高壓脈沖放電鉆進實驗平臺的研究

趙大軍，房 昕

吉林大學建設工程學院，吉林長春 130026

0 引言

液相介質中發生高壓脈沖放電時，在液體內部放電區域產生極高的壓力，前蘇聯專家把這種電能轉化為機械能的新方法稱為“液電效應”[1]。目前國內外對高壓脈沖放電技術的應用越來越廣泛，已應用于液電成型、礦藏勘探、建筑、農業、醫療、生物技術、化學、環境保護等領域[2-4]。高壓脈沖放電鉆進實驗平臺是將高壓脈沖放電技術用于地下巖土鉆進的實驗教學與研究平臺。實驗平臺實物如圖1所示，主要由充電電路、放電電路、接地電路、操縱和信號電路等組成。充電電路包括高壓變壓器、電容和脈沖電流發生器；放電電路包括電容、間隙開關、導電電纜和負載；接地電路包括外部接地的負荷元件、低勢能放電總線端頭用接地螺栓接地；操縱和信號電路包括配電柜、操縱面板和遠程操縱平臺。

圖1 實驗平臺實物照片

1 高壓脈沖放電擴孔鉆進機理

高壓脈沖放電裝置工作原理如圖2所示。該裝置主要由高壓變壓器、高壓硅堆、電容器、保護電阻和間隙開關、電勢電極、放電間隙、接地電極組成。從高壓變壓器輸出電壓通過高壓硅堆整流器獲得高壓直流電，流經保護電阻向電容器充電，此時間隙開關是斷開的，當電容器電壓上升到足夠大時，間隙開關會在空氣中被擊穿，放電電路迅速被接通，并將電容器儲存的能量在兩電極間瞬間釋放，并產生壓力高達103MPa的強烈沖擊波壓力。

這個過程如同氣泡脈動。該裝置首先將電能轉化為熱能，通道液體快速升溫，溫度高達（10～40）×103K，使周圍液體蒸發變為高溫高壓的氣體，并迅速膨脹。膨脹的氣體使周圍液體產生具大的沖擊波；由于液流的慣性作用，氣泡膨脹的后期，氣泡內的壓力要遠小于液相介質的靜壓力。在此靜壓作用下氣泡周圍產生反向的液相介質運動，結果又使氣泡內部壓力又大于周圍流體壓力，因此再次膨脹，如此反復膨脹收縮，造成氣泡脈動。每脈動一次，氣泡內部高壓向外部輻射一次壓力波，這個壓力波以幾十個連續的衰減形式脈沖循環。在這種高頻的沖擊波作用下，巖石被擊碎或被疲勞破壞，粘土被壓縮擴徑。

圖2 高壓脈沖放電原理圖

2 實驗平臺主要部件的功能描述

高壓脈沖放電裝置主要由充電電路、放電電路、接地電路、操縱和信號電路組成。充電電路包括高壓變壓器、電容和脈沖電流發生器；放電電路包括電容、間隙開關、導電電纜和放電頭；接地電路包括外部接地的負荷元件，低勢能放電總線端頭用接地螺栓接地；操縱和信號電路包括配電柜、操縱面板和遠程操縱平臺。下面介紹主要部件的作用。

1）充電設備（圖3）：將電網動力交流電壓轉化為指定大小的直流高壓電，完成脈沖電流發生器內電容器充電。為了保證電容器順利充電和能夠產生具有一定頻率的脈沖，要求充電設備必須具有一定功率；

圖3 充電設備

圖4 脈沖電流發生器

2）脈沖電流發生器（圖4）：脈沖電流發生器是高壓脈沖放電裝置的重要組成部分，它的功能是在電壓值為9kV時儲蓄脈沖能量到50KJ。高壓脈沖電流發生器由電容量75μF、額定電壓為16kV的電容器組成。發生器由八組電容器并聯連接，且每組電容器由兩個電容并聯組成，每組電容器都有高電壓保險裝置；

3）間隙開關（見圖5）：采用三電極放電開關，其主要功用是起動脈沖電流發生器；

4）接地保護裝置（如圖6）：主要功能是在切斷電流時保證從脈沖電流發生器的電容中移走剩余電荷，確保裝置斷電。這是脈沖放電一個非常重要的一個問題，處理不當就會導致設備不能正常工作，甚至導致人身傷亡的發生。接地裝置需要滿足在有效斷開電流或者應急斷開電流后迅速將剩余電荷從脈沖電流發生器的電容器中排除，保證設備和人身安全；

圖5 間隙開關

圖6 接地保護裝置

5）操縱面板：操縱面板為遠程操縱裝置。在操縱臺中布置變壓器、整流器、檢測-測量儀器，它是遠程調度臺；

6）放電頭（圖7）：工作時，放電頭須放在液體中，可將電能轉化為機械能，產生沖擊波壓力。它是具有正負電極的放電系統。放電頭的兩電極之間的間隙長度值非常重要，它對放電鉆進效率具有重要的影響。

圖7 放電頭

3 結論

該實驗教學研究平臺研制成功后，進行了巖石層的鉆進及粘土層的擴孔鉆進，鉆進效果良好。通過該實驗平臺，學生可完成如下4個方面的實驗教學和科學研究：

1）不同巖土層中高壓脈沖放電鉆進碎巖機理的研究；

2）高壓脈沖放電參數對粘土層擴孔鉆進效率影響規律的實驗與研究；

3）高壓脈沖放電參數對巖石層鉆進效率影響規律的實驗與研究；

4）高壓脈沖放電鉆進技術在錨桿施工中的應用研究。

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