高壓電源在脈沖放電破碎領域的應用

前言

電致裂、電力學崩解、高壓脈沖破碎近年來成為研究的熱點，其應用頗為廣泛如：珍貴礦石篩選如鉆石、金礦石、各種寶石的分離、廢舊電路板層間剝離、鉆井裝備中用于石油增產、煤礦中用于瓦斯釋放等等。本文談談脈沖放電破碎的原理及高壓電源結合脈沖功率技術的應用。

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2019年12月8日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉載注明出處）
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高壓脈沖破碎機理

高壓脈沖破碎分為兩種破碎機理，一種是利用電脈沖產生的沖擊波將固體破碎稱之為電脈沖液壓法破碎；另一種是放電通道在固體內部利用放電通道的脹的張力將目標破碎稱之為電力學崩解法。下面分別介紹一下兩種方法。

電脈沖液壓法破碎

電脈沖液壓破碎是利用放電脈沖的能量誘發某種介電溶液（如水或者油）的爆破，然后在浸泡于溶液中的固體表面形成巨大的沖擊波。當沖擊波超出固體承載力上限時，變形成破裂。由于巖石等固體的抗壓能力遠大于抗拉伸能力，所以將放電電極置于巖石內部時沖擊波可以進入巖石裂隙通過張力將其破裂。電脈沖液壓破碎的放電負載可以做成圓柱形，這樣可以將其插入到鉆探設備的鉆孔內。可用于巖壁瓦斯釋放、石油增產等領域。

下圖為客戶提供，使用海伏科技的脈沖功率系統在透明樣品上的實驗：

圖1：在透明樣品上進行電脈沖破碎實驗

圖2：染色劑滲入裂紋中

透明樣品上的孔是用鉆頭鉆出的，將放電電極插入孔中并且注入粉色染色劑的水中，放電之后樣品形成裂紋，染色劑滲入裂紋中。

圖3：海伏科技小型脈沖功率系統

電力學崩解法破碎

無論哪種破碎方法電脈沖構成閉合回路的必要條件是形成等離子通道，什么是等離子通道呢？下面來個海伏（shan zhai）版的解釋：我們都知道絕緣體之所以能絕緣是因為沒有可自由移動的電子，最外層電子被原子核、化學鍵等束縛形成穩定的結構。只要外加的電場足夠強電子就能將化學鍵破壞，形成帶正電的正離子和帶負點的負離子，這些離子在外加電場的作用下開始向相反的方向移動就可以形成電流，離子通道就這樣建立起來了。離子通道為什么前面還有個“等”呢？由于電荷守恒、在電離前的分子是不帶電的，那么電離之后形成的離子們必須是大小相等，極性相反的，這里的“等”就是正負電荷相等的意思。

形成等離子通道就是介質被擊穿了是一個意思，不同物質有不同的擊穿電壓（確切說是擊穿場強），下圖就是固體、液體、氣體的擊穿電壓和時間的關系：

圖4：介質擊穿電壓與脈沖時間的關系

研究發現當脈沖上升沿較慢時，水的擊穿電壓低于固體，即其絕緣性遠低于固體物質。然而當電壓上升速度很快時，水的絕緣性會高于固體物質。那么介電破壞將優先出現在固體中而不是水或者油液中，即可在固體物質內部直接形成爆破的方法被稱為電力學崩解法（electrodynamic disaggregation，簡稱ED）。

可以看到液體和固體的擊穿場強在500ns附近相等，那么就要求電力學崩解法破碎脈沖前沿要小于500ns。

電脈沖破碎對電源系統的要求

和大多數脈沖功率系統一樣，電脈沖破碎系統主要由高壓電源（充電機）、儲能電容、升壓網絡、脈沖開關、放電負載這幾部分組成。根據不同的放電類型匹配出需求的電壓和電流。

• 脈沖液壓法破碎：由于等離子通道發生在水中，對脈沖前沿沒有太高的要求，對注入能量要求較高，一般選擇容值較大的儲能電容。同時為了避免過大的電流損壞電容器還要在放電環路上加入適當的限流電感。

• 電力學崩解法破碎:由于希望等離子通道建立在固體內部，所以要求脈沖前沿小于500ns。另外電壓決定了能破碎固體的體積所以此方法要求放電電壓在100kV以上，在實現上通常采用30-50kV充電再經升壓網絡（Marx發生器等）達到100-200kV輸出。

總結

電脈沖破碎相較于傳統機械碎樣法，該方法具有無塵環保、杜絕混染，微損耗、高回收，更大程度保留目標對象的粒度和形貌特征，以及低能耗的優勢。多年來海伏科技不斷積累電源方面的優勢，深耕脈沖功率技術領域，如果您有關于任何關于電源方面的需求歡迎與我們聯系。

參考資料

[1]吳晗,劉嶸,鐘志華.一種新型的地質樣品分離技術:電力學崩解法的工作原理及應用前景[J].地質科技情報,2016(06):263-267.