摘要 为了总结用于破碎岩混资料的脉冲发生器其规划准则和规则。经过运用一种反向晶体管开关，研发脉冲发生器进行破碎岩混资料试验，并结合CST软件对电极放电进程进行仿真，确认脉冲发生器的最佳参数。经研讨发现，依据RSD脉冲发生器的输出脉冲可高效破碎岩混资料，其具有安全可控无污染的长处，有望替代炸药爆炸办法。
要害词 高压脉冲;反向晶体管开关;脉冲功率体系
岩混资料属硬脆性资料，抗压不抗拉。传统机械法破碎岩混资料首要依托战胜资料外表压应力进行损坏，因而存在高能耗、低功率、安全性差等缺陷。而高电压脉冲放电法破碎岩混资料首要靠战胜资料内部拉应力进行破碎，是一种节能、高效、安全的新技术。高压放电法破碎用高压脉冲发生器中，担任能量转化的开关是一个要害器材，作用是其衔接储能器材与负载，并直接影响输出脉冲的上升时刻、波形及起伏，是决议脉冲发生器作业牢靠性及能量传输功率的首要因素。当时破碎岩混资料选用高压脉冲发生器的开关部件多用火花开关，其缺陷是易遭受放电损害和放电不稳定性。与气体火花开关比较，半导体开关RSD具有更长的运用寿数及牢靠性，但依据RSD开关的破碎岩混资料研讨及运用却罕见报导。本作业论述破碎岩混资料用的依据RSD脉冲发生器基本原理，结合破碎岩混资料试验进行研讨剖析。并经过模仿仿真探究高效，节能的破碎岩混资料办法。
1 依据RSD的脉冲发生器原理
依据RSD的脉冲发生器如图1所示，主电容C0为6 600μF;最大充电电压6 kV;最大存储能量为120 kJ;D0为二极管堆用于防止C0电容重复充电和供给单极性输出脉冲波形。电流经过分流确保RSD仍在R杰出的导通状况对水击发。机械开关k防止C0不必要的击穿，答应在紧迫情况下经过电阻R对C0放电。电缆和火花放电单元总电感为6μH。高负载电感约束电流上升率低于1 kA/μs。在电源电路中无需饱满铁芯扼流圈。CS1触发体系是依据16 mm直径的RSD堆，运用半导体器材替代火花开关能添加设备寿数和放电稳定性。变压器和C1-D1-L1-T低压电路的方法为RSD堆脉冲触发，在初始状况下的C和C0电容器充电至相同电压。高电压脉冲由TR次级绕组在t时刻的构成晶体管触发。此脉冲的起伏应高于C充电电压，因而反向脉冲电流经过RSD1 堆，对其起开关作用。TR铁芯饱满后次级绕组的电感较小，电容C已向低功率RSD1堆快速放电。当电容C电压的改变极性反向电压被施加到RSD，堆次级绕组TR构成的触发脉冲电流经过RSD。
2 试验成果及剖析
2.1 试验成果
在试验中，电源为依据RSD的高压脉冲发生器。该RSD经过两个直径为76 mm的晶体串联，触发操控电压3 kV。试验选用1 m3规范见方岩混资料块，在上外表钻直径3 cm，深度为50 cm的孔。放电损坏电极的尺度与此圆孔尺度适当，其负极为不锈钢外壁且牢靠接地，正电极为直径1 cm的弹簧钢圆棒，电极间选用绝缘树脂支撑衔接。将放电损坏电极伸入注满水的孔中。25m长的高压同轴电缆衔接放电损坏电极与高压脉冲电源，可确保操作人员安全。试验标明，依据RSD的高压脉冲发生器可发生高幅值、陡前沿的高压脉冲。且在增大到必定的幅值和前沿时，便可有用破碎岩混资料，当参数到达脉冲能量100 kJ、输出电流100 kA、输出电压6 kV时，损坏作用显著，如图2所示。
2.2 研讨剖析
破碎岩混资料原理为：当发生器充电完成后，RSD开关触发使其导通，迅速将脉冲从电源经电缆传向电极，高压脉冲在水中瞬间构成高温高压的等离子爆炸，并以冲击波的方法进行传达，在传达进程中从水中进入岩混资料，并由岩混资料进入空气中，在两者界面上发生冲击波的反射和折射。当冲击波由水进入岩混资料时，反射和折射构成岩混资料内部的压力波，当压力波的压强大于岩混资料内部的抗压强度时，冲击波在两者界面上发生一次反射和折射，然后发生张力波，当张力波超越岩混资料的抗张强度时，两者触摸部分破碎。但高电压脉冲参数直接与各种杂乱应力波相关。
高压脉冲幅值大，可导致冲击波的压力幅值满足大，然后确保可战胜岩混资料的抗紧缩强度和拉伸强度。冲击波对岩石构成的破碎办法首要是冲击波发生的剪切力损坏。关于冲击波的特征进程剖析，其在水中传达，波阵面压力和速度下降快，且波形不断被拉宽，所以正负极距离不该过大。一起最佳极距离也与发生器电容值、电压有关，极距离随%&&&&&%值及电压值的增大而增大。液体放电中激波压力及其传达速度与放电能量联系的公式为
式中，Pm为冲击波的波前最大压力值;β为无因次的杂乱积分函数，近似取0.7;ρ为液体密度，可取为1g/cm3;ω为放电通道单位长度的脉冲总能量;T为脉冲能量的持续时刻;τ为波前时刻。依据式(1)和冲击电流波形的波前时刻，如图4所示，得出冲击压力波波形图，如图3所示，压力峰值P=140 MPa，上升时刻为50μs，半高宽T=500μs此冲击波压力幅值>30 MPa，可彻底战胜岩混资料拉伸强度。
高压脉冲的前沿峻峭，可导致冲击波的前沿峻峭，冲击波的上升时刻应满足小，使其经过具有不同声阻抗的介质外表时能充沛反射。从上升时刻来看，压力波的压力梯度较大，在冲击波经具有不同声阻抗的介质界面时，能充沛反射，由反射公式从冲击波的特性进程中也得到必定的理论依据，冲击波的反射式为
其间，ρ为介质密度;V为弹性波的速度;y为声阻抗;R为冲击波的波头的压力;F为分界面反射回介质的拉伸压力。而油的y值要小于水介质，会有更好的破碎作用。冲击波压力波形的半高宽应满足小，使冲击波穿透岩混资料的时刻大于冲击波的脉宽，防止岩混资料内部的入射波与反射波彼此抵消。
3 仿真剖析与优化
试验流程：高压脉冲发生器首要充电，然后经过RSD迅速将脉冲从电源经电缆传向电极，在电极顶级击穿一起发生等离子爆炸，发生高温高压等离子体，并向4周以冲击波方法传达。
图5为仿真试验所运用电极结构图。优化前电极负极直径为2 cm空心不锈钢圆柱，正极为直径1 cm的弹簧钢。优化后电极直径为2 cm的空心不锈钢，负极为直径1 cm的弹簧钢，负极头为直径2 cm，厚度1 cm圆柱。电极之间运用绝缘树脂支撑衔接。
图6为优化规划前后电子的运动轨道。经过比照发现，优化规划前电子运动轨道为半球形，所发生的冲击波为向4周均匀传达。关于笔直向下方向冲击波归于压应力，对岩混资料破碎作用不明显，适当于削弱了水平方向冲击能量。而优化规划后的电子运动轨道为笔直水平向下，这样发生等离子爆炸所构成的冲击波首要沿水平方向传达。关于岩混资料块，水平方向发生的笔直剪切力最简单发生破碎，然后到达高效破碎岩混资料的意图。
图7为优化规划前后能量密度散布图。经过比照发现优化前能量首要会集在电极顶端边际和负极边际，而经过优化规划的电极能量密度首要散布在负极边际。意味等离子爆炸首要发生在负极边际，所发生的冲击波此处最强。关于水平方向的拉应力奉献最大，对岩混资料的破碎作用最好。
4 结束语
经过高压脉冲对岩混资料击穿进程的仿真研讨得到以下定论：(1)经过调整依据RSD脉冲发生器的输出脉冲参数可高效破碎岩混资料，其高压脉冲的起伏及脉冲前沿是影响的要害因素，可导致影响冲击波的幅值及前沿，然后决议损坏作用。经测验，其高效破碎岩混资料的典型参数为：最大输出电流可达 180kA，输出波形的脉冲前沿上升率为30kA/ μs。(2)依据RSD脉冲发生器放电破碎，可替代安全性差的炸药爆炸办法，可有用进步设备的牢靠性、添加设备寿数并能削减开关元件中能量的丢失。(3) 经过优化规划电极结构，可使电子束运动轨道及其能量密度散布愈加合理。对岩混资料的损坏作用进一步进步。
