Погружной электроразрядный генератор

Погружной электроразрядный генератор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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.