论文部分内容阅读
【摘 要】 分析了液电效应的产生机理及应用概况，进行了充放电电路特性分析与计算。完成水下等离子体液电系统设计并开展了水下等离子体液电冲击波瞬态特性测量，获得液电冲击波瞬态波形与声学幅频特性。测试结果表明，水下等离子体液电系统所产生冲击波具有瞬态压力峰值大，放电能量可调节，系统工作频率高，工作稳定可靠等特点。水下等离子体液电效应可广泛应用于水处理、液电成型、油井清沙、管道除垢、体外冲击波碎石、海洋勘探等领域。
【关键词】 水下脉冲放电；等离子体；液电效应；冲击波压力
中图分类号： TM89 文献标识码： A
引言
目前，等离子体放电技术的研究已经非常的深入，其发展和应用也已经有了半个多世纪的历史，己经涉及到国民经济、医疗卫生、人民生活和国防军事等多个领域，并发挥着越来越明显的作用。其应用包括：高电压水处理技术、液电成形技术、体外冲击波碎石技术、液电清砂和除垢技术以及海洋勘探技术。
1水下等离子体液电效应原理与应用概况
1.1水下等离子体液电效应原理
水下等离子体放电是指在液体（通常是水）中进行的瞬间高压脉冲放电，这是由前苏联科学家Yutkin在1955年首次提出和命名的。水下等离子体放电会产生所谓的“液电效应”，其原理如图1所示。C为储能电容，S为开关，G为处于水中的间隙。设C上充有高电压U，当开关S接通时，电容C上的高压U突然加到水中间隙G上，使G立即击穿，接着电容C就经S和G迅速放电（放电时间为数纳秒至数毫秒），并产生极强的放电电流（可以达到数千安到数百千安）。
由于巨大能量瞬间释放于G的放电通道内，通道中的水就迅速汽化、膨胀并引起爆炸，爆炸所引起的冲击压力可达103～105大气压，这种水中放电产生强烈爆炸的力效应又称为液电效应。
此时，放电功率为：
（1）
式中T为单次放电的时间，W为单次放电的能量。
由于放电时间很短，放电功率N可达到很高的数值。爆炸所产生的压力急剧升高，使通道高速向外膨胀，而周围的水介质几乎是不可压缩的，因而形成极强有力的冲击波并以超声速向外传播，然后衰减成声脉冲。放电能量的大小决定了冲击波的强弱，
单次放电能量为：
（2）
式中：W为装置储存的能量；C为储能电容量；U为电容器充电电压。
1.2水下等离子体液电效应应用概况
（1）高电压水处理技术
近年来，采用高压强流脉冲放电技术来进行饮用水和工业水处理己开始取代以往的用含氯消毒剂的方法，大大的提高了其处理效率，同时加强了工业废水的可生化性和再利用。
（2）液电成形技术
液电效应激波的瞬间冲击压力峰值可以达到l08～1010Pa。这样我们可以利用在放电室内高压强流脉冲水下放电所产生的这种激波的巨大冲击压力来使工件成形。
（3）液电式体外冲击波碎石
体外冲击波碎石技术（ESWL），是利用“液电效应”产生冲击波，以及冲击波可以被聚焦这一物理特性来实现的。当冲击波从人体外部传入人体内部并在人体内部结石处聚焦时，处于冲击波焦点范围内的结石在聚焦后的强烈冲击波反复冲击下逐渐破碎。
（4）液电清砂和管道除垢技术
当“液电效应”发生时，放电通道的急剧膨胀和收缩会产生气泡，气泡的不断收缩、膨胀都会向外发射压缩波产生一次液力冲击，这就是液中放电的力效应。液电清砂时，因而在泥芯内部产生一个拉伸力，使得泥芯和型砂的裂纹不断扩大直至破坏；液电除垢时，也由于放电产生的冲击压力大于结垢的强度，这样在压力波的反复作用下，垢将被击碎并从管壁上脱落。
（5）海洋电火花震源
“电火花震源”是液电效应在海洋勘探中的形象称谓。与炸药声源相比电火花声源具有多方面优点，尤其是在海洋勘探中的应用。
海洋电火花震源是利用液中等离子体脉冲放电的液电效应产生冲击波，冲击波又以声波的形式向外辐射传播，这样就像成了海洋勘探所需要的声波震源。
2水下等离子体液电系统组成及工作原理
2.1水下等离子体液电系统组成
如图2所示，水下等离子体液电系统由充电主回路，放电主回路，控制系统三部分组成。充电主回路包括电源、升压变压、整流等模块，放电主回路包括储能、放电间隙、放电电缆，电极，控制系统由PLC控制器實现。
充电主回路由电源（市电220V）、升压变压装置、整流硅堆组成。放电主回路由储能电容器组、辅助间隙、放电电缆、负载（电极及电极间隙间的液体介质）组成如图2所示。系统工作时，电源提供电压为220V的市电，经调压和升压变压后获得工作所需的高电压。
2.2电气系统设计
如图3电气系统功能框图所示，系统充电完毕后由PLC控制器产生一脉冲信号导通固态继电器GT，高压脉冲产生装置T2工作并产生一高压脉冲用以导通火花开关CF，CF为主放电回路开关，火花开关导通后，储能电容器组所储存能量经电缆向负载传输，在此负载即放电电极。
如图3电气系统原理图所示，电源电压由操作台电压显示器V1显示，电源电压经调压器T调压后输送至升压变压器T1，调压电压由操作台V2显示，调压后电压经升压变压器升至所需电压后由V3显示，此时高压电流经升压变压器T1高压端输出至高压整流硅堆DL，在此采用全桥整流方式以提高充电效率，整流后的高压电流对储能电容器组进行充电，电路中电阻R1为充电保护电阻，R2为储能电容器组过压保护电阻。
2.2.1充电主回路设计
电容储能方式以其方便、快捷和易于测控等突出优点成为高压强流脉冲放电技术中最常用的一种。
充电部分由调压器T，升压变压器T1、高压整流硅堆D、限流电阻R和电容器C等元件组成。充电回路的作用就是将电能送入电容器中储存起来。恒流充电是利用高压直流电源对高压脉冲电容器进行充电，并且在充电过程中始终保持充电电流恒定的充电方法。 恒流充电时，电容器两端电压为：
恒流充电方法中，由于限流电阻阻值较小，因此，其充电时间短、速度快，可以提高高压强流脉冲放电装置的充电效率。高压强流脉冲放电装置一般采用恒流充电方式，恒流充电的效率一般均超过90%。
2.2.2电容参数设计
等离子体强声发生装置是利用液中等离子体放电而产生冲击波，这需要一个较高的击穿电压，一般选择10～30kV即可。同样电容器储能的情况下，电流陡度大产生冲击波的强度就大。这就要求工作电压高一些，回路电感尽量小，因此也要求电容器的内感要小。
本装置选用的储能电容器组参数为：0.3μF×4，最高充电电压30kV，由电容储能公式可以得到电容器不同电压值情况下的储能值。如表1所示，储能电容器组所选用电容器单个容量为0.3μF，一共由四只组成，充电到30kV时最高总储能为540J。
2.2.3放电主回路设计
主放电回路主要包括以下几个部件：储能电容器组、火花放电开关、传输电缆以及水下放电电极。在选择放电回路部件时，主要参数是放电电流的幅值有多大。
由经典电路理论列出回路方程：
放电开关与放电电缆是连接电容器组和放电电极之间的重要元件。在参数选择时应考虑冲击电流的大小及绝缘耐压能力。
2.2.4聚能反射罩设计
反射罩内表面为椭球曲面，放电电极放置在其第一焦点的位置上，根据椭球面聚焦原理，电极放电时所产生的强声能量聚焦在其第二焦点处，根据理论计算，第二焦点处能量密度最大，所产生的冲击压力也最强，在体外冲击波碎石机的应用中压强可达30～120MPa。
3水下等离子体液电冲击波测量与特性分析
3.1采集系统组成
如图4所示为水下等离子体液电冲击波测量采集系统框图，其系统组成包括：PCB瞬态压力传感器、多通道信号调理仪、PXI高速数据采集板卡和工控机。冲击波由瞬态压力传感器转变为电压信号并经过信号调理仪进行信号调理，电压信号由高速采集板卡进行采集并存储在计算机当中，使用Origin信号处理软件进行信号处理获得冲击波压力波形与频谱分布图。
3.2冲击波压力波形测量与特性分析
水下等离子体放电可以将电能直接转化为机械能、光能、声能等，而不需要其他的中间环节。在液体中一次放电能产生两次或多次冲击波。第一次冲击波是瞬间放电直接产生的，液体外移的速度超过放电通道的扩张速度，放电产生的气体形成很大的空泡；放电结束后液体以超声速度填充空泡，空泡闭拢后，在放电通道附近又一次向外扩张并形成第二次冲击波如图5所示，其瞬间冲击强度高达103kg/cm2数量级，冲击波脉宽为6～10ms。频谱图如图5所示，压力波能量主要分布在600Hz以内。
放电电极置于椭球面反射体的交点处，根据几何学和物理学的相关理论，冲击波经反射体反射后在第二焦点处聚焦，冲击波能量在此汇聚，波峰压力可达30～120MPa甚至更高。冲击波压力与放电电压和储能等因素相关，当冲击波峰值压力达到一定程度时可以对物体产生一定的机械损伤。将冲击波峰压值对应较高的声压级，可达250dB甚至更高。
4结论
（1）完成了水下等离子体液电系统设计与实现，分析了液电效应的产生机理、应用概况，进行了充放电电路与电容储能特性分析及计算。
（2）开展了水下等离子体液电冲击波瞬态特性测量，了解了水下等离子体放电特性，获得液电冲击波瞬态波形与声学幅频特性。
（3）测试结果表明，水下等离子体液电系统所产生冲击波具有瞬态压力峰值大，放电能量可随充电电压进行调节，系统工作频率高，工作稳定可靠。具有适合于地震勘探和振动采油所需的频谱特性，是一种较好的非炸药震源。且水下等离子体液电效应可广泛应用于水处理、液电成型、油井清沙、管道除垢、体外冲击波碎石、海洋勘探等领域。
参考文献：
[1]王莹.高功率脉冲电源.第一版，原子能出版社，1991.
[2]文遠芳.高电压技术.华中理工大学出版社，2001.
[3]赵智大.高电压技术.中国电力出版社，1999.
[4]方兴东等.高压脉冲放电在水处理中的应用级发展.高电压技术，2000，第5期，47～50.
[5]史荣.液电爆炸冲击波峰值测量机衰减规律.中国科学院电工研究所，1992.
[6]苏航.电爆冲击波理论与实际系统人工神经网络模型研究.大连理工大学博士学位论文.
[7]张禄荪.液电爆炸及其应用.电工电能新技术，1983.4.
[8]秦曾衍等.高压强脉冲放电及其应用.北京工业大学出版社，2000.
[9]孙冰.液相放电等离子体及其应用.科学出版社，2003.1.
[10]Nikiforov，A.Yu.；Leys，C..PlasmaCher/dstryandPlasmaProcessing.2006（26）4：415-423
[11]Zhao，GuiBing；John，Sanil；Zhang.ChemicalEngineeringScience，2007（62）8：2216-2227
[12]Sayapin，A.；Grinenko，A.；Efimov，S..ShockWayes，2006（15）2：73-80
【关键词】 水下脉冲放电；等离子体；液电效应；冲击波压力
中图分类号： TM89 文献标识码： A
引言
目前，等离子体放电技术的研究已经非常的深入，其发展和应用也已经有了半个多世纪的历史，己经涉及到国民经济、医疗卫生、人民生活和国防军事等多个领域，并发挥着越来越明显的作用。其应用包括：高电压水处理技术、液电成形技术、体外冲击波碎石技术、液电清砂和除垢技术以及海洋勘探技术。
1水下等离子体液电效应原理与应用概况
1.1水下等离子体液电效应原理
水下等离子体放电是指在液体（通常是水）中进行的瞬间高压脉冲放电，这是由前苏联科学家Yutkin在1955年首次提出和命名的。水下等离子体放电会产生所谓的“液电效应”，其原理如图1所示。C为储能电容，S为开关，G为处于水中的间隙。设C上充有高电压U，当开关S接通时，电容C上的高压U突然加到水中间隙G上，使G立即击穿，接着电容C就经S和G迅速放电（放电时间为数纳秒至数毫秒），并产生极强的放电电流（可以达到数千安到数百千安）。
由于巨大能量瞬间释放于G的放电通道内，通道中的水就迅速汽化、膨胀并引起爆炸，爆炸所引起的冲击压力可达103～105大气压，这种水中放电产生强烈爆炸的力效应又称为液电效应。
此时，放电功率为：
（1）
式中T为单次放电的时间，W为单次放电的能量。
由于放电时间很短，放电功率N可达到很高的数值。爆炸所产生的压力急剧升高，使通道高速向外膨胀，而周围的水介质几乎是不可压缩的，因而形成极强有力的冲击波并以超声速向外传播，然后衰减成声脉冲。放电能量的大小决定了冲击波的强弱，
单次放电能量为：
（2）
式中：W为装置储存的能量；C为储能电容量；U为电容器充电电压。
1.2水下等离子体液电效应应用概况
（1）高电压水处理技术
近年来，采用高压强流脉冲放电技术来进行饮用水和工业水处理己开始取代以往的用含氯消毒剂的方法，大大的提高了其处理效率，同时加强了工业废水的可生化性和再利用。
（2）液电成形技术
液电效应激波的瞬间冲击压力峰值可以达到l08～1010Pa。这样我们可以利用在放电室内高压强流脉冲水下放电所产生的这种激波的巨大冲击压力来使工件成形。
（3）液电式体外冲击波碎石
体外冲击波碎石技术（ESWL），是利用“液电效应”产生冲击波，以及冲击波可以被聚焦这一物理特性来实现的。当冲击波从人体外部传入人体内部并在人体内部结石处聚焦时，处于冲击波焦点范围内的结石在聚焦后的强烈冲击波反复冲击下逐渐破碎。
（4）液电清砂和管道除垢技术
当“液电效应”发生时，放电通道的急剧膨胀和收缩会产生气泡，气泡的不断收缩、膨胀都会向外发射压缩波产生一次液力冲击，这就是液中放电的力效应。液电清砂时，因而在泥芯内部产生一个拉伸力，使得泥芯和型砂的裂纹不断扩大直至破坏；液电除垢时，也由于放电产生的冲击压力大于结垢的强度，这样在压力波的反复作用下，垢将被击碎并从管壁上脱落。
（5）海洋电火花震源
“电火花震源”是液电效应在海洋勘探中的形象称谓。与炸药声源相比电火花声源具有多方面优点，尤其是在海洋勘探中的应用。
海洋电火花震源是利用液中等离子体脉冲放电的液电效应产生冲击波，冲击波又以声波的形式向外辐射传播，这样就像成了海洋勘探所需要的声波震源。
2水下等离子体液电系统组成及工作原理
2.1水下等离子体液电系统组成
如图2所示，水下等离子体液电系统由充电主回路，放电主回路，控制系统三部分组成。充电主回路包括电源、升压变压、整流等模块，放电主回路包括储能、放电间隙、放电电缆，电极，控制系统由PLC控制器實现。
充电主回路由电源（市电220V）、升压变压装置、整流硅堆组成。放电主回路由储能电容器组、辅助间隙、放电电缆、负载（电极及电极间隙间的液体介质）组成如图2所示。系统工作时，电源提供电压为220V的市电，经调压和升压变压后获得工作所需的高电压。
2.2电气系统设计
如图3电气系统功能框图所示，系统充电完毕后由PLC控制器产生一脉冲信号导通固态继电器GT，高压脉冲产生装置T2工作并产生一高压脉冲用以导通火花开关CF，CF为主放电回路开关，火花开关导通后，储能电容器组所储存能量经电缆向负载传输，在此负载即放电电极。
如图3电气系统原理图所示，电源电压由操作台电压显示器V1显示，电源电压经调压器T调压后输送至升压变压器T1，调压电压由操作台V2显示，调压后电压经升压变压器升至所需电压后由V3显示，此时高压电流经升压变压器T1高压端输出至高压整流硅堆DL，在此采用全桥整流方式以提高充电效率，整流后的高压电流对储能电容器组进行充电，电路中电阻R1为充电保护电阻，R2为储能电容器组过压保护电阻。
2.2.1充电主回路设计
电容储能方式以其方便、快捷和易于测控等突出优点成为高压强流脉冲放电技术中最常用的一种。
充电部分由调压器T，升压变压器T1、高压整流硅堆D、限流电阻R和电容器C等元件组成。充电回路的作用就是将电能送入电容器中储存起来。恒流充电是利用高压直流电源对高压脉冲电容器进行充电，并且在充电过程中始终保持充电电流恒定的充电方法。 恒流充电时，电容器两端电压为：
恒流充电方法中，由于限流电阻阻值较小，因此，其充电时间短、速度快，可以提高高压强流脉冲放电装置的充电效率。高压强流脉冲放电装置一般采用恒流充电方式，恒流充电的效率一般均超过90%。
2.2.2电容参数设计
等离子体强声发生装置是利用液中等离子体放电而产生冲击波，这需要一个较高的击穿电压，一般选择10～30kV即可。同样电容器储能的情况下，电流陡度大产生冲击波的强度就大。这就要求工作电压高一些，回路电感尽量小，因此也要求电容器的内感要小。
本装置选用的储能电容器组参数为：0.3μF×4，最高充电电压30kV，由电容储能公式可以得到电容器不同电压值情况下的储能值。如表1所示，储能电容器组所选用电容器单个容量为0.3μF，一共由四只组成，充电到30kV时最高总储能为540J。
2.2.3放电主回路设计
主放电回路主要包括以下几个部件：储能电容器组、火花放电开关、传输电缆以及水下放电电极。在选择放电回路部件时，主要参数是放电电流的幅值有多大。
由经典电路理论列出回路方程：
放电开关与放电电缆是连接电容器组和放电电极之间的重要元件。在参数选择时应考虑冲击电流的大小及绝缘耐压能力。
2.2.4聚能反射罩设计
反射罩内表面为椭球曲面，放电电极放置在其第一焦点的位置上，根据椭球面聚焦原理，电极放电时所产生的强声能量聚焦在其第二焦点处，根据理论计算，第二焦点处能量密度最大，所产生的冲击压力也最强，在体外冲击波碎石机的应用中压强可达30～120MPa。
3水下等离子体液电冲击波测量与特性分析
3.1采集系统组成
如图4所示为水下等离子体液电冲击波测量采集系统框图，其系统组成包括：PCB瞬态压力传感器、多通道信号调理仪、PXI高速数据采集板卡和工控机。冲击波由瞬态压力传感器转变为电压信号并经过信号调理仪进行信号调理，电压信号由高速采集板卡进行采集并存储在计算机当中，使用Origin信号处理软件进行信号处理获得冲击波压力波形与频谱分布图。
3.2冲击波压力波形测量与特性分析
水下等离子体放电可以将电能直接转化为机械能、光能、声能等，而不需要其他的中间环节。在液体中一次放电能产生两次或多次冲击波。第一次冲击波是瞬间放电直接产生的，液体外移的速度超过放电通道的扩张速度，放电产生的气体形成很大的空泡；放电结束后液体以超声速度填充空泡，空泡闭拢后，在放电通道附近又一次向外扩张并形成第二次冲击波如图5所示，其瞬间冲击强度高达103kg/cm2数量级，冲击波脉宽为6～10ms。频谱图如图5所示，压力波能量主要分布在600Hz以内。
放电电极置于椭球面反射体的交点处，根据几何学和物理学的相关理论，冲击波经反射体反射后在第二焦点处聚焦，冲击波能量在此汇聚，波峰压力可达30～120MPa甚至更高。冲击波压力与放电电压和储能等因素相关，当冲击波峰值压力达到一定程度时可以对物体产生一定的机械损伤。将冲击波峰压值对应较高的声压级，可达250dB甚至更高。
4结论
（1）完成了水下等离子体液电系统设计与实现，分析了液电效应的产生机理、应用概况，进行了充放电电路与电容储能特性分析及计算。
（2）开展了水下等离子体液电冲击波瞬态特性测量，了解了水下等离子体放电特性，获得液电冲击波瞬态波形与声学幅频特性。
（3）测试结果表明，水下等离子体液电系统所产生冲击波具有瞬态压力峰值大，放电能量可随充电电压进行调节，系统工作频率高，工作稳定可靠。具有适合于地震勘探和振动采油所需的频谱特性，是一种较好的非炸药震源。且水下等离子体液电效应可广泛应用于水处理、液电成型、油井清沙、管道除垢、体外冲击波碎石、海洋勘探等领域。
参考文献：
[1]王莹.高功率脉冲电源.第一版，原子能出版社，1991.
[2]文遠芳.高电压技术.华中理工大学出版社，2001.
[3]赵智大.高电压技术.中国电力出版社，1999.
[4]方兴东等.高压脉冲放电在水处理中的应用级发展.高电压技术，2000，第5期，47～50.
[5]史荣.液电爆炸冲击波峰值测量机衰减规律.中国科学院电工研究所，1992.
[6]苏航.电爆冲击波理论与实际系统人工神经网络模型研究.大连理工大学博士学位论文.
[7]张禄荪.液电爆炸及其应用.电工电能新技术，1983.4.
[8]秦曾衍等.高压强脉冲放电及其应用.北京工业大学出版社，2000.
[9]孙冰.液相放电等离子体及其应用.科学出版社，2003.1.
[10]Nikiforov，A.Yu.；Leys，C..PlasmaCher/dstryandPlasmaProcessing.2006（26）4：415-423
[11]Zhao，GuiBing；John，Sanil；Zhang.ChemicalEngineeringScience，2007（62）8：2216-2227
[12]Sayapin，A.；Grinenko，A.；Efimov，S..ShockWayes，2006（15）2：73-80