基于RSD的脈沖發(fā)生器破碎巖混材料實驗仿真

摘要 為了總結用于破碎巖混材料的脈沖發(fā)生器其設計原則和規(guī)律。通過應用一種反向晶體管開關，研制脈沖發(fā)生器進行破碎巖混材料實驗，并結合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。經研究發(fā)現，基于RSD脈沖發(fā)生器的輸出脈沖可高效破碎巖混材料，其具有安全可控無污染的優(yōu)點，有望代替炸藥爆破方式。

關鍵詞 高壓脈沖;反向晶體管開關;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部拉應力進行破碎，是一種節(jié)能、高效、安全的新技術。高壓放電法破碎用高壓脈沖發(fā)生器中，負責能量轉換的開關是一個關鍵器件，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)生器的開關部件多用火花開關，其缺點是易遭受放電損傷和放電不穩(wěn)定性。與氣體火花開關相比，半導體開關RSD具有更長的使用壽命及可靠性，但基于RSD開關的破碎巖混材料研究及應用卻鮮見報道。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良好的導通狀態(tài)對水擊發(fā)。機械開關k防止C0不必要的擊穿，允許在緊急情況下經過電阻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，利用半導體器件代替火花開關能增加設備壽命和放電穩(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)。此脈沖的幅度應高于C充電電壓，因此反向脈沖電流通過RSD1 堆，對其起開關作用。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 實驗結果及分析

2.1 實驗結果

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開關觸發(fā)使其導通，迅速將脈沖從電源經電纜傳向電極，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部的壓力波，當壓力波的壓強大于巖混材料內部的抗壓強度時，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。但高電壓脈沖參數直接與各種復雜應力波相關。

高壓脈沖幅值大，可導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過大。同時最佳極間距也與發(fā)生器電容值、電壓有關，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為無因次的復雜積分函數，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，可導致沖擊波的前沿陡峭，沖擊波的上升時間應足夠小，使其經過具有不同聲阻抗的介質表面時能充分反射。從上升時間來看，壓力波的壓力梯度較大，在沖擊波經具有不同聲阻抗的介質界面時，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，沖擊波的反射式為

其中，ρ為介質密度;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的拉伸壓力。而油的y值要小于水介質，會有更好的破碎效果。沖擊波壓力波形的半高寬應足夠小，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電纜傳向電極，在電極尖端擊穿同時發(fā)生等離子爆炸，產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構圖。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)化設計前后電子的運動軌跡。通過對比發(fā)現，優(yōu)化設計前電子運動軌跡為半球形，所產生的沖擊波為向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)化設計后的電子運動軌跡為垂直水平向下，這樣產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，水平方向產生的垂直剪切力最容易產生破碎，從而達到高效破碎巖混材料的目的。

圖7為優(yōu)化設計前后能量密度分布圖。通過對比發(fā)現優(yōu)化前能量主要集中在電極頂端邊緣和負極邊緣，而經過優(yōu)化設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，所產生的沖擊波此處最強。對于水平方向的拉應力貢獻最大，對巖混材料的破碎效果最好。

4 結束語

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論：(1)通過調整基于RSD脈沖發(fā)生器的輸出脈沖參數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鍵因素，可導致影響沖擊波的幅值及前沿，進而決定破壞效果。經測試，其高效破碎巖混材料的典型參數為：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，可有效提高設備的可靠性、增加設備壽命并能減少開關元件中能量的損失。(3) 通過優(yōu)化設計電極結構，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。