两级电源式海中电火花声源制造技术

本发明专利技术属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种两级电源式海中电火花声源，包括低压预热电容，直流逆变充电机，高压爆轰电容，总控制微机，放电控制微机，IGBT开关，高低压隔离装置，海中放电间隙，触发装置，气体开关，工作/预备切换装置，平行电缆和指令传送光纤。低压预热电容和高压爆轰电容分别用来存储预击穿加热过程和电弧爆轰过程所需要的能量，高低压隔离装置用于隔离所述气体开关击穿后产生的高电压，触发装置用于产生一个触发气体开关导通的高压触发脉冲，工作/预备切换装置用于实现工作状态和预备状态的切换。本发明专利技术能够有效减少连接电缆的成本，消除冲击波产生时刻的随机性，并且充分兼顾冲击波强度和电声转换的效率。

【技术实现步骤摘要】
两级电源式海中电火花声源本专利技术属于脉冲功率
，尤其涉及一种用高压脉冲放电产生水下冲击波的装置。基于水中电弧放电的电火花声源具有频谱覆盖宽、重复频率高、安全性好等特点，在海洋勘探、液电成形、岩石粉碎、液电清砂除垢等领域得到了广泛应用。目前，传统的、基于单ー储能电容的海中电火花声源，有着三个固有的缺陷 (I)高压同轴传输电缆的经济性和安全性较差。降低放电回路的寄生电感对于海中电火花声源的电-声转换效率非常重要，因此，传统的海中电火花声源通常倾向于使用电感最小的高压同轴电缆。高压同轴电缆的造价十分昂贵，且不能过度弯折，在长期使用的情况下，高压绝缘层的老化将使整个系统的安全性下降。(2)冲击波的产生时刻存在随机性。根据我们对于水在IOkV/cm量级电场下的击穿过程的研究(Yi_bo Wang, Shang-wu Wang, Xin-wu Zeng, Thierry Reess.Abemi—empirical model for the pre-breakdown-heating process in theunderwaterdischarge acoustic source[J].1EEE. Trans. Plas. Sci, 2012, 40(I) :98 111,下文简称《Sem1-empirical model))),单ー储能电容驱动的海中电火花声源产生冲击波的过程可划分为四个阶段①引燃/流柱连接一②预击穿加热一③火花击穿一④电弧爆轰当电压加载到水中放电间隙上时，水中电极表面将生成引燃区，引燃区内的放电等离子体将向另ー电极扩展，形成一条高温、稀薄、半径在Pm量级、压强约等于外界静压的初始电弧。低密度的初始电弧不会显著膨胀，因此不会立即引发击穿。因此，在水中存在的第一种加热机制是水中离子电流引发的焦耳加热，然而，初始电弧产生的对外热辐射在其周围水中的能量沉积，为预击穿加热过程提供了第二种加热机制。由于初始电弧的位置、形状通常具有高度的随机性，其提供的辐射加热功率也将具有高度的随机性，这就造成了预击穿加热阶段的持续时间具有高度的随机性。由于冲击波产生于火花击穿完成之后的、水中电弧急剧膨胀的过程(即电弧爆轰阶段)，因此冲击波产生的时刻也将具有高度的随机性。冲击波产生时刻的随机性将给多个电火花声源的阵列应用带来极大的困难。(3)输出冲击波强度与电-声转换效率无法兼顾。预击穿加热过程将消耗一定的能量，由此将造成储能电容电压的泄漏。根据《Sem1-empirical model》,预击穿加热结束时储能电容上的电压(剰余电压Uranain)决定了随后的火花击穿阶段所生成电弧的温度 ひ=-)，从而决定了水中电弧的初始压强(P nkT)。所以，在整个系统的绝缘安全需要得到满足的前提下(即储能电容的充电电压Utl不能随意提高)，要想提高输出冲击波的强度，就要加大储能电容。储能电容越大，剩余电HUranain越接近充电电压Utlt5然而，在提高电声转换效率的角度，储能电容却并非越大越好。这是因为放电冲击波产生于水中电弧膨胀的早期阶段，此时水中电弧内的粒子密度较高，根据P ^ nkT，在此阶段使水中电弧保持一定温度(通过增大储能电容来延缓击穿后Uranain的衰减速度可达到此目的)，对于提高冲击波的强度是有利的。随着水中电弧体积的急剧膨胀，其内部粒子的密度也将急剧下降。当电弧内的放电等离子体密度下降到一定程度后，继续让水中电弧保持较高的温度，对于冲击波強度的贡献则是可以忽略的。在此阶段，储能电容内的能量中的绝大部分，都转换为了电弧的辐射能。因此，在电声转换效率最大化的角度上看，在预击穿加热阶段结束后，海中电火花声源只需要ー个大小适中的储能电容。以上的分析可以归纳成两点提高冲击波强度就需要提高剩余电压，要提高剩余电压就要尽可能地增大储能电容；由于冲击波产生于电弧膨胀的早期阶段，无限制地提高储能电容对于电声转换效率是不利的。由此可以看出，对于传统的单一储能电容驱动的海中电火花声源来说，输出冲击波強度与电声转换效率是无法兼顾的。本专利技术就是为了解决传统的基于单ー储能电容的海中电火花声源的上述三个缺陷。 本专利技术的根本目的，就是为电火花声源的预击穿加热阶段和击穿后电弧爆轰阶段提供两个独立但相互耦合的电源。本专利技术采用的技术方案是一种两级电源式海中电火花声源，包括低压预热电容I ;高压爆轰电容3 ;用于为所述高压爆轰电容3进行充电的直流逆变充电机2 ;IGBT开关6 ;用于控制整个系统工作的总控制微机4 ;用于控制所述直流逆变充电机2和所述IGBT开关6的放电控制微机5 ;海中放电间隙8 ;连接所述IGBT开关6和海中放电间隙8的高低压隔离装置7，所述高低压隔离装置7用于隔离所述气体开关10击穿后产生的高电压以保护所述IGBT开关6 ;气体开关10 ;用于产生ー个触发气体开关10导通的高压触发脉冲的触发装置9 ;平行电缆12 ;与所述平行电缆12并行的、用于总控制微机4和放电控制微机5之间通信的指令传送光纤13 ；所述低压预热电容I通过平行电缆12连接到IGBT开关6，所述IGBT开关6通过所述触发装置9与所述气体开关10连接；所述高压爆轰电容3通过所述气体开关10连接到所述海中放电间隙8 ;所述海中放电间隙8、低压预热电容I和高压爆轰电容3的一端分别连接到系统共地端；所述放电控制微机5、所述IGBT开关6的驱动模块和所述直流逆变充电机2的控制模块分别采用独立电源供电。作为本专利技术的进ー步改进，所述高低压隔离装置7包括高低压隔离ニ极管14、阻回吸电感15和尖峰吸收旁路16 ;所述阻回吸电感15的一端作为高低压隔离装置7的输入端，连接到所述IGBT开关6的源极，所述阻回吸电感15的另一端连接到所述高低压隔离ニ极管14的阳极；所述高低压隔离ニ极管14的阴极作为所述高低压隔离装置7的输出端，连接到气体开关10的阴极和海中放电间隙8的阳极之间的公共点；所述尖峰吸收旁路16为两组独立的电阻、电容串联结构，所述两组电阻、电容串联结构的一端分别连接所述阻回吸电感15的两个输入端，另一端分别连接系统共地端。作为本专利技术的进ー步改进，所述触发装置9包括蓄能变压器17、正峰吸收网络18、升压变压器19和隔离电容20 ;所述蓄能变压器17的原边的一端经过ー个限流电阻后，作为触发装置9的输入端，连接到所述IGBT开关6的源极；所述蓄能变压器17的原边的另一端接入系统共地端；所述正峰吸收网络18为由三只ニ极管和ー个电阻构成的“π ”型结构；所述蓄能变压器17的副边两端，经过所述正峰吸收网络18后，接入所述升压变压器19的原边两端；所述升压变压器19的副边一端接入系统共地端，另一端经过所述隔离电容20后，作为触发装置9的输出端，连接到所述气体开关10的触发极。作为本专利技术的进ー步改进，所述两级电源式海中电火花声源还包括工作/预备切换装置11，所述工作/预备切換装置11包括直流电源21、应急判断光纤29、就绪信号光纤31、IGBT驱动电源充电限流装置35-1、充电机控制电源充电限流装置35-2、低压预热电容放电切换模块11-1、放电控制微机供电切换模块11-2。所述低压预热电容放电切换模块11-1包括接入主开关22、逻辑与判断器30 ;所述放电控制微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两级电源式海中电火花声源，其特征在于：包括低压预热电容（1）；高压爆轰电容（3）；用于为所述高压爆轰电容（3）进行充电的直流逆变充电机（2）；IGBT开关（6）；用于控制整个系统工作的总控制微机（4）；用于控制所述直流逆变充电机（2）和所述IGBT开关（6）的放电控制微机（5）；海中放电间隙（8）；连接所述IGBT开关（6）和海中放电间隙（8）的高低压隔离装置（7），所述高低压隔离装置（7）用于隔离所述气体开关（10）击穿后产生的高电压以保护所述IGBT开关（6）；气体开关（10）；用于产生一个触发气体开关（10）导通的高压触发脉冲的触发装置（9）；平行电缆（12）；与所述平行电缆（12）并行的、用于总控制微机（4）和放电控制微机（5）之间通信的指令传送光纤（13）；所述低压预热电容（1）通过平行电缆（12）连接到IGBT开关（6），所述IGBT开关（6）通过所述触发装置（9）与所述气体开关（10）连接；所述高压爆轰电容（3）通过所述气体开关（10）连接到所述海中放电间隙（8）；所述海中放电间隙（8）、低压预热电容（1）和高压爆轰电容（3）的一端分别连接到系统共地端；所述放电控制微机（5）、所述IGBT开关（6）的驱动模块和所述直流逆变充电机（2）的控制模块分别采用独立电源供电。...

【技术特征摘要】
1.一种两级电源式海中电火花声源，其特征在于包括低压预热电容(I);高压爆轰电容(3);用于为所述高压爆轰电容(3)进行充电的直流逆变充电机(2) ;IGBT开关(6);用于控制整个系统工作的总控制微机(4);用于控制所述直流逆变充电机(2)和所述IGBT开关(6)的放电控制微机(5);海中放电间隙(8);连接所述IGBT开关(6)和海中放电间隙(8) 的高低压隔离装置(7)，所述高低压隔离装置(7)用于隔离所述气体开关(10)击穿后产生的高电压以保护所述IGBT开关(6);气体开关(10);用于产生一个触发气体开关(10)导通的高压触发脉冲的触发装置(9);平行电缆(12);与所述平行电缆(12)并行的、用于总控制微机(4)和放电控制微机(5)之间通信的指令传送光纤(13);所述低压预热电容(I)通过平行电缆(12 )连接到IGBT开关(6 )，所述IGBT开关(6 )通过所述触发装置(9 )与所述气体开关(10)连接；所述高压爆轰电容(3)通过所述气体开关(10)连接到所述海中放电间隙(8);所述海中放电间隙(8)、低压预热电容(I)和高压爆轰电容(3)的一端分别连接到系统共地端；所述放电控制微机(5)、所述IGBT开关(6)的驱动模块和所述直流逆变充电机(2) 的控制模块分别采用独立电源供电。2.根据权利要求1所述的两级电源式海中电火花声源，其特征在于所述高低压隔离装置(7)包括高低压隔离二极管(14)、阻回吸电感(15)和尖峰吸收旁路(16);所述阻回吸电感(15)的一端作为高低压隔离装置(7)的输入端，连接到所述IGBT开关(6)的源极，所述阻回吸电感(15)的另一端连接到所述高低压隔离二极管(14)的阳极；所述高低压隔离二极管(14)的阴极作为所述高低压隔离装置(7)的输出端，连接到气体开关(10)的阴极和海中放电间隙(8)的阳极之间的公共点；所述尖峰吸收旁路(16)为两组独立的电阻、电容串联结构，所述两组电阻、电容串联结构的一端分别连接所述阻回吸电感(15)的两个输入端， 另一端分别连接系统共地端。3.根据权利要求1或2所述的两级电源式海中电火花声源，其特征在于所述触发装置(9)包括蓄能变压器(17)、正峰吸收网络(18)、升压变压器(19)和隔离电容(20);所述蓄能变压器(17)的原边的一端经过一个限流电阻后，作为触发装置(9)的输入端，连接到所述IGBT开关(6)的源极；所述蓄能变压器(17)的原边的另一端接入系统共地端；所述正峰吸收网络(18)为由三只二极管和一个电阻构成的“ π ”型结构；所述蓄能变压器(17)的副边两端，经过所述正峰吸收网络(18)后，接入所述升压变压器(19)的原边两端；所述升压变压器(19)的副边一端接入系统共地端，另一端经过所述隔离电容(20)后，作为触发装置 (9)的输出端，连接到所述气体开关(10)的触发极。4.根据权利要求3所述的两级电源式海中电火花声源，其特征在于所述两级电源式海中电火花声源还包括工作/预备切换装置(11)，所述工作/预备切换装置(11)包括直流电源(21)、应急判断光纤(29)、就绪信号光纤(31)、IGBT驱动电源充电限流装置(35-1)、充电机控制电源充电限流装置(35-2)、低压预热电容放电切换模块(11-1)、放电控制微机供电切换模块(I 1-2)；所述低压预热电容放电切换模块(11-1)包括接入主开关(22)、逻辑与判断器(30);所述放电控制微机供电切换模块(11-2)包括第一外围脱离开关(23-1)、第二外围脱离开关 (23-2)、核心脱离开关(24)、隔离二极...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一博，曾新吾，龚昌超，钱宝良，赵云，孙海洋，蔡清裕，韩开锋，田章福，张文，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
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