基于RSD的脈沖發(fā)生器破碎巖混材料實驗仿真

摘要 為了總結(jié)用于破碎巖混材料的脈沖發(fā)生器其設(shè)計原則和規(guī)律。通過應(yīng)用一種反向晶體管開關(guān)，研制脈沖發(fā)生器進行破碎巖混材料實驗，并結(jié)合CST軟件對電極放電過程進行仿真，確定脈沖發(fā)生器的最佳參數(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，基于RSD脈沖發(fā)生器的輸出脈沖可高效破碎巖混材料，其具有安全可控?zé)o污染的優(yōu)點，有望代替炸藥爆破方式。

關(guān)鍵詞 高壓脈沖;反向晶體管開關(guān);脈沖功率系統(tǒng)

巖混材料屬硬脆性材料，抗壓不抗拉。傳統(tǒng)機械法破碎巖混材料主要依靠克服材料表面壓應(yīng)力進行破壞，因而存在高能耗、低效率、安全性差等缺點。而高電壓脈沖放電法破碎巖混材料主要靠克服材料內(nèi)部拉應(yīng)力進行破碎，是一種節(jié)能、高效、安全的新技術(shù)。高壓放電法破碎用高壓脈沖發(fā)生器中，負責(zé)能量轉(zhuǎn)換的開關(guān)是一個關(guān)鍵器件，作用是其連接儲能器件與負載，并直接影響輸出脈沖的上升時間、波形及幅度，是決定脈沖發(fā)生器工作可靠性及能量傳輸效率的主要因素。當前破碎巖混材料采用高壓脈沖發(fā)生器的開關(guān)部件多用火花開關(guān)，其缺點是易遭受放電損傷和放電不穩(wěn)定性。與氣體火花開關(guān)相比，半導(dǎo)體開關(guān)RSD具有更長的使用壽命及可靠性，但基于RSD開關(guān)的破碎巖混材料研究及應(yīng)用卻鮮見報道。本工作闡述破碎巖混材料用的基于RSD脈沖發(fā)生器基本原理，結(jié)合破碎巖混材料試驗進行研究分析。并通過模擬仿真探索高效，節(jié)能的破碎巖混材料方法。

1 基于RSD的脈沖發(fā)生器原理

基于RSD的脈沖發(fā)生器如圖1所示，主電容C0為6 600μF;最大充電電壓6 kV;最大存儲能量為120 kJ;D0為二極管堆用于防止C0電容重復(fù)充電和提供單極性輸出脈沖波形。電流通過分流確保RSD仍在R良好的導(dǎo)通狀態(tài)對水擊發(fā)。機械開關(guān)k防止C0不必要的擊穿，允許在緊急情況下經(jīng)過電阻R對C0放電。電纜和火花放電單元總電感為6μH。高負載電感限制電流上升率低于1 kA/μs。在電源電路中無需飽和鐵芯扼流圈。CS1觸發(fā)系統(tǒng)是基于16 mm直徑的RSD堆，利用半導(dǎo)體器件代替火花開關(guān)能增加設(shè)備壽命和放電穩(wěn)定性。變壓器和C1-D1-L1-T低壓電路的形式為RSD堆脈沖觸發(fā)，在初始狀態(tài)下的C和C0電容器充電至相同電壓。高電壓脈沖由TR次級繞組在t時刻的形成晶體管觸發(fā)。此脈沖的幅度應(yīng)高于C充電電壓，因此反向脈沖電流通過RSD1 堆，對其起開關(guān)作用。TR鐵芯飽和后次級繞組的電感較小，電容C已向低功率RSD1堆快速放電。當電容C電壓的變化極性反向電壓被施加到RSD，堆次級繞組TR形成的觸發(fā)脈沖電流通過RSD。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 實驗結(jié)果

在實驗中，電源為基于RSD的高壓脈沖發(fā)生器。該RSD通過兩個直徑為76 mm的晶體串聯(lián)，觸發(fā)控制電壓3 kV。實驗采用1 m3標準見方巖混材料塊，在上表面鉆直徑3 cm，深度為50 cm的孔。放電破壞電極的尺寸與此圓孔尺寸相當，其負極為不銹鋼外壁且可靠接地，正電極為直徑1 cm的彈簧鋼圓棒，電極間采用絕緣樹脂支撐連接。將放電破壞電極伸入注滿水的孔中。25m長的高壓同軸電纜連接放電破壞電極與高壓脈沖電源，可確保操作人員安全。實驗表明，基于RSD的高壓脈沖發(fā)生器可產(chǎn)生高幅值、陡前沿的高壓脈沖。且在增大到一定的幅值和前沿時，便可有效破碎巖混材料，當參數(shù)達到脈沖能量100 kJ、輸出電流100 kA、輸出電壓6 kV時，破壞效果顯著，如圖2所示。

2.2 研究分析

破碎巖混材料原理為：當發(fā)生器充電完成后，RSD開關(guān)觸發(fā)使其導(dǎo)通，迅速將脈沖從電源經(jīng)電纜傳向電極，高壓脈沖在水中瞬間形成高溫高壓的等離子爆炸，并以沖擊波的形式進行傳播，在傳播過程中從水中進入巖混材料，并由巖混材料進入空氣中，在兩者界面上產(chǎn)生沖擊波的反射和折射。當沖擊波由水進入巖混材料時，反射和折射形成巖混材料內(nèi)部的壓力波，當壓力波的壓強大于巖混材料內(nèi)部的抗壓強度時，沖擊波在兩者界面上發(fā)生一次反射和折射，從而產(chǎn)生張力波，當張力波超過巖混材料的抗張強度時，兩者接觸部分破碎。但高電壓脈沖參數(shù)直接與各種復(fù)雜應(yīng)力波相關(guān)。

高壓脈沖幅值大，可導(dǎo)致沖擊波的壓力幅值足夠大，進而保證可克服巖混材料的抗壓縮強度和拉伸強度。沖擊波對巖石造成的破碎方式主要是沖擊波產(chǎn)生的剪切力破壞。對于沖擊波的特征過程分析，其在水中傳播，波陣面壓力和速度下降快，且波形不斷被拉寬，所以正負極間距不應(yīng)過大。同時最佳極間距也與發(fā)生器電容值、電壓有關(guān)，極間距隨電容值及電壓值的增大而增大。液體放電中激波壓力及其傳播速度與放電能量關(guān)系的公式為

式中，Pm為沖擊波的波前最大壓力值;β為無因次的復(fù)雜積分函數(shù)，近似取0.7;ρ為液體密度，可取為1g/cm3;ω為放電通道單位長度的脈沖總能量;T為脈沖能量的持續(xù)時間;τ為波前時間。根據(jù)式(1)和沖擊電流波形的波前時間，如圖4所示，得出沖擊壓力波波形圖，如圖3所示，壓力峰值P=140 MPa，上升時間為50μs，半高寬T=500μs此沖擊波壓力幅值>30 MPa，可完全克服巖混材料拉伸強度。

高壓脈沖的前沿陡峭，可導(dǎo)致沖擊波的前沿陡峭，沖擊波的上升時間應(yīng)足夠小，使其經(jīng)過具有不同聲阻抗的介質(zhì)表面時能充分反射。從上升時間來看，壓力波的壓力梯度較大，在沖擊波經(jīng)具有不同聲阻抗的介質(zhì)界面時，能充分反射，由反射公式從沖擊波的特性過程中也得到一定的理論依據(jù)，沖擊波的反射式為

其中，ρ為介質(zhì)密度;V為彈性波的速度;y為聲阻抗;R為沖擊波的波頭的壓力;F為分界面反射回介質(zhì)的拉伸壓力。而油的y值要小于水介質(zhì)，會有更好的破碎效果。沖擊波壓力波形的半高寬應(yīng)足夠小，使沖擊波穿透巖混材料的時間大于沖擊波的脈寬，避免巖混材料內(nèi)部的入射波與反射波相互抵消。

3 仿真分析與優(yōu)化

實驗流程：高壓脈沖發(fā)生器首先充電，然后通過RSD迅速將脈沖從電源經(jīng)電纜傳向電極，在電極尖端擊穿同時發(fā)生等離子爆炸，產(chǎn)生高溫高壓等離子體，并向4周以沖擊波形式傳播。

圖5為仿真實驗所使用電極結(jié)構(gòu)圖。優(yōu)化前電極負極直徑為2 cm空心不銹鋼圓柱，正極為直徑1 cm的彈簧鋼。優(yōu)化后電極直徑為2 cm的空心不銹鋼，負極為直徑1 cm的彈簧鋼，負極頭為直徑2 cm，厚度1 cm圓柱。電極之間使用絕緣樹脂支撐連接。

圖6為優(yōu)化設(shè)計前后電子的運動軌跡。通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計前電子運動軌跡為半球形，所產(chǎn)生的沖擊波為向4周均勻傳播。對于垂直向下方向沖擊波屬于壓應(yīng)力，對巖混材料破碎效果不明顯，相當于減弱了水平方向沖擊能量。而優(yōu)化設(shè)計后的電子運動軌跡為垂直水平向下，這樣產(chǎn)生等離子爆炸所形成的沖擊波主要沿水平方向傳播。對于巖混材料塊，水平方向產(chǎn)生的垂直剪切力最容易產(chǎn)生破碎，從而達到高效破碎巖混材料的目的。

圖7為優(yōu)化設(shè)計前后能量密度分布圖。通過對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前能量主要集中在電極頂端邊緣和負極邊緣，而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的電極能量密度主要分布在負極邊緣。意味等離子爆炸主要發(fā)生在負極邊緣，所產(chǎn)生的沖擊波此處最強。對于水平方向的拉應(yīng)力貢獻最大，對巖混材料的破碎效果最好。

4 結(jié)束語

通過高壓脈沖對巖混材料擊穿過程的仿真研究得到以下結(jié)論：(1)通過調(diào)整基于RSD脈沖發(fā)生器的輸出脈沖參數(shù)可高效破碎巖混材料，其高壓脈沖的幅度及脈沖前沿是影響的關(guān)鍵因素，可導(dǎo)致影響沖擊波的幅值及前沿，進而決定破壞效果。經(jīng)測試，其高效破碎巖混材料的典型參數(shù)為：最大輸出電流可達 180kA，輸出波形的脈沖前沿上升率為30kA/ μs。(2)基于RSD脈沖發(fā)生器放電破碎，可代替安全性差的炸藥爆破方式，可有效提高設(shè)備的可靠性、增加設(shè)備壽命并能減少開關(guān)元件中能量的損失。(3) 通過優(yōu)化設(shè)計電極結(jié)構(gòu)，可使電子束運動軌跡及其能量密度分布更加合理。對巖混材料的破壞效果進一步提高。