理论教育 金属箔电爆炸的伴随效应探究

金属箔电爆炸的伴随效应探究

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:趋肤效应使导体的有效电阻增加。电流频率越高,导电性能越好的导体,趋肤效应越显著。

金属箔电爆炸的伴随效应探究

1. 边缘效应

边缘效应是指箔片边缘不均匀处的微爆炸、电晕放电等。由于在箔片边缘不均匀,会有凹槽,必然导致在狭窄处的热释放局部化,并进而导致其内部温度增长速度的提高和金属汽化条件的形成。与此同时,其相邻区域可能还是较冷的。狭窄处的汽化引起导体电阻的急剧增大,从而引起能量从放电回路电感元件向狭窄处雪崩式大量涌入和金属汽化强度的提高。蒸气层的膨胀导致其截面增大及其紧邻的金属未汽化部分变密实,因而其内部焦耳加热有些减少。由于纵向电场强度增大,蒸气层中通常发生电弧放电,因此放电总电流不致中断。在放电电弧发展时,变密实的导体部分在电流间歇形成前来不及完全汽化。在这种情况下,随着电流增长速度的提高,狭窄处的发展速度也在提高。导体破坏之前只有较小部分来得及汽化,大部分物质以液滴形式四处迸溅,而且输入导体能量的相当部分消耗在传递至液滴的动能上。在电流密度足够大(j≥107 A/cm2)的情况下,任何类型不稳定性的发展在导体电爆炸中只起着有限作用,因为由金属大功率焦耳加热决定的过程提到了首位,然后才是等离子体

2. 局部放电

在电爆炸结构中,如果爆炸箔比较短,由于金属电介质周围有气体电介质,在这种情况下,容易发生沿着两种电介质交界面放电的现象,这种放电称为沿面放电。影响沿面放电电压的因素主要有:电场的均匀程度、介质表面介电系数的差异程度、表面污秽的程度、两极间的放电距离。本课题研究的桥箔就属于这种情况。

为了避免沿面放电,使电源的能量最大限度地作用于桥箔,应保持桥箔表面的清洁,桥箔两电极间距离即桥箔的长度应在合理范围内,桥箔过短,就会产生沿面放电。

3. 趋肤效应

当交流电通过导体时,导体截面上各处电流分布不均匀,中心处电流密度小,而越靠近表面电流密度越大,这种电流分布不均匀的现象称为趋肤效应。电流的上升速率与趋肤深度成反比,表3.16列出了趋肤深度与频率的关系。这主要是由于导体表层附近运行的阻力要比在内部小得多。趋肤效应使导体的有效电阻增加。电流频率越高,导电性能越好的导体,趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导体时,可以认为电流只在导体表面上很薄的一层中流过,这等效于导体的截面减小,电阻增大。(www.daowen.com)

如果桥箔厚度相对较大,趋肤效应就会很显著,这样由于瞬间大电流只在导体表面层通过,桥箔就不会发生爆炸,出现爆炸烧蚀现象。为了避免这种情况的发生,桥箔的厚度不能太大;另外,电源参数对桥箔尺寸的匹配也很重要。本课题研究条件下,不存在趋肤效应。

4. 电流间歇

一定条件下,在导体电爆炸过程中会出现电流间歇阶段,它的特点是在某个时间段里放电电流变化微弱且电流不大。由于发生时间很短,体现在计算及测量结果上是会在爆炸时出现一个电流的降低,而后又上升的阶段。电流间歇是由金属向弱导电的汽化状态,部分或完全相变引起的。如果储能源中的能量在第一个电流脉冲期间未完全放出,则经过若干时间后放电又重新开始,因为膨胀的爆炸产物中可形成有利于碰撞电离开始的条件。因此,当爆炸产物密度减小到放电间隙两端的剩余电压已可以引起其击穿时,放电电流在等离子体导电为主的条件下开始增长。

5. 冲击波和电磁辐射

导体电爆炸进行中伴随有冲击波和电磁辐射的产生。在导体电爆炸初始阶段,导体在焦耳加热的同时发生线性膨胀,其速度相对较小。在本征爆炸阶段导体爆炸物质膨胀以(1~5) × 103 m/s的速度进行,并在周围介质中引起可形成首次或主冲击波的扰动。此外,在实验中可以观察到由导体电爆炸产物或周围介质中强流放电发展形成的一组冲击波,其中强流放电的发展是由于输入放电通道中的能量急剧增大和所形成等离子体的快速膨胀而引起的。导体电爆炸过程中形成的蒸气飞散时出现的反作用反脉冲可在导体未汽化部分中激发向内传播的会聚冲击波。在该冲击波阵面后方和中央区域形成密度下降区,在该区内可发生能导电的击穿。

导体电爆炸的强辐射脉冲在爆炸导体电压脉冲形成期间产生,辐射的起始时间大致对应于电压峰值。强流放电之后发展的等离子体辐射强度随着放电电流而变化,其持续时间由放电回路参数、爆炸导体的尺寸和材料决定,如图3.32实验结果所示。

综上所述,电爆炸过程伴随复杂的物理效应,它不仅与爆炸箔的材料有关,同时与提供的能量密度有关,所以在研究爆炸箔起爆系统时,必须考虑桥箔与能量的匹配,以减少不利于桥箔爆炸的因素。

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