- Методы и средства исследований свойств электроизоляционных узлов электрогенерирующих сборок
К электроизоляционным узлам ЭГС относятся коллекторная изоляция (в составе коллекторного пакета), межэлементная изоляция, дистанционирующие элементы, выводные металлокерамические узлы (МКУ) токовыводов. Изучению их свойств в условиях, приближенных к реальным условиям работы в составе ТРП, уделялось достаточно большое внимание прежде всего в процессе разработки и создания ЭГС различных типов [42, 83-87]. Электрическое сопротивление (токи утечки) электроизоляционных узлов в лабораторных условиях определяется общеизвестными способами [88]. Специфическими для ТЭП являются исследования свойств изоляции при наличии пара и тем более плазмы цезия, в частности электрической прочности конкретных конструкций деталей и процессов массопереноса изоляционных материалов в условиях работы ТЭП.
Аппаратурное обеспечение измерения электрической прочности электроизоляционных узлов ЭГС. Одним из наиболее важных параметров электроизоляционных узлов ЭГС, и прежде всего гермовводов в виде МКУ, является их электрическая прочность в рабочих условиях. Структурная схема стенда для регистрации электрического пробоя МКУ представлена на рис. 2.14. Исследуемые узлы 1 размещались в технологической вакуумной камере 2, в которой расположен ввод 3 для подачи пара цезия. Необходимое значение температуры узлов обеспечивалось с помощью внешнего электрического нагревателя. Давление пара цезия задавалось температурой цезиевого резервуара 4.
Рис. 2.14. Структурная схема стенда для исследований электроизоляционных узлов
Рис. 2.15. Экспериментальная зависимость электрического сопротивления металлокерамического узла с винтовой вставкой от давления пара цезия
Рис .2.16. Зависимость напряжения электрического пробоя металлокерамического узла с винтовой вставкой (сплошные линии) и без вставки (штриховые линии) от давления пара цезия
Характеристики электрического пробоя в МКУ определяют из ВАХ электрического разряда, которые получают статическим методом при изменении постоянного напряжения. В блок-схему регистрации ВАХ входят регулируемый источник постоянного напряжения 5, токовый шунт 6, балластное сопротивление 7, самопишущий двухкоординатный потенциометр 8, например, типа ПДС-021, позволяющий регистрировать ВАХ с погрешностью не более 1,5%. Результаты исследований электрических сопротивления и прочности обычных и высоковольтных МКУ [89] (см. рис. 1.16) приведены на рис. 2.15 и 2.16 соответственно.
Метод и устройство для экспериментальных исследований коррозии изоляционных материалов в среде межэлектродного пространства ТЭП. Электроизоляционные узлы системы дистанционирования работают в цезиевой плазме и будут подвергаться коррозии, которая может повлиять на основные характеристики электроизоляции, что повлечет за собой снижение ресурса ЭГС. Авторами [85] в СФТИ разработаны метод и экспериментальный прибор и теоретически и экспериментально исследована коррозия оксида алюминия в среде межэлектродного пространства ТЭП.
Экспериментальная установка.
Рис. 2.17. Экспериментальный прибор с плоскопараллельными электродами для исследования влияния межэлектродного пространства ТЭП на электроизоляцию:
1 — рубашка газоводяного охлаждения; 2 — коллектор, 3 — смотровое окно; 4 — керамические вставки; 5 — исследуемый образец изоляции; 6 — эмиттер; 7 — термопара в чехле; 8 — электронагреватель эмиттера; 9 — металлический гермоввод
Экспериментальный прибор (рис. 2.17) представлял собой ТЭП с плоскопараллельной геометрией электродов. Эмиттер изготавливался из вольфрама, коллектор — из ниобия. Образец исследуемого керамического материала в виде стержня прямоугольного поперечного сечения располагался в продольном пазу на изотермическом участке эмиттера. В образце имелось глубокое продольное отверстие (1/d > 10), в котором размещалась термопара в герметичном металлическом чехле с изоляцией из оксида бериллия. Конструкция прибора обеспечивала возможность многократной разгерметизации рабочего объема для извлечения образца после выдержки в среде межэлектродного пространства в течение требуемого времени. Прибор снабжен смотровым окном из лейкосапфира, расположенным на уровне МЭЗ, что обеспечивало возможность визуального наблюдения и фотографирования процесса зажигания и развития дугового разряда между электродами. Нагрев эмиттера осуществлялся резистивным электронагревателем, располагаемым во внутренней полости прибора. Отвод тепла от коллектора осуществлялся через гелиевый зазор на рубашку водяного охлаждения. Состав остаточных газов в рабочем объеме прибора после его обезгаживания контролировался масс-спектрометром РОМС-2. Изменение режима работы и регистрация его выходных электрических характеристик осуществлялась с помощью транзисторного характериографа.
Методика исследований.
Образец электроизоляции при фиксированной температуре выдерживался в течение 300—500 ч в межэлектродном пространстве ТЭП, работающим в одном из режимов (вакуумном, диффузионном или дуговом). До экспозиции исследуемых образцов в межэлектродном пространстве ТЭП и после нее контролировались их масса (на лабораторных аналитических весах ВЛА-200М), структура (на микроскопе МИМ-7) и рельеф поверхности (на профилографе М- 201) и определялась скорость потери массы по формуле 
где ΔG — изменение массы образца; S — площадь открытой части боковой поверхности образца; τ — время экспозиции. Погрешность определения W оценивается в 25—30%.
Результаты исследований.
Температурные зависимости скорости потери массы А12О3 в среде межэлектродного пространства для разных режимов работы ТЭП представлены на рис.2.18. Отметим, что W в паре цезия (в диффузионном режиме работы ТЭП) снижается в 7—10 раз по сравнению с W в вакууме, что объясняется влиянием диффузионного барьера, образуемого атомами цезия на пути испаряющихся частиц вещества [90]. В цезиевой плазме (в дуговом режиме работы ТЭП) W увеличивается примерно на 1,5—2,0 порядка относительно скорости потери массы в паре цезия, что объясняется взаимодействием оксида алюминия с цезиевой плазмой (на фотографиях микрошлифов и профилограмм видны сильные изменения структуры и рельефа поверхности [85]). Результаты экспериментов подтвердили, что процесс возможного взаимодействия оксида алюминия с цезиевой плазмой может рассматриваться как сумма двух одновременно протекающих реакций.
