高压脉冲放电钻进实验平台的研究

赵大军，房 昕

吉林大学建设工程学院，吉林长春 130026

0 引言

液相介质中发生高压脉冲放电时，在液体内部放电区域产生极高的压力，前苏联专家把这种电能转化为机械能的新方法称为“液电效应”[1]。目前国内外对高压脉冲放电技术的应用越来越广泛，已应用于液电成型、矿藏勘探、建筑、农业、医疗、生物技术、化学、环境保护等领域[2-4]。高压脉冲放电钻进实验平台是将高压脉冲放电技术用于地下岩土钻进的实验教学与研究平台。实验平台实物如图1所示，主要由充电电路、放电电路、接地电路、操纵和信号电路等组成。充电电路包括高压变压器、电容和脉冲电流发生器；放电电路包括电容、间隙开关、导电电缆和负载；接地电路包括外部接地的负荷元件、低势能放电总线端头用接地螺栓接地；操纵和信号电路包括配电柜、操纵面板和远程操纵平台。

图1 实验平台实物照片

1 高压脉冲放电扩孔钻进机理

高压脉冲放电装置工作原理如图2所示。该装置主要由高压变压器、高压硅堆、电容器、保护电阻和间隙开关、电势电极、放电间隙、接地电极组成。从高压变压器输出电压通过高压硅堆整流器获得高压直流电，流经保护电阻向电容器充电，此时间隙开关是断开的，当电容器电压上升到足够大时，间隙开关会在空气中被击穿，放电电路迅速被接通，并将电容器储存的能量在两电极间瞬间释放，并产生压力高达103MPa的强烈冲击波压力。

这个过程如同气泡脉动。该装置首先将电能转化为热能，通道液体快速升温，温度高达（10～40）×103K，使周围液体蒸发变为高温高压的气体，并迅速膨胀。膨胀的气体使周围液体产生具大的冲击波；由于液流的惯性作用，气泡膨胀的后期，气泡内的压力要远小于液相介质的静压力。在此静压作用下气泡周围产生反向的液相介质运动，结果又使气泡内部压力又大于周围流体压力，因此再次膨胀，如此反复膨胀收缩，造成气泡脉动。每脉动一次，气泡内部高压向外部辐射一次压力波，这个压力波以几十个连续的衰减形式脉冲循环。在这种高频的冲击波作用下，岩石被击碎或被疲劳破坏，粘土被压缩扩径。

图2 高压脉冲放电原理图

2 实验平台主要部件的功能描述

高压脉冲放电装置主要由充电电路、放电电路、接地电路、操纵和信号电路组成。充电电路包括高压变压器、电容和脉冲电流发生器；放电电路包括电容、间隙开关、导电电缆和放电头；接地电路包括外部接地的负荷元件，低势能放电总线端头用接地螺栓接地；操纵和信号电路包括配电柜、操纵面板和远程操纵平台。下面介绍主要部件的作用。

1）充电设备（图3）：将电网动力交流电压转化为指定大小的直流高压电，完成脉冲电流发生器内电容器充电。为了保证电容器顺利充电和能够产生具有一定频率的脉冲，要求充电设备必须具有一定功率；

图3 充电设备

图4 脉冲电流发生器

2）脉冲电流发生器（图4）：脉冲电流发生器是高压脉冲放电装置的重要组成部分，它的功能是在电压值为9kV时储蓄脉冲能量到50KJ。高压脉冲电流发生器由电容量75µF、额定电压为16kV的电容器组成。发生器由八组电容器并联连接，且每组电容器由两个电容并联组成，每组电容器都有高电压保险装置；

3）间隙开关（见图5）：采用三电极放电开关，其主要功用是起动脉冲电流发生器；

4）接地保护装置（如图6）：主要功能是在切断电流时保证从脉冲电流发生器的电容中移走剩余电荷，确保装置断电。这是脉冲放电一个非常重要的一个问题，处理不当就会导致设备不能正常工作，甚至导致人身伤亡的发生。接地装置需要满足在有效断开电流或者应急断开电流后迅速将剩余电荷从脉冲电流发生器的电容器中排除，保证设备和人身安全；

图5 间隙开关

图6 接地保护装置

5）操纵面板：操纵面板为远程操纵装置。在操纵台中布置变压器、整流器、检测-测量仪器，它是远程调度台；

6）放电头（图7）：工作时，放电头须放在液体中，可将电能转化为机械能，产生冲击波压力。它是具有正负电极的放电系统。放电头的两电极之间的间隙长度值非常重要，它对放电钻进效率具有重要的影响。

图7 放电头

3 结论

该实验教学研究平台研制成功后，进行了岩石层的钻进及粘土层的扩孔钻进，钻进效果良好。通过该实验平台，学生可完成如下4个方面的实验教学和科学研究：

1）不同岩土层中高压脉冲放电钻进碎岩机理的研究；

2）高压脉冲放电参数对粘土层扩孔钻进效率影响规律的实验与研究；

3）高压脉冲放电参数对岩石层钻进效率影响规律的实验与研究；

4）高压脉冲放电钻进技术在锚杆施工中的应用研究。

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