ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для разрушения горных пород, обработки жидких стоков и т.п. мощными электрическими разрядами и может быть использовано в химической, строительной и в горнодобывающей промышленности.

Электроразрядные технологии находят широкое применение в промышленности и технике и основные из них рассмотрены в [Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроискровая дезинтеграция материалов. Изд.: Апатиты, 2002. 325 с.]. В ней на стр.15, рис.1.4 показана технологическая схема генератора и рабочего инструмента. Применяемые для электроразрядных технологий импульсные источники питания имеют в своей основе генератор Аркадьева-Маркса [Коршунов Г.С., Киселев Г.А., Фортес Ю.Б. Журн.: Электронная обработка материалов. 1969, №4, с.41-46], который через высоковольтный кабель и разделительный разрядник подключен к рабочему инструменту. Но передача высоковольтного импульса большой энергии на большие расстояния, в ряде случаев, становится экономически и технологически не рациональна. В подобных условиях применяют погружные генераторы [авт. свид. №728220; Кривоносенко А.В., Семкин Б.В. Генератор высоковольтных импульсов, ПТЭ. 1982, №6, с.73-75].

Известен ряд схемных решений исполнения генераторов для электроразрядных технологий, в основу которых положены системы питания сильноточных ускорителей [RU, пат. на ПМ №41951, Бюл. 31, 2004], имеющие на выходе согласующие повышающие трансформаторы, расположенные в общем корпусе с формирующей линией и разрядником.

Наиболее компактные импульсные источники высоковольтных импульсов разработаны для линейных индукционных ускорителей, в которых в общем корпусе расположен емкостной накопитель, коммутатор, индукционная система [авт. свид. СССР №1609421, №605512], причем в ряде случаев в качестве ступеней сжатия импульсов используются дроссели насыщения [RU патент №2089042, авт. свид. СССР: №1521224, №1503675].

В качестве прототипа принимаем импульсный генератор, содержащий двойные полосковые формирующие линии с ферромагнитной индукционной системой, коммутируемые многоканальным неуправляемым искровым разрядником, импульсный трансформатор, высоковольтный изолятор, размещенные в общем цилиндрическом корпусе, к генератору подключают нагрузку, в том числе рабочий инструмент [Фурман Э.Г. Низкоимпедансные полосковые формирующие линии линейных индукционных ускорителей. ПТЭ, №5, 1987, с.26-31]. Применение такого генератора экономически не выгодно из-за большого веса индукционной системы, плохого согласования двойных формирующих линий с нагрузкой, работающей в режиме короткого замыкания. Недостатком является и то, что при бурении скважин в твердых породах компоновочная схема таких генераторов не позволяет обеспечить требуемые минимальные диаметры устройства.

Основным техническим результатом изобретения является повышение КПД преобразования электрической энергии в механическую энергию разрушения горных пород, повышение энергии и импульсной мощности в электроразрядных промежутках рабочего инструмента либо наконечника другого типа.

Технический результат предложенного решения достигается тем, что в погружном электроразрядном генераторе, содержащем полосковую формирующую линию, соединенную с многоканальным неуправляемым искровым разрядником и импульсным трансформатором, после которого расположен высоковольтный изолятор, размещенные в цилиндрическом корпусе и рабочий инструмент, согласно предложенному решению рабочий инструмент подключен к вторичным обмоткам импульсного трансформатора через согласующую коаксиальную линию, корпус снабжен цилиндрической рубашкой, при этом в корпусе соосно с ним расположен центральный канал.

Целесообразно, чтобы многоканальный неуправляемый искровой разрядник был выполнен с радиально сходящимися электродами-анодами, охваченными ферромагнитными сердечниками, и расположенными вокруг цилиндрического катода, при этом ферромагнитные сердечники были охвачены встречно-параллельно короткозамкнутыми витками, образующими двухпроводные линии с общим волновым сопротивлением ρ<U/2i_μ, где U - коммутируемое напряжение, i_μ - ток перемагничивания ферромагнитного сердечника при этом напряжении.

Также целесообразно, чтобы электроды полосковой формирующей линии были разделены на несколько частей-обкладок каждая с выводом по центру обкладок, уложены по спирали Архимеда вокруг центрального канала на основание, выполненное из диэлектрика, потенциальные обкладки были подключены к катоду разрядника, а другие - к общей точке подключения первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора.

Пример конкретного выполнения. Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4, где на фиг.1 приведено осевое сечение погружного электроразрядного генератора, на фиг.2 - электрическая схема, на фиг.3 приведено горизонтальное сечение согласно фиг.1, многоканального неуправляемого искрового разрядника (А-А), на фиг.4 - сечение полосковой формирующей линии (В-В), а на фиг.5 - сечение в области импульсного трансформатора (С-С).

Погружной электроразрядный генератор состоит из корпуса 1, снабженного цилиндрической рубашкой, выполненного из двух соосных цилиндров, в котором расположены многоканальный неуправляемый искровой разрядник 2 с анодным делителем, полосковая формирующая линия 3, импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником 4 и радиально распределенными вторичными секторными обмотками 5. Согласующая коаксиальная линия 6 подключает рабочий инструмент 7 к вторичным обмоткам 5 импульсного трансформатора, 8 - разрушаемая порода, 9 - кабель питания от наземного источника. Дополнительно на фиг.1 указаны: Х - ось симметрии, Н - ширина обкладок полосковой формирующей линии, А-А, В-В, С-С горизонтальные сечения. Стрелками указано направление движения бурового раствора в центральном канале и в рубашке корпуса 1.

На фиг.2 приведена электрическая схема, на которой обозначено: 10 - первичный емкостной накопитель, 11 - повышающий трансформатор, 12 - тиристор. Эти элементы образуют наземный источник питания, подключенный через кабель 9 к погружному генератору.

На фиг.3, сечение А-А фиг.1, показано исполнение многоканального неуправляемого искрового разрядника 2, содержащего: кольцевой катод 13 - потенциальный электрод, анодное кольцо 14 с электродами-анодами 15 (восемь каналов), выполненными штырьевыми радиально сходящимися, 16 - ферромагнитные сердечники, 17 - короткозамкнутые витки (минимум два), включенные параллельно - встречно. Их число выбирается исходя из величины погонной емкости и индуктивности двухпроводной линии, которую они образуют. Стрелками указано направление токов в электродах 15 и короткозамкнутых витках 17.

На фиг.4, сечение В-В фиг.1, показано: 18 - основание, выполненное из диэлектрика, на котором расположена полосковая формирующая линия 3, состоящая из n обкладок (n=4): двух потенциальных обкладок 19, подключенных в центральной части к катоду 13 многоканального неуправляемого искрового разрядника 2 (фиг.1, фиг.3), и двух обкладок 20, подключенных к общей точке соединения обмоток 5 импульсного трансформатора (фиг.1). Дополнительно указана Δ - толщина изоляции. Поскольку выводы обкладок 19 и 20 находятся посередине (фиг.1), то при n - обкладках имеем n параллельно включенных линий с волновым сопротивлением:

и общей емкостью:

где ε₀=8,85·10^-12 Ф/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции; Δ - толщина изоляции, L - длина одной обкладки; Н - ширина обкладок полосковой формирующей линии.

На фиг.5, сечение С-С, дополнительно показано: 21 - диск с отверстиями, 22 - центральный канал, выполненный из металлической трубы, 23 - высоковольтные шпильки - выводы вторичных обмоток 5, 24 - опорный центральный изолятор, 25 - высоковольтный изолятор, расположенный после импульсного трансформатора Элементы: внутренний цилиндр корпуса 1, диск 21 и центральный канал 22 образуют первичный виток импульсного трансформатора.

Принцип работы погружного электроразрядного генератора следующий. По корпусу 1 (фиг.1) и центральному каналу 22 протекает буровой раствор. В зоне согласующей коаксиальной линии 6, рабочего инструмента 7 и на поверхности разрушаемой породы он образует изоляционные промежутки. При включении тиристора 12 (фиг.2) первичный емкостной накопитель 10 внешнего источника питания колебательно разряжается на емкость полосковой формирующей линии 3 через повышающий трансформатор 11 и кабель питания 9, размагничивая при этом ферромагнитный сердечник 4 импульсного трансформатора. При достижении напряжения самопробоя одного из каналов многоканального неуправляемого искрового разрядника 2, этот канал пробивается и за счет анодного делителя в течение ˜10^-9 с включаются остальные каналы. Происходит разряд емкости полосковой формирующей линии 3 через импульсный трансформатор на емкость согласующей коаксиальной линии 6. На искровых промежутках рабочего инструмента 7 появляется быстро нарастающее напряжение, которое пробивает некоторые из них, а в других готовит условия пробоя.

Использование воды с ε=81 в качестве бурового раствора экологически чистое производство, а главное, позволяет иметь высокую плотность энергии в диэлектрике 0,5εε₀·Е² _m, где E_m - допустимая напряженность электрического поля в согласующей линии 6. Это позволяет исключить паразитные индуктивности в цепи передачи энергии к рабочему инструменту и иметь максимальные значения токов в формирующихся каналах разрушения породы 8. Интеграл от квадрата амплитуды тока по времени определяет в первый момент времени фазовый переход твердого тела в слабоионизированную плазму, которая и создает сверхвысокие давления, приводящие к разрушению породы 8.

При использовании согласующей коаксиальной линии 6 и условии:

где С₃ и С₆ емкости полосковой формирующей линии 3 и согласующей коаксиальной линии 6; К - коэффициент трансформации (К>>1); конструктивный параметр (сечение стали сердечника 4) наименьший и он практически не влияет на амплитуду первого импульса тока, разрушающего породу.

Время передачи энергии из емкости полосковой формирующей линии 3 в емкость согласующей коаксиальной линии 6 зависит от индуктивности коммутируемой цепи и определяется числом искровых каналов в многоканального неуправляемого искрового разряднике 2, фиг.1, фиг.3, где изображено восемь искровых промежутков. Поскольку многоканальный искровой разрядник 2 неуправляемый, вероятность параллельного пробоя даже двух каналов мала. Искровые промежутки имеют одинаковые емкости и симметричные токовые поверхности - цепи подключения. Пробой любого искрового промежутка вызовет ток в электроде-аноде 15, который, в свою очередь, - индуктивное падение напряжение на нем, так как начнет перемагничиваться ферромагнитный сердечник 16. Короткозамкнутые витки 17 охватывают электроды-аноды 15 и ферромагнитные сердечники 16. В контуре, вокруг перемагничивающегося сердечника, возникает вихревая ЭДС, которая заряжает погонную емкость С_п через погонную индуктивность L_п короткозамкнутых витков 17 как двухпроводной линии с волновым сопротивлением в обе стороны от пробившегося искрового промежутка в короткозамкнутых витках 17 протекают токи, равные U/ρ. Эти токи, охватывая ферромагнитные сердечники 16 не пробившихся промежутков, вызывают переменный магнитный поток, который в электродах-анодах вызывает ток, подзаряжающий межэлектродную емкость соседних искровых промежутков, пока они не пробьются. Время перемагничивания ферромагнитных сердечников τ определяется временем пробега волны от пробившегося промежутка до противоположного непробившегося, т.е. длиной половины окружности короткозамкнутых витков 17:

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции короткозамкнутых витков, Δτ - время статистического разброса пробоя искровых промежутков в быстро нарастающем электрическом поле. Скорость роста напряжения на межэлектродной емкости невключившихся искровых промежутков определяется током в короткозамкнутых витках, который должен быть значительно больше удвоенного значения тока перемагничивания i_μ ферромагнитного сердечника при напряжении на витке, равном напряжению заряда емкости полосковой формирующей линии 3. Отсюда получаем условие на волновое сопротивление короткозамкнутых витков 17 как двухпроводной линии:

При пробое всех искровых промежутков в короткозамкнутых витках 17 устанавливается ток, равный половине тока коммутации одним искровым каналом i_к, в случае двух витков, или i_к/2n - в случае применения n короткозамкнутых витков, при этом n - четное число. Ампервитки перемагничивания ферромагнитных сердечников 16 при пробое всех промежутков уравновешиваются и индукция в них не изменяется. Если ток в каком-либо искровом промежутке начнет изменятся, то возникает ЭДС самоиндукции, которая выравнивает токи, протекающие по электродам-анодам 15. Число искровых промежутков в многоканальном неуправляемом искровом разряднике 2 выбирается из условий:

1. Один искровой промежуток должен коммутировать заряд <10^-3К, что гарантирует малую эрозию электродов и долговечную работу.

2. Обеспечение требуемой индуктивности L_к цепи коммутации, так в этом случае гарантируется время нарастания фронта импульса напряжения на буровом инструменте

Величина передаваемой разрушаемой породе энергии определяется напряжением полосковой формирующей линии 3 и ее емкостью С₃. Величину емкости С₃ легко регулировать и выбирать за счет ширины обкладок Н, так как длина погружной части, как правило, не лимитируется (2), а при увеличении ширины обкладок будет уменьшаться волновое сопротивление Z (1) и увеличиваться амплитуда импульсов тока в разрядных промежутках рабочего инструмента 7. Предложенное решение подключения обкладок 19, 20 (фиг.4) позволяет обеспечить надежность токовых соединений и минимизировать величину индуктивности подключения, обеспечить симметрию электромагнитных полей в устройстве, что исключает перенапряжения и выравнивает электродинамические усилия в элементах конструкции.

Отметим, что в предложенном погружном электроразрядном генераторе вся изоляция работает на сжатие. В многоканальном неуправляемом искровом разряднике 2 кольцевой катод 13, расположенный на центральном канале 22, и внутренние выступы, выполненные в верхней части корпуса 1, стягивают изоляторы 26 и они могут работать при высоких давлениях и на больших глубинах, причем с увеличением давления рабочего газа уменьшаются длины искровых промежутков в многоканальном неуправляемом искровом разряднике 2, а следовательно, и их индуктивность.

Таким образом, заявленный технический результат: повышение КПД преобразования электрической энергии в механическую энергию разрушения горных пород, повышение энергии и импульсной мощности в рабочем инструменте считаем доказанным.

Использование предлагаемого изобретения позволит проводить разрушение горных пород по экологически чистой технологической схеме за счет применения бурового раствора без вредных химических компонентов.

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для электроимпульсной обработки материалов, проходки глубоких скважин в твердых породах. Погружной электроразрядный генератор содержит формирующую линию (3) из n обкладок с выводами в центре обкладки, неуправляемый многоканальный разрядник (2) с электродами-анодами, радиально расположенными вокруг цилиндрического катода, внутри которого проходит центральный канал, повышающий импульсный трансформатор с коаксиальной формирующей линией, подключенной к рабочему инструменту. В корпусе-рубашке (1) выполнен цилиндрический канал для промывки выходного изолятора и изоляции согласующей линии (6). Техническим результатом является повышение экологической чистоты технологической схемы, повышение КПД, энергии и импульсной мощности, выделяемой в разрядных промежутках рабочего инструмента. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Погружной электроразрядный генератор, содержащий полосковую формирующую линию, соединенную с многоканальным неуправляемым искровым разрядником и импульсным трансформатором, после которого расположен высоковольтный изолятор, размещенные в цилиндрическом корпусе и рабочий инструмент, отличающийся тем, что рабочий инструмент подключен к вторичным обмоткам импульсного трансформатора через согласующую коаксиальную линию, корпус снабжен цилиндрической рубашкой, при этом в корпусе соосно с ним расположен центральный канал.2. Погружной электроразрядный генератор по п.1, отличающийся тем, что многоканальный неуправляемый искровой разрядник выполнен с радиально сходящимися электродами-анодами, охваченными ферромагнитными сердечниками, и расположенными вокруг цилиндрического катода, ферромагнитные сердечники охвачены встречно-параллельно короткозамкнутыми витками, образующими двухпроводные линии с общим волновым сопротивлением р<U/2i, где U - коммутируемое напряжение, i - ток перемагничивания ферромагнитного сердечника при этом напряжении.3. Погружной электроразрядный генератор по п.1, отличающийся тем, что электроды полосковой формирующей линии разделены на несколько частей-обкладок каждая с выводом по центру обкладок, уложены по спирали Архимеда вокруг центрального канала на основание, выполненное из диэлектрика, потенциальные обкладки подключены к катоду многоканального неуправляемого искрового разрядника, а другие к общей точке подключения первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора.