不同参数条件下水中脉冲放电的电学特性研究

　　0 前言

　　水中脉冲电弧放电可在瞬间产生高能的由内部高压向外膨胀的等离子体通道,借助水介质的弱压缩性实现电能到机械能的高速转化。它自从20世纪50年代由前苏联[1]开始系统研究以来已广泛应用于工业领域,如医学上的体外碎石[2]、机械加工中的液电成形[2]、水下声学和地震勘探中的等离子体声源[2~4]、环境工程中的水处理[5]以及岩土工程中的岩石破碎[6]。本研究所从80年代末开始的水下等离子体声源(即电火花震源)系列研究也取得了许多重要成果[2,7,8]。以前水下形成等离子体通道的电弧放电声学效率较低,电极材料腐蚀速度快,且声源在自由场水域激发时会产生多个压力波(只有第1个对地震勘探有效,后续的其他压力波则会对记录结果造成干扰)。上述缺陷一般可通过对记录的后处理加以一定的消除,但各项成本较高,最终只能从声源本身解决。一种无电弧通道导通的放电形式即所谓/电晕放电0[8,9]在稍低电压等级、较高电导率的盐水中也能产生强声脉冲。但这种完全液相的水中电晕放电在实验参数、现象和结果上都明显区别于气相及气液两相中的直流电晕放电[10]。目前国内外已有水中电弧放电[2~4,11~12]和应用于水处理(在污水或气液两相中)领域的水中电晕放电[13]的不少报道,但对于单一液相水介质、适于水下等离子体声源参数条件下的脉冲电晕放电,以及电弧、电晕两种放电形式的异同,其相关实验和理论结果都很少见于文献。本文给出了不同参数条件下水中脉冲放电实验的放电回路电压、电流波形结果,对比、分析和讨论了两种水下脉冲放电形式,最后总结并提出了建议和想法。

　　1 实验装置

　　实验装置(见图1)主要由充电回路、放电回路、放电容器和测量系统组成。放电电容器在充到期望电压后与充电回路断开。手动触发模块控制的气体火花间隙开关导通后放电回路闭合,放电电极两端并联的电阻分压器测量放电电压波形,串联同轴分流器测量回路电流波形。Tektronix TDS220数字示波器和PentiumII计算机组成测量系统,实现波形的自动采集和示波器监控。放电容器为一个0.6mx0.6mx0.8m的透明有机玻璃容器。放电电极为同轴电缆改制而成,没入水中部分由电缆内外包皮自然绝缘而仅在端部与铜质电极相连。“针-针对极”的电极间距可调以适应不同形式的放电需要。放电容器带有水循环系统以避免放电等因素对容器中水的污染。

　　2 实验结果与分析

　　2.1 水中脉冲电弧放电方式的实验结果

　　电容器C=12μF、电极间距d=3mm、自来水溶液电导率ρ=325μS/cm时,不同放电电压U下电弧放电全过程的电极间电压Ue波形见图2。显然放电的击穿过程是μs级的,但预击穿过程是ms级的。这与实验中所用电压等级较低(为对比研究两种放电方式的机理异同)有关,且不同于以前所作的大量ns、μs级水中脉冲放电实验。