高壓脈沖放電鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究

趙大軍，房 昕

吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026

0 引言

液相介質(zhì)中發(fā)生高壓脈沖放電時(shí)，在液體內(nèi)部放電區(qū)域產(chǎn)生極高的壓力，前蘇聯(lián)專家把這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的新方法稱為“液電效應(yīng)”[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓脈沖放電技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已應(yīng)用于液電成型、礦藏勘探、建筑、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、生物技術(shù)、化學(xué)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[2-4]。高壓脈沖放電鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是將高壓脈沖放電技術(shù)用于地下巖土鉆進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)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(hào)電路等組成。充電電路包括高壓變壓器、電容和脈沖電流發(fā)生器；放電電路包括電容、間隙開(kāi)關(guān)、導(dǎo)電電纜和負(fù)載；接地電路包括外部接地的負(fù)荷元件、低勢(shì)能放電總線端頭用接地螺栓接地；操縱和信號(hào)電路包括配電柜、操縱面板和遠(yuǎn)程操縱平臺(tái)。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片

1 高壓脈沖放電擴(kuò)孔鉆進(jìn)機(jī)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(hù)電阻和間隙開(kāi)關(guān)、電勢(shì)電極、放電間隙、接地電極組成。從高壓變壓器輸出電壓通過(guò)高壓硅堆整流器獲得高壓直流電，流經(jīng)保護(hù)電阻向電容器充電，此時(shí)間隙開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的，當(dāng)電容器電壓上升到足夠大時(shí)，間隙開(kāi)關(guān)會(huì)在空氣中被擊穿，放電電路迅速被接通，并將電容器儲(chǔ)存的能量在兩電極間瞬間釋放，并產(chǎn)生壓力高達(dá)103MPa的強(qiáng)烈沖擊波壓力。

這個(gè)過(guò)程如同氣泡脈動(dòng)。該裝置首先將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通道液體快速升溫，溫度高達(dá)（10～40）×103K，使周圍液體蒸發(fā)變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，并迅速膨脹。膨脹的氣體使周圍液體產(chǎn)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(nèi)的壓力要遠(yuǎn)小于液相介質(zhì)的靜壓力。在此靜壓作用下氣泡周圍產(chǎn)生反向的液相介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果又使氣泡內(nèi)部壓力又大于周圍流體壓力，因此再次膨脹，如此反復(fù)膨脹收縮，造成氣泡脈動(dòng)。每脈動(dòng)一次，氣泡內(nèi)部高壓向外部輻射一次壓力波，這個(gè)壓力波以幾十個(gè)連續(xù)的衰減形式脈沖循環(huán)。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(kuò)徑。

圖2 高壓脈沖放電原理圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(hào)電路組成。充電電路包括高壓變壓器、電容和脈沖電流發(fā)生器；放電電路包括電容、間隙開(kāi)關(guān)、導(dǎo)電電纜和放電頭；接地電路包括外部接地的負(fù)荷元件，低勢(shì)能放電總線端頭用接地螺栓接地；操縱和信號(hào)電路包括配電柜、操縱面板和遠(yuǎn)程操縱平臺(tái)。下面介紹主要部件的作用。

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

圖3 充電設(shè)備

圖4 脈沖電流發(fā)生器

2）脈沖電流發(fā)生器（圖4）：脈沖電流發(fā)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(shí)儲(chǔ)蓄脈沖能量到50KJ。高壓脈沖電流發(fā)生器由電容量75μF、額定電壓為16kV的電容器組成。發(fā)生器由八組電容器并聯(lián)連接，且每組電容器由兩個(gè)電容并聯(lián)組成，每組電容器都有高電壓保險(xiǎn)裝置；

3）間隙開(kāi)關(guān)（見(jiàn)圖5）：采用三電極放電開(kāi)關(guān)，其主要功用是起動(dòng)脈沖電流發(fā)生器；

4）接地保護(hù)裝置（如圖6）：主要功能是在切斷電流時(shí)保證從脈沖電流發(fā)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(gè)非常重要的一個(gè)問(wèn)題，處理不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作，甚至導(dǎo)致人身傷亡的發(fā)生。接地裝置需要滿足在有效斷開(kāi)電流或者應(yīng)急斷開(kāi)電流后迅速將剩余電荷從脈沖電流發(fā)生器的電容器中排除，保證設(shè)備和人身安全；

圖5 間隙開(kāi)關(guān)

圖6 接地保護(hù)裝置

5）操縱面板：操縱面板為遠(yuǎn)程操縱裝置。在操縱臺(tái)中布置變壓器、整流器、檢測(cè)-測(cè)量?jī)x器，它是遠(yuǎn)程調(diào)度臺(tái)；

6）放電頭（圖7）：工作時(shí)，放電頭須放在液體中，可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，產(chǎn)生沖擊波壓力。它是具有正負(fù)電極的放電系統(tǒng)。放電頭的兩電極之間的間隙長(zhǎng)度值非常重要，它對(duì)放電鉆進(jìn)效率具有重要的影響。

圖7 放電頭

3 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究平臺(tái)研制成功后，進(jìn)行了巖石層的鉆進(jìn)及粘土層的擴(kuò)孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)效果良好。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可完成如下4個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究：

1）不同巖土層中高壓脈沖放電鉆進(jìn)碎巖機(jī)理的研究；

2）高壓脈沖放電參數(shù)對(duì)粘土層擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)與研究；

3）高壓脈沖放電參數(shù)對(duì)巖石層鉆進(jìn)效率影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)與研究；

4）高壓脈沖放電鉆進(jìn)技術(shù)在錨桿施工中的應(yīng)用研究。

[1]尤特金著.于家珊，譯.液電效應(yīng)[M].北京：科學(xué)出版社，1962.

[2]廖振方，陳德淑，蘇暢，等.礦石及爐渣的電液壓脈沖破碎和粉碎[J].礦山機(jī)械，2004，31(4):6-9.

[3]陳德淑，廖振方，劉暉霞，等.湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的治理[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，30(3):116-119.

[4]Юткин Л.А.Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности[M].Машиностроение，1986.

[5]Юшков А.Ю.Исследование формирования набивных свай импульсными разрядами[D].дисс канд. Техн.наук .Томск，2004.

[6]Курец В.И.，Юшков А.Ю.Производство набивных свай и анкеров с использованием электричестких импульсных разрядов[J].Известия Томского политехнического университета.2006.Т.309.№ 2.

[7]孫世民.復(fù)合載體夯擴(kuò)樁施工技術(shù)研究[D].鄭州大學(xué)，2009.9.5.

[8]高笑娟.擠擴(kuò)支盤樁承載性狀試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析[D].浙江大學(xué)，2007.6.

[9]秦曾衍等.高壓強(qiáng)脈沖放電及其應(yīng)用[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[10]孫慶.沖擊擠密作用下土體變形機(jī)理的有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].吉林大學(xué)，2007，6.