高压电源在脉冲放电破碎领域的应用

前言

电致裂、电力学崩解、高压脉冲破碎近年来成为研究的热点，其应用颇为广泛如：珍贵矿石筛选如钻石、金矿石、各种宝石的分离、废旧电路板层间剥离、钻井装备中用于石油增产、煤矿中用于瓦斯释放等等。本文谈谈脉冲放电破碎的原理及高压电源结合脉冲功率技术的应用。

更新历史

2019年12月8日 - 初稿

作者：海伏科技——小涛（转载注明出处）
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高压脉冲破碎机理

高压脉冲破碎分为两种破碎机理，一种是利用电脉冲产生的冲击波将固体破碎称之为电脉冲液压法破碎；另一种是放电通道在固体内部利用放电通道的胀的张力将目标破碎称之为电力学崩解法。下面分别介绍一下两种方法。

电脉冲液压法破碎

电脉冲液压破碎是利用放电脉冲的能量诱发某种介电溶液（如水或者油）的爆破，然后在浸泡于溶液中的固体表面形成巨大的冲击波。当冲击波超出固体承载力上限时，变形成破裂。由于岩石等固体的抗压能力远大于抗拉伸能力，所以将放电电极置于岩石内部时冲击波可以进入岩石裂隙通过张力将其破裂。电脉冲液压破碎的放电负载可以做成圆柱形，这样可以将其插入到钻探设备的钻孔内。可用于岩壁瓦斯释放、石油增产等领域。

下图为客户提供，使用海伏科技的脉冲功率系统在透明样品上的实验：

图1：在透明样品上进行电脉冲破碎实验

图2：染色剂渗入裂纹中

透明样品上的孔是用钻头钻出的，将放电电极插入孔中并且注入粉色染色剂的水中，放电之后样品形成裂纹，染色剂渗入裂纹中。

图3：海伏科技小型脉冲功率系统

电力学崩解法破碎

无论哪种破碎方法电脉冲构成闭合回路的必要条件是形成等离子通道，什么是等离子通道呢？下面来个海伏（shan zhai）版的解释：我们都知道绝缘体之所以能绝缘是因为没有可自由移动的电子，最外层电子被原子核、化学键等束缚形成稳定的结构。只要外加的电场足够强电子就能将化学键破坏，形成带正电的正离子和带负点的负离子，这些离子在外加电场的作用下开始向相反的方向移动就可以形成电流，离子通道就这样建立起来了。离子通道为什么前面还有个“等”呢？由于电荷守恒、在电离前的分子是不带电的，那么电离之后形成的离子们必须是大小相等，极性相反的，这里的“等”就是正负电荷相等的意思。

形成等离子通道就是介质被击穿了是一个意思，不同物质有不同的击穿电压（确切说是击穿场强），下图就是固体、液体、气体的击穿电压和时间的关系：

图4：介质击穿电压与脉冲时间的关系

研究发现当脉冲上升沿较慢时，水的击穿电压低于固体，即其绝缘性远低于固体物质。然而当电压上升速度很快时，水的绝缘性会高于固体物质。那么介电破坏将优先出现在固体中而不是水或者油液中，即可在固体物质内部直接形成爆破的方法被称为电力学崩解法（electrodynamic disaggregation，简称ED）。

可以看到液体和固体的击穿场强在500ns附近相等，那么就要求电力学崩解法破碎脉冲前沿要小于500ns。

电脉冲破碎对电源系统的要求

和大多数脉冲功率系统一样，电脉冲破碎系统主要由高压电源（充电机）、储能电容、升压网络、脉冲开关、放电负载这几部分组成。根据不同的放电类型匹配出需求的电压和电流。

• 脉冲液压法破碎：由于等离子通道发生在水中，对脉冲前沿没有太高的要求，对注入能量要求较高，一般选择容值较大的储能电容。同时为了避免过大的电流损坏电容器还要在放电环路上加入适当的限流电感。

• 电力学崩解法破碎:由于希望等离子通道建立在固体内部，所以要求脉冲前沿小于500ns。另外电压决定了能破碎固体的体积所以此方法要求放电电压在100kV以上，在实现上通常采用30-50kV充电再经升压网络（Marx发生器等）达到100-200kV输出。

总结

电脉冲破碎相较于传统机械碎样法，该方法具有无尘环保、杜绝混染，微损耗、高回收，更大程度保留目标对象的粒度和形貌特征，以及低能耗的优势。多年来海伏科技不断积累电源方面的优势，深耕脉冲功率技术领域，如果您有关于任何关于电源方面的需求欢迎与我们联系。

参考资料

[1]吴晗,刘嵘,钟志华.一种新型的地质样品分离技术:电力学崩解法的工作原理及应用前景[J].地质科技情报,2016(06):263-267.