Исследования, проведенные С. Масюдой в университете Токио, показали, что резкое нарастание импульса и малая его длительность являются наиболее важными факторами при импульсном питании. Если скорость нарастания импульса равна или выше средней скорости распространения электронной лавины, то электрическое поле может проникать внутрь чехла коронного разряда в процессе образования лавины. При этом поле ускоряет электроны внутри чехла коронного разряда и образует сгустки ионов большой плотности.
Из этого объяснения следует тот факт, что, в случае нестационарного коронного разряда, составляющая напряженности, зависящая от времени, будет играть определяющую роль:
где r — плотность объемного заряда;
К — подвижность ионов;
eа — диэлектрическая проницаемость среды.
Таким образом, есть все предпосылки рассмотреть наносекундные импульсы (длительность таких импульсов от десятков наносекунд до нескольких тысяч наносекунд). Этому направлению сейчас, уделяется самое пристальное внимание в Японии и США.
Такие импульсы следует рассматривать уже как бегущую волну напряжения. В этом случае энергия сконцентрирована в локализованной области бегущей волны. Потребление энергии от импульсного источника по сравнению с другими формами импульсов снижено. Прохождение такого импульса напряжения по коронирующим электродам возбуждает коронные разряды в виде стриммеров, которые распределены равномерно по длине коронирующего провода, но имеют малую длительность (чехол короны равномерен и значительно увеличен).
Благодаря этому резко повышается порог возникновения искровых пробоев промежутка. В процессе перемещения передний фронт волны импульса искажается за счет расхода энергии на возбуждение стриммеров, и после прохождения определенной длины коронирующего провода энергия импульса, может снизиться настолько, что он теряет способность возбуждать стриммеры. Стриммерный чехол коронного разряда является источником ионов с концентрацией около 5·109 ионных пар в кубическом сантиметре.
Время жизни стриммера несколько наносекунд, между тем как время существования чехла короны, созданного этими стриммерами, достигает несколько миллисекунд, что объясняется более медленными процессами, связанными с разделением ионов в плазме н их рекомбинацией. В течение этого времени ионы одного знака выходят за пределы чехла коронного разряда, а другого знака достигают поверхности коронирующего электрода. Часть ионов рекомбинирует. Следовательно, импульс тока коронного разряда соответствует времени разделения ионов в чехле коронного разряда и равен нескольким миллисекундам. Из-за диффузионных процессов, происходящих в созданном импульсе объемного заряда, который перемещается по промежутку, длительность тока коронного разряда, регистрируемого у осадительного электрода, будет иметь еще большую длительность.
Кроме возбуждения импульсов энергия волны напряжения расходуется на преодоление активных потерь в коронирующем электроде (омических), которые увеличены за счет поверхностного эффекта. Поэтому после прекращения образования стриммеров импульс продолжает размываться. Эти же процессы будут происходить и при отражениях импульсов и наложении отраженных волн. Такой процесс после многократных отражений приводит к полному расходу импульсной энергии и превращению ее в энергию постоянного электрического поля. Самое важное преимущество наносекундного импульса в том, что его малая длительность достаточна для полного развития коронного разряда, но в новой стриммерной форме, благодаря этому энергию импульса можно с меньшими потерями полностью преобразовать в энергию коронного разряда, используя новые методы, связанные с волновой природой распространения импульса в электрофильтре, которые позволяют повысить эффективность улавливания частиц в электрофильтре. Другим важным преимуществом является возможность создания очень простого, надежного, экономичного и дешевого источника этих импульсов.
Параметры наносекундного импульса, влияющие на эффективность работы электрофильтра, аналогичны параметрам микросекундного импульса. Влияние длительности импульса на амплитуду, при которой возникает искровой пробой, однозначно, и с уменьшением длительности импульса при прочих равных условиях амплитуда растет.
Распределение плотности тока при наносекундных импульсах будет наиболее равномерным. На рис. 10 приведены результаты исследования распределения плотности тока на осадительном-электроде при наносекундных импульсах и обычном питании [4]. На рис. 11 приведена схема стенда, на котором проводились исследования.
Результаты показывают, что к концу коронирующего электрода длиной 100 м, считая от места приложения импульса, плотность тока короны снижается из-за расхода энергии импульса.
На рис. 12 показано влияние амплитуды напряжения (а) и длительности импульса (б) на распределение плотности ионного тока по длине коронирующего провода.
С увеличением амплитуды импульса Uа происходит существенное снижение затухания тока коронного разряда по длине коронирующего провода. Аналогично влияет длительность импульса tи напряжения. Увеличение длительности импульса снижает затухание плотности тока коронного разряда Iк по длине коронирующего электрода. Отрицательный эффект, заключающийся в снижении плотности тока коронного разряда по длине коронирующего провода, легко устраняется путем открытия выхода (конец коронирующего провода присоединен к изолятору).
В этом случае импульс напряжения отражается от конца линии, образованной коронирующим проводом, и отраженная волна накладывается на прямую, увеличивая плотность тока коронного разряда в конце коронирующего провода. На рис. 13 показано распределение плотности тока коронного разряда по длине коронирующего провода, когда его конец подключен к изолятору (открытый выход). Дополнительное выравнивание плотности тока коронного разряда, как показано на рис. 13, достигается установкой индуктивности в разрыв коронирующего провода. По результатам исследований можно предположить, что оптимальная длительность импульса лежит в пределах 400 наносекунд.
Приведенные данные по улучшению распределения плотности тока коронного разряда для наносекундных импульсов дают возможность ожидать улучшения степени очистки электрофильтра в случаях сильного запирающего действия объемного заряда и слоя на осадительных электродах. Питание наносекундными импульсами позволяет осуществить все три режима: экономию электроэнергии, коррекцию обратной короны и повышение эффективности улавливания на пылях со средним УЭС.
Повышение эффективности улавливания частиц было получено на примере лабораторного электрофильтра.
Получено увеличение скорости дрейфа частиц в 1,45; 1,35 и 1,15 при УЭС, равном 5·109; 2·1010; 1011; Ом-м, соответственно, при длительности переднего фронта импульса tф=800 наносекунд.
Для наносекундных импульсов коррекция обратной короны при УЭС=1011 Ом-м также затруднена, даже при частоте следования импульсов f=50 Гц.
В заключение можно сказать, что применение наносекундных импульсов с учетом влияния на них потока запыленного газа защищено в СССР авт. свид. № 1005276 на способ релаксационного питания. Аналогичные изложенные выше исследования были проведены в 1979—1983 гг. Кроме того, технологические испытания на промышленных электрофильтрах показали идентичную тенденцию к увеличению скорости дрейфа в зависимости от УЭС пыли, что обеспечивает хорошие результаты при улавливании мелкодисперсных пылей с большой концентрацией на входе в электрофильтр. Предложенная конструкция источника более простая, чем предлагаемая японскими исследователями.