Электрический пробой в слое трансформаторного масла над слоем воды (2022)
Экспериментально исследовано развитие электрического пробоя через границу раздела двух жидкостей с различной электропроводностью и различной диэлектрической проницаемостью: слой трансформаторного масла над слоем воды в импульсном электрическом поле, направленном по нормали к границе раздела. Обнаружено, что сначала под действием электрического поля поверхность воды начинает прогибаться в слой масла, затем развивается конусообразная неустойчивость границы раздела жидкостей и конус воды быстро втягивается в масло вблизи высоковольтного электрода, погруженного в масло. Слой масла у электрода становиться тонким, либо конус воды достигает электрода, в результате чего возникает пробой.
The dynamics of electrical breakdown through the interface of two liquids with different electrical conductivity and different permittivity: a layer of transformer oil over a layer of water in a pulsed electric field directed normal to the interface is experimentally investigated. It was found that at first, under the influence of an electric field, the water surface begins to bend into the oil layer, then a cone-shaped instability of the liquid interface develops and the water cone is quickly drawn into the oil near a high-voltage electrode immersed in oil. The oil layer at the electrode becomes thin, or the water cone reaches the electrode, resulting in a breakdown.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- Префикс DOI
- 10.51368/1996-0948-2022-4-5-10
- eLIBRARY ID
- 49424554
Таким образом, впервые с помощью скоростной видеосъемки показано, что инициатором пробоя двухслойной системы вода-трансформаторное масло является развитие электрогидродинамической неустойчивости межфазной границы и ее нелинейная деформация в сильном вертикальном электрическом поле. Время пробоя целиком определяется временем развития этой неустойчивости в вертикальном направлении и достижением вершиной конуса воды противоположного высоковольтного электрода. После контакта с поверхностью высоковольтного электрода напряжение пробоя и механизм пробоя будут зависеть от свойств воды, при этом напряжение пробоя будет всегда меньше напряжения пробоя слоя масла.
Список литературы
- Торшин Ю.В. Физические процессы формирования электрического пробоя конденсированных диэлектриков: Для внутренней изоляции аппаратов высокого, сверх- и ультравысокого напряжения. – М.: Энергоатомиздат, 2008.
- Lyutikova M., Korobeinikov S., Mohan Rao U., Fofana I. // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2022. Vol. 29. № 2. P. 1.
- Lyutikova M., Korobeinikov S., Konovalov A. // IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2021. Vol. 28. № 4. P. 1282.
- Panov V. A., Kulikov Y. M., Son E. E., Tyuftya-
ev A. S., Gadzhiev M. Kh., Akimov P. L. // High Temp. 2014. Vol. 52. № 5. P. 770. - Недоспасов А. В., Исакаев Э. Х., Тюфтяев А. С., Гаджиев М. Х. // ЖТФ. 2015. № 7. С. 142.
- Sargsyan M. A., Gadzhiev M. Kh., Tyuftyaev A. S., Akimov P. L., Demirov N. A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. Vol. 774. P. 012202.
- Гаджиев М. Х., Исакаев Э. Х., Тюфтяев А. С., Акимов П. Л., Юсупов Д. И., Куликов Ю. М., Панов В. А. // ЖТФ. 2015. № 7. С. 156.
- Sun C., Ohodnicki P. R., Stewart E. M. // IEEE Sens. J. 2017. Vol. 17. № 18. P. 5786.
- Korobeynikov S., Ridel A., Lyutikova M. // Inter-facial Phenomena and Heat Transfer. 2021. Vol. 9. № 2. P. 73.
- Ушаков В. Я., Климкин В. Ф., Коробейников С. М., Лопатин В. В. Пробой жидкостей при импульсном напряжении. – Томск: Изд-во НТЛ, 2005.
- Lesaint O. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2016. Vol. 49. № 14. P. 144001.
- Panov V. A., Vasilyak L. M., Vetchinin S. P., Pecherkin V. Ya., Son E. E. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2016. Vol. 49. № 38. P. 385202.
- Panov V. A., Vasilyak L. M., Vetchinin S. P., Pecherkin V. Ya., Son E. E. // Plasma Sources Sci. Technol. 2019. Vol. 28. № 8. P. 085019.
- Панов В. А., Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Печеркин В. Я., Сон Э. Е. // Прикладная физика. 2016. № 1. С. 61.
- Панов В. А., Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Печеркин В. Я., Савельев А. С. // Прикладная физика. 2017. № 5. С. 5.
- Панов В. А., Печеркин В. Я., Василяк Л. М., Ветчинин С. П. // Прикладная физика. 2020. № 6. С. 5.
- Панов В. А., Печеркин В. Я., Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Куликов Ю. М., Савельев А. С. // Прикладная физика. 2021. № 5. С. 32.
- Taylor G. I. // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. 1964. Vol. 280. P. 383.
- Yu. V. Torshin, Fizicheskie processy formirovaniya elektricheskogo proboya kondensirovannyh dielektrikov: Dlya vnutrennej izolyacii apparatov vysokogo, sverh- i ul’travysokogo napryazheniya (Energoatomizdat, Moscow, 2008) [in Russian].
- M. Lyutikova, S. Korobeinikov, Rao U. Mohan, and I. Fofana, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 29, 1 (2022).
- M. Lyutikova, S. Korobeinikov, and A. Konovalov, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 28, 1282 (2021).
- V. A. Panov, Y. M. Kulikov, E. E. Son, A. S. Tyuftyaev, M. Kh. Gadzhiev, and P. L. Akimov, High Temp. 52, 770 (2014).
- A. V. Nedospasov, E. Kh. Isakaev, A. S. Tyuftyaev, and M. Kh. Gadzhiev, Tech. Phys. 60, 1086 (2015).
- M. A. Sargsyan, M. Kh. Gadzhiev, A. S. Tyuftyaev, P. L. Akimov, and N. A. Demirov, J. Phys.: Conf. Ser. 774, 012202 (2016).
- M. Kh. Gadzhiev, E. Kh. Isakaev, A. S. Tyuftyaev, P. L. Akimov, D. I. Yusupov, Yu. M. Kulikov, and V. A. Panov, Tech. Phys. 60, 1101 (2015).
- C. Sun, P. R. Ohodnicki, and E. M. Stewart, IEEE Sens. J. 17, 5786 (2017).
- S. Korobeynikov, A. Ridel, and M. Lyutikova, Interfacial Phenomena and Heat Transfer 9, 73 (2021).
- V. Y. Ushakov, Impulse Breakdown of Liquids (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007).
- O. Lesaint, J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 144001 (2016).
- V. A. Panov, L. M. Vasilyak, S. P. Vetchinin, V. Ya. Pecherkin, and E. E. Son, J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 385202 (2016).
- V. A. Panov, L. M. Vasilyak, S. P. Vetchinin, V. Ya. Pecherkin, and E. E. Son, Plasma Sources Sci. Technol. 28, 085019 (2019).
- V. A. Panov, L. M. Vasilyak, S. P. Vetchinin, V. Ya. Pecherkin, and E. E. Son, Applied Physics, No. 1, 61 (2016) [in Russian].
- V. A. Panov, L. M. Vasilyak, S. P. Vetchinin, V. Ya. Pecherkin, and A. S. Saveliev, Plasma Phys. Rep. 44, 882 (2018).
- V. A. Panov, V. Ya. Pecherkin, L. M. Vasilyak, and S. P. Vetchinin, Plasma Phys. Rep. 47, 623 (2021).
- V. A. Panov, V. Ya. Pecherkin, L. M. Vasilyak, Yu. M. Kulikov, S. P. Vetchinin, and A. S. Saveliev, Applied Phys-ics, No. 5, 32 (2021) [in Russian].
- G. I. Taylor, Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences 280, 383 (1964).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Панов В. А., Василяк Л. М., Печеркин В. Я., Ветчинин С. П., Куликов Ю. М.
Электрический пробой в слое трансформаторного масла над слоем воды 5
Тарасенко В. Ф., Бакшт Е. Х., Виноградов Н. П.
Моделирование красных спрайтов с помощью ёмкостного разряда 11
Печеркин В. Я., Василяк Л. М., Владимиров В. И.
Кулоновские структуры заряженных микрочастиц в вертикально ориентированной линейной электродинамической ловушке 18
Юшков Г. Ю., Окс Е. М., Тюньков А. В., Юшков Ю. Г.
Соотношение ионного и атомного компонентов бора в процессе формирования покрытия методами магнетронного распыления и электронно-лучевого испарения 22
ЭЛЕКТРОННЫЕ, ИОННЫЕ И ЛАЗЕРНЫЕ ПУЧКИ
Выбин С. С., Изотов И. В., Миронов Е. А., Палашов О. В., Скалыга В. А.
Разработка магнитной системы и системы формирования ионного пучка для протонного инжектора проекта DARIA 29
Кизириди П. П., Озур Г. Е., Марков А. Б.
Компактный источник низкоэнергетических сильноточных электронных пучков 34
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Войцеховский А. В., Дзядух С. М., Горн Д. И., Дворецкий С. А., Михайлов Н. Н., Сидоров Г. Ю., Якушев М. В.
Исследование характеристик структур МДП на основе МЛЭ n-HgCdTe в конфигурации NBN методом спектроскопии адмиттанса 40
Яковлева Н. И.
Архитектура матричного элемента на основе КРТ с уменьшенным темновым током 46
Саенко А. В., Климин В. С., Рожко А. А., Малюков С. П.
Моделирование структуры оксидного солнечного элемента 54
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Григорьев Е. В., Арсеничев С. П., Старосек А. В., Фитаев И. Ш., Болдырев Н. А.
Формирование металлодиэлектрических структур с нанометровыми проводящими пленками и исследование их нагрева при воздействии СВЧ-полей 64
Климов А. С., Бакеев И. Ю., Зенин А. А.
Исследование процесса протекания тока через композит на основе Al2O3‒ZrO2 при электронно-лучевом облучении в среднем вакууме 70
Валянский С. И., Виноградов С. В., Кононов М. А., Недосекина И. С., Растопов С. Ф., Савранский В. В.
Система ленгмюровских пленок и термодинамика структурных переходов 78
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Гулаков И. Р., Зеневич А. О., Кочергина О. В., Матковская Т. А.
Приемное устройство канала утечки оптической информации из многомодового оптоволокна на основе кремниевого фотоэлектронного умножителя 86
C O N T E N T S
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
V. A. Panov, L. M. Vasilyak, V. Ya. Pecherkin, S. P. Vetchinin, and Yu. M. Kulikov
Electrical breakdown in the transformer oil layer above the water layer 5
V. F. Tarasenko, E. Kh. Baksht, and N. P. Vinogradov
Modeling red sprites with capacitive discharge 11
V. Ya. Pecherkin, L. M. Vasilyak, and V. I. Vladimirov
Coulomb structures of charged microparticles in vertically oriented linear electrodynamic trap 18
G. Yu. Yushkov, E. M. Oks, A. V. Tyunkov, Yu. G. Yushkov
Ratio of ionic and atomic components in process of boron coating by magnetron sputtering and electron-beam evaporation 22
ELECTRON, ION, AND LASER BEAMS
S. S. Vybin, I. V. Izotov, E. A. Mironov, O. V. Palashov, and V. A. Skalyga
Development of a magnetic system and an ion beam formation system for the proton injector of the DARIA project 29
P. P. Kiziridi, G. E. Ozur, and A. B. Markov
Compact source of low-energy, high-current electron beams 34
PHOTOELECTRONICS
A. V. Voitsekhovskii, S. M. Dzyadukh, D. I. Gorn, S. A. Dvoretskii, N. N. Mikhailov, G. Yu. Si-dorov, and M. V. Yakushev
Investigation of characteristics of MIS structures based on MBE n-HgCdTe NBN barrier struc-tures by admittance spectroscopy 40
N. I. Iakovleva
Architecture of mct matrix element with reduced dark current 46
A. V. Saenko, V. S. Klimin, A. A. Rozhko, and S. P. Malyukov
Modeling the structure of an oxide solar cell 54
PHYSICAL SCIENCE OF MATERIALS
E. V. Grigoriev, S. P. Arsenichev, A. V. Starosek, I. Sh. Fitaev, and N. A. Boldyrev
Formation of metal-dielectric structures with nanometer conductive films and study of their heating under the influence of microwave fields 64
A. S. Klimov, I. Yu. Bakeev, and A. A. Zenin
Investigation of the process of current flow through a composite based on Al2O3‒ZrO2 during electron beam processing in an medium vacuum 70
S. I. Valyanskii, S. V. Vinogradov, M. A. Kononov, I. S. Nedosekina, S. F. Rastopov,
and V. V. Savranskii
System of lengmuir films and thermodynamics of structural transitions 78
PHYSICAL APPARATUS AND ITS ELEMENTS
I. R. Gulakov, A. O. Zenevich, O. V. Kochergina, and T. A. Matkovskaya
Receiving device for optical information leakage channel from multimode fiber based on silicon photomultiplier 86
Другие статьи выпуска
В качестве объектов исследований использовались серийно выпускаемые многомодовые оптические волокна G651, кремниевые фотоэлектронные умножители ketek РМ 3325 и ON Semi FC 30035, а также Si-ФЭУ производства ОАО «Интеграл». Получены характеристики кремниевых фотоэлектронных умножителей и каналов утечки информации, сформированных на изгибах разного диаметра многомодового оптического волокна. Показана возможность использования кремниевых фотоэлектронных умножителей для регистрации оптического излучения, выходящего из области изгиба. Установлено, что уменьшение диаметра изгиба многомодового оптического волокна приводит к увеличению пропускной способности канала утечки информации, возникающего в области этого изгиба. Наибольшая пропускная способность образовавшегося при этом канала утечки информации 34,3 Мбит/с получена для диаметра изгиба волокна 5 мм при использовании фотоумножителя ketek РМ 3325.
Согласно соотношению неопределенности микроструктуры не могут находиться в состоянии покоя даже при нулевой температуре. Создание ленгмюровских пленок приводит к коллективным движениям отдельных дифильных молекул, то есть к созданию волновых движений возникающих в ленгмюровских пленках. Согласно квантовой теории волновые движения поля могут быть описаны как рождение квазичастиц. В статье показано, что наличие волновых процессов приводит к перестройке структур, собранных из набора монослоев ленгмюровских пленок. Эти процессы можно описывать, исследуя устойчивость таких многослойных структур. В данной статье рассматривается процесс спонтанного нарушения симметрии и возможность спонтанных структурных переходов в ленгмюровских пленках. На простой модели определяются условия, при которых происходят такие переходы и устанавливается, существуют ли устойчивые состояния, такие как X- или Z-структуры, при структурных переходах из Y-типа пленки.
Представлены результаты экспериментального исследования протекания тока через композит Al2O3–ZrO2 с варьируемым составом компонентов от 0 до 100 масс. % в процессе электронно-лучевого воздействия. Электронный пучок формировался форва-куумным плазменным электронным источником на основе тлеющего разряда с полым катодом. Показано, что при нагреве поверхности композита выше 1000 оС заметно возрастает величина протекающего через него тока, достигая величины 1,7 мА.
Величина протекающего тока определяется температурой поверхности, электрофизическим свойствами керамических материалов и соотношением долей каждого компонента. С ростом содержания Al2O3 в композите величина протекающего тока заметно снижается. По температурной зависимости протекающего тока определена энергия активации проводимости Al2O3 и ZrO2, а также их смеси.
Приведены результаты экспериментальных исследований и анализ динамики нагрева металлодиэлектрических структур с алюминиевыми проводящими пленками, осажденными методом магнетронного распыления на подложки из стекла, при воздействии мощных СВЧ-полей. Результаты моделирования механизма формирования неоднородной структуры металлизации и возникновения проводимости при росте плёнки подтвердили наблюдаемый температурный экстремум. Полученный максимум нагрева напылённых металлизированных покрытий обусловлен максимальным поглощением электромагнитной волны на усредненных толщинах 5 1 нм, что связано со структурой формирующейся плёнки и соответствующим ей механизмом проводимости.
Проведено численное моделирование оксидного солнечного элемента на основе p–n гетероперехода Cu2O/TiO2 для оптимизации его структуры и повышения эффективности преобразования энергии. Исследовано влияние толщин слоев, концентраций акцепторов и доноров в слоях Cu2O и TiO2, а также работы выхода из материала тыльного контакта на фотоэлектрические параметры солнечного элемента. Получено, что оптимальная толщина слоев Cu2O и TiO2 составляет 1,5 мкм и 100 нм соответственно. Показано, что для получения высокой эффективности солнечного элемента концентрация акцепторов в слое Cu2O должна составлять 1016 см-3, а концентрация доноров в слое TiO2 должна быть 1019 см-3. Получено, что работа выхода материала тыльного контакта должна быть не менее 4,9–5 эВ для достижения высоких значений эффективности. Наиболее подходящими материалами для контакта к Cu2O являются Ni, C и Cu. Для солнечного элемента на основе p–n гетероперехода Cu2O/TiO2 получена максимальная эффективность 10,21 % (плотность тока короткого замыкания 9,89 мА/см2, напряжение холостого хода 1,38 В, фактор заполнения 74,81 %). Результаты могут быть использованы при разработке и формировании гетероструктур недорогих оксидных солнечных элементов.
Тройной раствор теллурида-кадмия-ртути (КРТ, HgCdTe) один из немногих полупроводниковых материалов, используемый для конструирования фотодиодов с высокими параметрами. Проведен оценочный расчет параметров перспективной P+-ν()-N+-фотодиодной структуры на основе КРТ, предназначенной для построения матриц фоточувствительных элементов с малым темновым током. Уменьшение темнового тока достигается за счет использования усовершенствованной трехслойной архитектуры, состоящей из высоколегированных контактных слоев КРТ, между которыми располагается слаболегированный поглощающий слой, в котором подавляются процессы тепловой генерации-рекомбинации. Таким образом, в заданном спектральном диапазоне темновые токи ФЧЭ на основе трехслойной архитектуры КРТ уменьшаются до предела, задаваемого фоновым излучением и механизмом излучатель-ной рекомбинации, а при условии полного обеднения области поглощения – до значения, определяемого механизмом генерации-рекомбинации Шокли-Рида-Холла.
Проведено исследование структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) на основе n-HgCdTe (КРТ), выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), в конфигурации NBN, предназначенных для разработки на их основе инфракрасных (ИК) детекторов с пониженными темновыми токами для MWIR и LWIR спектральных областей. Методом спектроскопии комплексной проводимости исследовано 7 типов МДП-структур. Показано, что измерения частотных зависимостей адмиттанса МДП-приборов позволяют точно определить дифференциальное сопротивление барьерной структуры. Установлено, что для одной из исследованных структур дифференциальное сопротивление определяется объемной компонентой темнового тока, а компонента поверхностной утечки не оказывает существенного влияния на измеряемый адмиттанс. Показано, что в случае решения проблемы пассивации меза-структур возможно изготовление эффективных MWIR и LWIR nBn, NBN-детекторов на основе МЛЭ HgCdTe с высокими пороговыми параметрами.
Разработан компактный источник низкоэнергетических (до 30 кэВ) сильноточных (десятки кА) электронных пучков микросекундной длительности (2–4 мкс), который может быть использован в составе комбинированных многофункциональных установок научно-прикладного назначения, например, строящегося Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Генерирование пучка осуществляется в диоде со взрывоэмиссионным катодом со встроенными в него 25-тью дуговыми источниками плаз-мы, инициируемых пробоем по поверхности диэлектрика. Использование дуговых источников плазмы позволяет инициировать взрывную эмиссию при относительно не-больших ускоряющих напряжениях (от 7 кВ). Это, в свою очередь, дает возможность регулировки плотности энергии пучка в широком диапазоне (от 1,5 до 10 Дж/см2). Транспортировка пучка от катода к коллектору на требуемое расстояние (2–3 см), осуществляется в магнитном поле, создаваемом одиночным кольцевым постоянным магнитом.
Представлены результаты модернизации ЭЦР ионного источника GISMO в ИПФ РАН с целью разработки на его основе протонного инжектора, который в будущем будет являться составляющей частью линейного ускорителя для компактного источника нейтронов DARIA. В разрабатываемой системе для удержания плазмы используется адаптированная открытая ловушка на постоянных магнитах (NdFeB). Протонный пучок извлекается из плазмы с помощью трехэлектродной системы экстракции. Формирование слабо расходящегося пучка достигается за счет использования магнитной линзы в виде соленоида. Оптимизация системы экстракции проводится с помощью численного моделирования. По ее результатам удалось спроектировать систему формирования протонного пучка, удовлетворяющего требованиям DARIA.
Предложен метод экспериментального определения соотношения ионного и атомного компонентов бора в процессе формирования покрытия магнетронным распылением и электронно-лучевым испарением. Метод основан на сравнительном анализе приращения веса подложек оригинальных конденсационных зондов с поперечным магнитным полем и без него. Установлено, что при электронно-лучевом испарении определяющий вклад в формирование покрытия вносит ионная составляющая, а при магнетронном распылении – атомная. На основании оценки каждого из этих вкладов определено отношение концентрации атомарного и ионизованного компонентов бора в плазме электронного пучка и в плазме магнетронного разряда.
Представлены результаты экспериментальных исследований кулоновских структур в вертикально ориентированной линейной электродинамической ловушке Пауля при атмосферном давлении воздуха. Получены устойчивые кулоновские структуры конусообразной формы. Обнаружено, что частицы в таких структурах совершают движение по замкнутым траекториям с малыми амплитудами с частотой переменного поля ловушки.
Работа посвящена изучению свойств плазмы импульсного стримерного разряда, которая по своим свойствам подобна плазме высотных атмосферных разрядов. Создана установка для экспериментального моделирования красных спрайтов, наблюдаемых при разрядах на высотах 40–100 км от поверхности Земли. При низких давлениях атмосферного воздуха определены условия формирования двух волн ионизации (стримеров), которые распространяющиеся в противоположных направлениях из области плазмы, создаваемой ёмкостным разрядом. Измерена скорость фронта волны ионизации, приводятся спектры излучения и фотографии разряда. Анализируется механизм генерации спрайта
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400