高壓脈沖放電破碎礦石設備的電路設計與測試

畢明雪 鄭東旭 李宏達

摘? 要：為了探究高壓脈沖對礦石進行選擇性破碎的機制，本工作研制了高壓脈沖放電破碎礦石設備，包括對整流濾波及倍壓電路、高壓脈沖發生器主體電路、電壓測量電路和設備整體電路的設計與設備聯調;最后進行了高壓脈沖破碎礦石實驗，結果顯示，當設備脈沖上升沿時間小于500納秒，電壓幅值達到幾十至幾百千伏時，可以將礦石選擇性破碎。

關鍵詞：整流濾波電路;Marx發生器;高壓脈沖

Abstract： In order to explore the mechanism of selective crushing of ore by high-voltage pulses， this research has developed a high-voltage pulse discharge crushing ore equipment， including the design and testof rectifier-filter and voltage multiplier circuit， the main circuit of the high-voltage pulse generator， the voltage measurement circuit and the overall circuit of the equipment. Finally， a high-voltage pulse crushing ore experiment was performed. The results show that when the equipment pulse rising time is less than 500 nanoseconds and the voltage amplitude reaches tens to hundreds of kilovolts， the ore can be selectively crushed.

脈沖功率技術的原理是利用高功率脈沖裝置將能量緩慢地儲存起來，對其進行形態變換或壓縮調節，最后以極短的時間脈沖形式快速釋放給特定負載[1]。二戰時期，俄羅斯科學家首次應用高壓電脈沖技術提純核材料;1950年左右，在用高壓電脈沖技術分解水的過程中，發現其產生的沖擊波足以破碎礦石;此后，工程類研究者開始對高壓電脈沖技術進行深入研究[2]。國內專家也對此展開了研究，中信重工機械股份有限公司與國內某大學合作進行了赤鐵礦高壓電脈沖破碎試驗，對某鋼廠赤鐵礦進行單顆粒脈沖放電破碎，脈沖電壓僅為60kV[3];江蘇省自然科學青年基金資助的項目（BK20140944），為了達到污水快速凈化的目的，設計了納秒級高壓脈沖電源電路，輸入電壓為500V，串聯25級電路可獲得的高壓脈沖最大幅值僅為10kV[4];本文設計的高壓脈沖放電電路輸入電壓為220V，放電時的單次脈沖電壓可達50-200kV。

傳統的礦石碎磨主要依靠機械能沖擊、剪切和研磨使礦石碎裂、剝蝕達到礦物單體解離的目的，導致礦石破碎以穿晶破碎為主[5]，而穿晶破碎會導致有用礦物與脈石礦物無法實現有效分離。應用高壓電脈沖破碎礦石時，由于金屬礦石中有用礦物與脈石礦物的介電常數、電導率等電學性質差異較大，放電通道易沿礦物界面發展，使礦石沿晶界破裂。Tamsyn Parker等[6]研究了高壓電脈沖預處理后斑巖銅礦解離特性，發現電脈沖粉碎產物中黃銅礦單體解離度較機械粉碎更高。Martello等[7]采用高壓電脈沖技術可選擇性的將石英巖石包裹體破碎，減少伴生礦石對石英晶體的污染，破碎產品滿足太陽能電池的高純度硅原料的要求。Valentine A. Chanturiya等[8]研究發現高壓電脈沖在礦石內部產生的裂紋，使得浸出液可以有效地接觸到貴金屬顆粒，大幅提高貴金屬的回收率。上述研究表明高壓電脈沖有望實現礦石的選擇性破碎。

1 設備原理及整體方案設計

將高壓電脈沖作用于礦石，在納秒時間尺度上脈沖電壓達到一定數值后可擊穿礦石。圖1顯示了各種介質的擊穿場強和電壓上升時間的關系。從圖1中可以看出，當電壓上升時間小于500ns時礦石的擊穿場強小于水的擊穿場強，所以如果控制電壓上升時間在500ns以內，當電壓達到一定數值時，就可以實現將礦石破碎[9]。整體框圖如圖2所示，將高壓脈沖放電電源產生的高壓脈沖作用于破碎腔體中的礦石，礦石內部形成等離子通道（圖2中破碎腔體中礦石內的線性通道代表等離子通道），等離子通道會因巖石內金屬粒子的引誘而選擇性發展，因而有可能實現礦石的選擇性破碎。

2 電路設計

因設計的高壓脈沖電源電路的脈沖形成電路采用Marx結構，故需設計一基于Marx的脈沖充放電電路;因選用電網的交流電為輸入，故需設計一將交流電變換為直流電的整流濾波電路;因直接應用Marx結構進行倍壓需要許多造價較高的電容，故在設計整流濾波電路時需加入五級倍壓電路;因要測量放電時單次脈沖電壓大小，故需設計一由分壓器示波器組成的電壓測量電路。

2.1 整流濾波及倍壓電路設計

整流濾波及倍壓電路如圖3所示，整流電路主要使用二極管（D1-D10）的正偏導通，反偏截止的單向導電性，將交流電轉變為脈動直流電，但此脈動直流電的波動幅度較大，為了讓其輸出更加平滑、消除里面的交流成分，故在電路中加0.02μF的電容（C1-C11）組成了整流濾波電路;一級倍壓電路由兩個電容、兩個二極管組成，一級倍壓電路的輸出電壓為輸入電壓的兩倍，本實驗設計了五級倍壓電路，即輸出電壓為輸入電壓的十倍。

2.2 高壓脈沖發生器主體電路（Marx電路）設計

Marx發生器是基于電容器并聯充電、串聯放電原理而產生高功率脈沖的裝置[10]，一般采用電阻或電感充電隔離，雖然在較低重復頻率下，電阻充電隔離結構簡單，電感充電隔離相對復雜，絕緣處理要求較高，但電感隔離可提高工作頻率以及電路效率，因此本實驗采用電感充電隔離方式，填充變壓器油進行絕緣處理。本實驗設計的基于Marx的脈沖充放電電路（如圖4所示）主要由電容器、氣體開關及電感組成。可以實現雙極性正負充電，使得開關數量比單極性充電電路減少一半，結構緊湊，回路電感小。