathrm{1,0272}$ мкг/К, $Z=\mathrm{194,6}$ ч; при $K_{2U}=2$% $G=\mathrm{1,0271}$ мкг/К, $Z=\mathrm{194,6}$ ч; при $K_{2U}=4$% $G=\mathrm{1,0303}$ мкг/К, $Z=\mathrm{193,9}$ ч; для электрода из псевдосплава вольфрама, никеля и меди $\delta U_{\left(+\right)}=5$% удельная эрозия составила $G=\mathrm{1,0194}$ мкг/К, срок службы $Z=\mathrm{196,1}$ ч; при $\delta U_{\left(+\right)}=10$% $G=\mathrm{1,0215}$ мкг/К, $Z=\mathrm{195,7}$ ч; при $K_{0U}=2$% $G=\mathrm{1,0231}$ мкг/К, $Z=\mathrm{195,4}$ ч, при $K_{0U}=4$% $G=\mathrm{1,0261}$ мкг/К, $Z=\mathrm{194,8}$ ч, при $K_{2U}=2$% $G=\mathrm{1,0260}$ мкг/К, $Z=\mathrm{194,8}$ ч; при $K_{2U}=4$% $G=\mathrm{1,0292}$ мкг/К, $Z=\mathrm{194,2}$ ч.

Стоит отметить, что несмотря на более высокую величину эрозии отклонение температуры для медного электрода – наименьшее, что говорит о лучшей теплопроводности и соответственно лучшем охлаждении электродов из данного материала.

3. Оценено влияние различных искажающих факторов, при этом выявлен показатель качества электрической энергии – $K_{2U}$, имеющий наибольшее воздействие на изменение ресурса электрода и, соответственно, на срок службы плазматрона в целом. Минимальный срок службы электродов плазменных систем при $K_{2U}=4$% для материала электродов из меди составил $Z=\mathrm{193,5}$ ч; для материала электродов из псевдосплава молибдена, вольфрама и меди $Z=\mathrm{193,9}$ ч; для материала электродов из псевдосплава вольфрама, никеля и меди $Z=\mathrm{194,2}$ ч.
4. Исследованы разные материалы, применяемые при изготовлении электродов плазменных систем, определен материал с наименьшей величиной изменения ресурса электрода в результате воздействия искажающих факторов. Выявлено, что материал электрода из псевдосплава вольфрама, никеля и меди показал наибольшую стойкость к термическому воздействию и, соответственно, к искажению напряжения.
5. Согласно проведенным исследованиям, величина отклонения температуры электрода от рабочей не должна превышать 200 К, что, в свою очередь, позволит лимитировать изменение срока службы электродов и поддерживать техническое состояние плазменных систем термохимической подготовки топлива при одновременном воздействии нескольких искажающих факторов.
6. Установлено, что качество электрической энергии оказывает влияние на срок службы плазменных установок с магнитно-волновым сканированием плазмы. Величина отдельного воздействия невелика, однако при одновременном влиянии нескольких факторов снижение ресурса плазматрона может достичь ощутимых значений. Следовательно, при установке плазменных систем в местах с некачественной электрической энергией необходима разработка технических мероприятий по нормализации параметров напряжения.
7. Эффективная и стабильная работа плазменных систем термохимической подготовки топлива зависит от условий их эксплуатации; в связи с этим внедрение технических воздействий, направленных на поддержание технического состояния путем коррекции искажений напряжения, способствует их длительной работе.

About the authors

Viktoria V. Romanova

Trans-Baikal State University; Branch of the National Research University «Moscow Power Engineering Institute» in Volzhsky

Email: romanova181@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3465-4315

PhD (Techn.), Associate Professor

 

Russian Federation, 30, Alexandro-Zavodskaya st., Chita, 672039; 69, im. Lenin pr., Volzhsky, 404110

Andrey G. Batukhtin

Trans-Baikal State University

Email: batuhtina_ir@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3798-3675

Dr. Sci. (Techn.), Associate Professor

Russian Federation, 30, Alexandro-Zavodskaya st., Chita, 672039

Sergey V. Khromov

Trans-Baikal State University

Email: sergeixrom@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-1234-9934

Senior Lecturer

Russian Federation, 30, Alexandro-Zavodskaya st., Chita, 672039

Konstantin V. Suslov

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Author for correspondence.
Email: souslov@istu.edu
ORCID iD: 0000-0003-0484-2857

Dr. Sci. (Techn.), Associate Professor

 

Russian Federation, 17, Krasnokazarmennaya st., Moscow, 111250

References

Supplementary files