樊愛龍， 孫鷂鴻， 徐旭哲， 嚴(yán) 萍

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100039； 3. 遼寧科技學(xué)院, 遼寧 本溪 117004)

單通道電火花震源及其放電實(shí)驗(yàn)研究

樊愛龍1,2,3， 孫鷂鴻1， 徐旭哲1， 嚴(yán) 萍1

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100039； 3. 遼寧科技學(xué)院, 遼寧 本溪 117004)

本文介紹了一套單通道電火花震源系統(tǒng)，主要包括充電和放電兩個(gè)單元。同時(shí)搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由充電機(jī)、電火花震源、數(shù)字示波器、高壓探頭和羅氏線圈電流傳感器等組成。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與總結(jié)，通過采用本文所述的單通道電火花震源進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，在不同電極材料、電壓和電極間距條件下，對(duì)水中等離子體的電特性進(jìn)行了分析。使用ORIGIN數(shù)據(jù)分析軟件觀察了等離子通道的電阻和放電功率在時(shí)間域的變化趨勢(shì)。通過比較總結(jié)，得出了放電電流、放電電阻和放電效率等與控制條件之間的關(guān)系規(guī)律。本文所提及的系列實(shí)驗(yàn)為自封閉電極腔等離子體震源的設(shè)計(jì)提供了參考。

電火花震源； 單通道； 放電換能器； 放電效率

1 引言

震源是產(chǎn)生地震信號(hào)的源頭，在勘探技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，它所激發(fā)的信號(hào)品質(zhì)直接關(guān)系到勘查的效果。

人工地震技術(shù)探測(cè)礦產(chǎn)資源的物理基礎(chǔ)是巖石的彈性差異，其過程可簡(jiǎn)述為：人工震源產(chǎn)生地震波，地震波在彈性不同的地層內(nèi)傳播，檢波器收集反射波和折射波，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，進(jìn)而勘探地層巖性和地下控礦結(jié)構(gòu)。震源可分為炸藥震源和可控震源兩種。由于炸藥震源具有良好的脈沖性能和較高的激發(fā)能量，所以，自20世紀(jì)20年代一直沿用至今作為資源勘查的震源。我國陸上石油勘探中，約95%都使用炸藥震源。其缺點(diǎn)是經(jīng)過鉆井、下藥和激發(fā)后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)需要大量人力；另外炸藥對(duì)環(huán)境具有破壞性和危險(xiǎn)性，使用前必須嚴(yán)格遵守有關(guān)安全規(guī)定。鑒于此，早在20世紀(jì)50年代以前就已開始研究非破壞性的可控震源。可控震源勘探技術(shù)是由美國康菲國際石油有限公司在1950年代發(fā)展起來的，目前國際上的陸地可控震源主要包括夯擊震源、空氣槍震源、電磁驅(qū)動(dòng)可控震源、液壓式可控震源、精密主動(dòng)可控震源以及電火花震源[1-3]。

非炸藥震源中使用最多的是電火花震源，它利用脈沖電容器組存儲(chǔ)電能，通過高壓放電開關(guān)使放電電極快速在水中釋放，借此產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力脈沖，與大地耦合作用形成地震波，可以在深、淺井和水域中激發(fā)。電火花震源最初是一種非常低頻率的水下等離子體聲源，水下火花放電產(chǎn)生一個(gè)高壓等離子體和蒸汽泡沫，不斷擴(kuò)大和崩潰，產(chǎn)生一個(gè)巨大的聲音，其頻率大部分在20～200Hz之間[4-7]。之后在等離子體聲源的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，應(yīng)用于垂直地震剖面測(cè)井及陸地勘探，成為可以陸用的電火花震源。1966年，美國人J. W. Miller取得了陸地電火花震源的專利[8]。中國科學(xué)院電工研究所在20世紀(jì)60年代與石油部合作進(jìn)行了海洋電火花震源的研制工作，1975年與大港油田合作進(jìn)行了石油地震勘探陸地電火花震源的研制，1980年研制了一種用于中、淺層陸地勘探的ZY-80電火花震源[9]，并與山東煤田地質(zhì)勘探公司共同在濟(jì)寧煤田進(jìn)行了試驗(yàn)，表明電火花震源所得的剖面用于地質(zhì)解釋是可行的；20世紀(jì)90年代又進(jìn)行了電火花震源在垂直地震剖面測(cè)井、井間地震、振動(dòng)采油和工程勘探等方面的應(yīng)用研究，取得了較好的應(yīng)用效果[10-17]。“十一五”期間，在國家863計(jì)劃資助下，電工研究所進(jìn)行了20kJ海洋大容量電火花震源的研制，主要用于深海海域的油氣田井場(chǎng)和路由勘察以及環(huán)境工程和基礎(chǔ)研究。國家海洋局第一海洋研究所等單位在“十五”期間也進(jìn)行了淺水的高分辨率多道淺地層探測(cè)系統(tǒng)研制工作，取得較好的應(yīng)用效果。中國中鐵股份有限公司中鐵西南科學(xué)研究院研制的ZDF-3型便攜式大容量大功率電火花震源重量只有35kg，激發(fā)能量可達(dá)10kJ[14]。荷蘭地理資源公司研制的16kJ多電極等離子體震源，可以用于深海淺地層研究。近年來，隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，脈沖電源的功率密度和能量密度不斷提高，電火花震源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日趨緊湊，且電源模塊化使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以方便拆卸和組合，在移動(dòng)和便攜方便的優(yōu)勢(shì)日漸顯著。

電火花震源主要利用大電流放電的液電效應(yīng)，放電電極需要處在液體介質(zhì)中，一般陸地震源使用時(shí)需在水井中或挖坑注水，而可用于無水地區(qū)的電火花震源研究鮮有報(bào)道。本文所介紹的單通道電火花震源適于山區(qū)等無水環(huán)境，使用高效地面換能器技術(shù)，以期為我國的金屬礦地震勘探提供必要的技術(shù)支持。

2 震源設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 主電路設(shè)計(jì)

此處所介紹的“單通道”電火花震源是相對(duì)于后續(xù)所設(shè)計(jì)的“多通道”電火花震源而言的，它產(chǎn)生一路高壓脈沖信號(hào)，在放電換能器中轉(zhuǎn)換為一路沖擊波信號(hào)?！岸嗤ǖ馈彪娀鸹ㄕ鹪磩t產(chǎn)生多路沖擊波信號(hào)，可以是多個(gè)“單通道”震源的簡(jiǎn)單組合產(chǎn)生多路沖擊波信號(hào)，也可以是一個(gè)震源或幾個(gè)震源產(chǎn)生多路沖擊波信號(hào)。

單通道電火花震源的主電路如圖1所示，主要包括充電單元、放電單元兩個(gè)部分。充電單元主要由調(diào)壓裝置、整流電路、充電電阻和隔離硅堆等構(gòu)成，主要功能是產(chǎn)生電壓幅值連續(xù)可調(diào)的直流電源向儲(chǔ)能電容充電；放電單元主要由儲(chǔ)能電容、泄放電阻、泄放開關(guān)、電阻分壓器電壓測(cè)量電路、晶閘管、緩沖電路、放電電纜和放電換能器等構(gòu)成，主要功能是通過控制晶閘管開通將儲(chǔ)能電容上存儲(chǔ)的電荷在放電電極中瞬間釋放。單通道電火花震源的主要工作原理是220V交流市電經(jīng)過調(diào)壓器、整流電路、充電電阻、隔離硅堆變?yōu)殡妷悍悼烧{(diào)的高壓直流電(0～5kV)儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電容C上，當(dāng)晶閘管的門極接收到有效觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管SCR導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容C經(jīng)晶閘管SCR、放電電纜向放電電極中的多電極束放電，產(chǎn)生沖擊壓力波，通過與地面耦合，最終形成地震波。

圖1 主電路圖Fig.1 Schematic diagram of main circuit

設(shè)置充電電阻的目的為：①在系統(tǒng)充電時(shí)，限制過高的充電電流，進(jìn)而保護(hù)儲(chǔ)能電容和整流電路；②當(dāng)電容發(fā)生短路擊穿時(shí)，限制短路電流，以免造成調(diào)壓裝置損壞。設(shè)置隔離硅堆的主要目的是防止晶閘管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生過高的反向電壓和電流，串入到充電單元造成充電單元的損壞，實(shí)質(zhì)上在充電單元和放電單元之間起到隔離作用。設(shè)置泄放電阻和泄放開關(guān)的目的在于泄放充電或放電過程中儲(chǔ)能電容中的殘余電荷。設(shè)置電阻分壓器電壓測(cè)量電路的目的是取樣充電電壓，在機(jī)箱儀表盤顯示，以便實(shí)時(shí)觀察，避免電壓過沖。設(shè)置緩沖電路的目的是對(duì)晶閘管開通和關(guān)斷過程實(shí)施保護(hù)，吸收晶閘管在導(dǎo)通關(guān)斷瞬間的尖峰電壓，減小晶閘管的應(yīng)力，同時(shí)放慢開關(guān)管的速度，降低du/dt，吸收尖峰，緩沖及減小開關(guān)損耗作用，此外也利于改善整機(jī)的電磁兼容環(huán)境。

負(fù)載為放電電纜和放電換能器，放電換能器如圖2所示。放電換能器主要由金屬蓋、緩沖彈簧、上部絕緣套筒、多電極束、金屬上筒、可更換式下筒及下部絕緣套筒等組成。上部絕緣套筒套設(shè)在多電極束的上部，金屬上筒內(nèi)部設(shè)有卡位，上部絕緣套筒和多電極束整體置于金屬上筒內(nèi)部的卡位處，上下絕緣套筒、多電極束以及可更換式下筒圍成放電空腔，放電空腔內(nèi)注滿鹽液體，多電極束下部置于3%的鹽液體中；金屬上筒與金屬蓋通過螺紋連接，上部絕緣套筒與金屬蓋之間具有緩沖腔，緩沖腔內(nèi)設(shè)有緩沖彈簧。放電換能器是單通道電火花震源設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新之處，其中封閉腔體的設(shè)計(jì)使該震源適合于無水環(huán)境的陸地勘探；筒狀設(shè)計(jì)解決了電極放電端部易破碎和液體空間不足的問題；電極下端圓柱形絕緣電纜束的設(shè)計(jì)解決了電極易燒蝕的問題，電纜束不留空隙地捆扎在一起也節(jié)省了電極下端的封閉空間；分層設(shè)計(jì)使拆卸和更換電極、倒入液體等更加方便；分體設(shè)計(jì)也使測(cè)量更加方便；可更換式下部?jī)?nèi)絕緣筒的設(shè)計(jì)使得電極的間距能夠調(diào)節(jié)，便于試驗(yàn)的對(duì)比分析和電暈、電弧放電的有效選擇，增加了現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)調(diào)節(jié)的靈活性；更重要的是緩沖腔及緩沖彈簧的設(shè)計(jì)增加了震動(dòng)波的低頻成分，它能有效減少振動(dòng)波在地下的衰減，進(jìn)而提高震源的放電效率。

圖2 換能器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Transducer structure diagram

2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

單通道電火花震源的具體參數(shù)為：可在輸出電壓5 kV的狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，爆發(fā)式運(yùn)行的電壓最大值為5.5kV，輸出電壓連續(xù)可調(diào)；可承受10kA的放電電流；可調(diào)整的延時(shí)時(shí)間為1～9999μs，延時(shí)輸入方式為撥碼開關(guān)設(shè)置；脈沖延時(shí)抖動(dòng)為1μs，脈沖寬度為100～500μs；所激發(fā)地震波的頻率范圍為10～300Hz。

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)說明

記錄儀器采用Tektronix TPS 2024B示波器，帶寬200MHz，采樣率2GS/s；放電電壓使用Tek P6015A(帶寬75MHz，分壓比1000:1)電壓探頭測(cè)量；晶閘管支路電流使用同軸分流器，換能器放電電流使用Pearson6600線圈測(cè)量，其變比為0.1 V/A。各實(shí)驗(yàn)裝置的連接圖如圖3所示。晶閘管的負(fù)極端與放電電纜的中心銅線相連，放電電纜的網(wǎng)狀導(dǎo)電層與儲(chǔ)能電容的負(fù)極相連；觸發(fā)器的輸出正負(fù)極分別連接所述晶閘管的控制端與負(fù)極端，由延時(shí)控制電路控制觸發(fā)器工作，進(jìn)而控制晶閘管的導(dǎo)通與閉合。在放電電極端，放電電極嵌入到地下，放電電極的多電極束引出端與放電電纜的中心銅線相連，放電電極的金屬蓋負(fù)極端子經(jīng)高壓線與放電電纜的網(wǎng)狀導(dǎo)電層相連，羅氏線圈互感器(電流線圈)套在高壓線上，傳感頭接入到示波器的CH1通道，電壓探頭搭接在電纜束的引出端，另一端接入到示波器的CH2通道。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic view of experimental set-up

3 單通道電火花震源放電實(shí)驗(yàn)

利用所設(shè)計(jì)的單通道電火花震源進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)，研究了不同電極材料、電極數(shù)目、電壓、電極間距對(duì)放電電流、放電等效電阻、放電效率的影響。

3.1 不同電極材料的放電實(shí)驗(yàn)

我們分別選擇了一種金屬材料和一種絕緣材料作為放電換能器下筒。金屬材料時(shí)，由于金屬筒與電纜的負(fù)極端設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，正極為高壓束狀電極，負(fù)極為金屬下筒，當(dāng)觸發(fā)SCR導(dǎo)通時(shí)，被存儲(chǔ)在高壓電容器中的電荷瞬間在鹽溶液中釋放，放電等離子體電流通道絕大部分自上而下直達(dá)金屬下筒底部。當(dāng)放電換能器下筒為絕緣材料時(shí)，正極為高壓束狀電極，負(fù)極為金屬上筒，放電等離子體電流通道類似于開口向上的拋物面。由于在放電通道的方向、路徑和體積上有差別，此處通過實(shí)驗(yàn)比較放電換能器下筒為金屬材料和絕緣材料時(shí)放電等離子體液體傳導(dǎo)電流通道的變化對(duì)電流波形的影響程度。

使用絕緣筒電極材料和金屬筒材料電極在3.8cm間距和4600V電壓條件下典型的放電電流波形分別如圖4和圖5所示。經(jīng)轉(zhuǎn)換后，圖4和圖5中的峰值放電電流分別約為460A 和485A，即使用金屬材料電極所獲得的放電電流略大于使用非金屬材料電極所獲得的放電電流。

圖4 使用絕緣筒獲得的放電電流波形Fig.4 Discharge current waveform of insulating tube

圖5 使用金屬筒獲得的放電電流波形Fig.5 Discharge current waveform of metallic outer tube

當(dāng)放電電壓、電極間距相同的條件下，所測(cè)得的電流波形和所合成的放電電阻波形沒有發(fā)生明顯的變化，典型的放電電壓、電流和電阻波形如圖6所示。

圖6 典型的放電電壓、電流和電阻波形Fig.6 Typical discharge voltage，current，and resistance waveforms

當(dāng)分別采用金屬材料和絕緣材料作為放電換能器下筒時(shí)，在相同位置檢波器所檢測(cè)的地震波強(qiáng)度有差別，地震波波形如圖7所示?？梢钥闯觯饘俨牧献鳛榉烹姄Q能器下筒時(shí)，地震波峰值強(qiáng)度小于采用絕緣材料時(shí)的波峰值強(qiáng)度。由于放電電流差別不大，故原因在于沖擊波經(jīng)不同換能器下筒傳導(dǎo)上的差別。

圖7 采用金屬材料和絕緣材料下筒時(shí)典型的地震波波形Fig.7 Typical seismic wave waveforms of discharge of metal and insulation materials

3.2 不同電壓條件下的放電實(shí)驗(yàn)

圖8 2cm電極間距和2kV電壓條件下的放電電阻Fig.8 Curve of discharge resistance under conditions of 2cm gap distance and voltage of 2kV

圖9 2cm電極間距和4.8KV電壓條件下的放電電阻Fig.9 Curve of discharge resistance under conditions of 2cm gap distance and voltage of 4.8kV

圖10 2cm電極間距和2kV電壓條件下的功率曲線Fig.10 Curve of discharge power under conditions of 2cm gap distance and voltage of 2kV

圖11 2cm電極間距和4.8kV電壓條件下的功率曲線Fig.11 Curve of discharge power under conditions of 2cm gap distance and voltage of 4.8kV

可以看出，放電等離子體通道的電阻和功率的變化趨勢(shì)是相同的，但在2kV放電時(shí)等離子通道的低電阻持續(xù)時(shí)間比4.8kV放電時(shí)要大。在放電前期，等離子通道的電阻值都在4Ω左右。經(jīng)轉(zhuǎn)換，2kV放電條件下，放電能量約為242J，放電效率約為 75.6%；4.8kV放電條件下，放電能量約為1493J，放電效率約為80.9%。從圖8～圖10和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出，隨著電壓的提高，放電等離子體的電能轉(zhuǎn)化率也隨之增加。

在高壓電容器大小、放電換能器和液體濃度相同的情況下，經(jīng)計(jì)算，4.8kV放電時(shí)的放電電能是2kV放電時(shí)的6倍之余，但在同一地點(diǎn)，檢波器所檢測(cè)到的地震波峰值能量卻僅不到3倍，如圖12所示。此處與3.1節(jié)結(jié)論相互印證，放電換能器對(duì)地震波能量的影響高于放電電壓的影響。

圖12 4.8kV和2kV時(shí)典型的地震波波形Fig.12 Typical seismic waveforms under conditions of 2kV and 4.8kV

3.3 不同電極間距條件下的放電實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中電極間隙距離從1cm開始，每一輪實(shí)驗(yàn)間隔增加1cm，直到電極間距調(diào)整為6cm。圖13～圖15分別為電極間距為1cm、2cm和4cm，放電電壓為3.75kV時(shí)的典型的電流波形。

圖13 1cm電極間距和3.75kV電壓時(shí)典型的電流波形Fig.13 Typical discharge current waveform under conditions of 1cm gap distance and voltage of 3.75kV

圖14 2cm電極間距和3.75kV電壓時(shí)典型的電流波形Fig.14 Typical discharge current waveform under conditions of 2cm gap distance and voltage of 3.75kV

圖15 4cm電極間距和3.75kV電壓時(shí)典型的電流波形Fig.15 Typical discharge current waveform under conditions of 4cm gap distance and voltage of 3.75kV

從圖13～圖15和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，相同電極間隙距離時(shí)，放電電流波形基本一致。而當(dāng)電極間隙距離改變時(shí)，放電電流開始變化，且當(dāng)放電電極間隙距離大于4cm時(shí)，電流變化較小；間隙距離小于4cm時(shí)，隨著電極間距的減小，放電電流增加顯著，但是同時(shí)發(fā)生電弧放電的概率變大。此處結(jié)論雖是利用本文采用的電極得出的，但是不失一般性，針對(duì)其它結(jié)構(gòu)的電極，也有類似的極限值。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套單通道電火花震源系統(tǒng)，可在5kV的狀態(tài)下穩(wěn)定工作，脈沖寬度為100～500μs，可承受1.5kA的放電電流。介紹了單通道電火花震源系統(tǒng)的工作原理，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。放電實(shí)驗(yàn)表明，無論采用金屬材料還是絕緣材料作為換能器下筒，放電電流波形基本一致，使用金屬電極材料時(shí)放電電流略大于使用絕緣材料時(shí)，但是檢測(cè)到的地震波能量卻小于使用絕緣材料檢測(cè)到的地震波能量。不同電壓條件下，放電等離子體通道的電阻和功率的變化趨勢(shì)是相同的，但等離子通道的低電阻持續(xù)時(shí)間隨著電壓的提高而減小，電效率也隨著電壓的升高而增加；放電換能器對(duì)地震波能量的影響甚至高于放電電壓的影響。相同電極間隙距離時(shí)，放電電流波形基本一致；當(dāng)電極間距小于某個(gè)值時(shí)，隨著間距的減小，放電電流增加顯著，但是發(fā)生電弧放電的概率變大。

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[17] 盧松, 于維剛, 陳俊棟, 等 (Lu Song, Yu Weigang, Chen Jundong, et al.). 1萬焦耳電火花震源在大距離地層CT 中的應(yīng)用 (Application of 10kJ ZDF-3 sparker on large distance layer CT) [J]. 聲學(xué)技術(shù) (Technical Acoustics), 2013, 32(6): 452-457.

Single channel electric spark source and discharge experimental study

FAN Ai-long1,2,3, SUN Yao-hong1, XU Xu-zhe1, YAN Ping1

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Liaoning Institute of Science and Technology, Benxi 117004, China)

In this paper, a set of single channel electric spark source system is introduced, which mainly includes two units of charging and discharging. At the same time, the experiment platform is built, which is composed of charger, electric spark source, digital oscilloscope, voltage probe, and Rogowski coil current sensor. The discharge experiment is carried out by using the single channel electric spark source. Under different electrode materials, different voltages and electrode spacings, the electrical characteristics of the plasma in water are analyzed. By using the ORIGIN data analysis software, the variation trends of the plasma channel resistance and the discharge power in the time domain are observed. By comparison, the relationship between discharge current, discharge resistance, discharge efficiency and control conditions are obtained. The series experiments mentioned in this paper provide a reference for the design of the plasma source of the self enclosed cavity.

electric spark source; single channel; discharge transducer; discharge efficiency

2015-11-17

國家重大科研裝備研制項(xiàng)目(ZDYZ2012-1-06-02)、 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277171；11411130178)

樊愛龍(1976-)， 男， 吉林籍， 副教授， 博士研究生， 研究方向?yàn)槊}沖放電技術(shù); 孫鷂鴻(1968-)， 男， 安徽籍， 研究員， 博士生導(dǎo)師， 研究方向?yàn)楦邏捍箅娏髅}沖放電技術(shù)、 大功率高頻高壓電源技術(shù)(通信作者)。

TM89

A

1003-3076(2016)05-0048-07