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單通（tōng）道（dào）電火花震源及其放電實驗（yàn）研（yán）究

2016-11-17 來源：中國科學（xué）院（yuàn）電工研究所中國科學院大學作者（zhě）：樊愛龍孫鷂（yào）鴻徐旭哲嚴萍

摘要：本文介紹了一套單通道電（diàn）火（huǒ）花震源係統，主要包括充電和放電兩個單元。同時搭建了一個實驗（yàn）平台，由充電機、電火花震源、數字示波器、高壓（yā）探頭和羅氏線圈（quān）電流傳（chuán）感（gǎn）器等組成。在此基礎（chǔ）上（shàng）進行實（shí）驗研究與總結，通過采用本文所述（shù）的單（dān）通道電火花震源進行（háng）放電實驗，在不同電極材料、電壓和電極（jí）間距（jù）條件下，對（duì）水中等離子（zǐ）體的電特性進行了分析。使用ORIGIN數據分析軟件觀（guān）察了等離子通道的電阻和放電功率在時間域的變化趨（qū）勢。通過比較總結，得出了放電電（diàn）流、放電電阻和放電效率等與控製條件之間的關係規律。本文所提及的係列實驗為自（zì）封閉電極腔等離子（zǐ）體震源的設計提供了參考。

關鍵詞：電（diàn）火花震源；單通道；放電（diàn）換能器；放電效率

1. 引言

震源是產生地震信號的源頭，在勘探技術中起著至關重要的作用，它所激發的（de）信號品質直接關係到勘（kān）查的效果。

人工地震技術探測礦（kuàng）產資源的物理基礎是岩（yán）石的彈性差異，其過程（chéng）可簡述為（wéi）：人（rén）工震源產生地震波，地震波（bō）在彈（dàn）性不同的地層內傳播，檢波器收集反射波和折射波，進行數據分析與處理，進而勘探地層（céng）岩性和地下控礦（kuàng）結構。震源可分為炸藥（yào）震源和可控震源兩種。由於炸藥震源具有良好的脈衝性能和（hé）較高的激發能量，所以，自20世紀20年代一直沿用至今作為（wéi）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。其缺點是經過鑽井、下藥和激發後，進行（háng）現場恢複需要大量人力；另外（wài）炸藥對環境（jìng）具有破壞性和危險性，使用前必須嚴格遵守有關安全規定。鑒於此，早在20世紀50年代以（yǐ）前就已（yǐ）開始研究非破（pò）壞（huài）性（xìng）的可控震源。可控震源勘探技（jì）術是由美國康菲國際（jì）石油有限公司在1950年代（dài）發展起來的，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（yuán）、電磁（cí）驅動可控震（zhèn）源、液壓式可震源、精密（mì）主動可控震（zhèn）源以及電火花震源。

非炸藥震源中（zhōng）使用最多的（de）是電火花震源，它利用脈衝電容（róng）器組存儲電能，通過（guò）高壓放電開關使放電電極快速在水（shuǐ）中釋放，借（jiè）此產生強大的壓力脈衝，與大地耦合（hé）作用形成地震波，可以在深、淺井和水域中激發（fā）。電火花震（zhèn）源最初是一種非常低頻率的水下等離子（zǐ）體聲（shēng）源，水下火花放電產生一（yī）個高壓（yā）等離子體和蒸汽泡沫，不斷擴大和崩（bēng）潰，產生一個巨大的聲音，其頻率大部分在20—200Hz之間（jiān）"。之（zhī）後在等離子體聲源的基（jī）礎上不斷（duàn）改進（jìn），應用於垂（chuí）直地（dì）震剖麵測井及陸地勘探，成（chéng）為（wéi）可以陸用的電火（huǒ）花震源。1966年，美國人J．W．Miller取得了陸地電（diàn）火（huǒ）花震源的專利。中國（guó）科學（xué）院電（diàn）工研究所在20世（shì）紀（jì）60年代（dài）與石油部合作進行了海（hǎi）洋電火花震源的研製工（gōng）作，1975年與大港油田合作（zuò）進行了石油（yóu）地震勘（kān）探陸地（dì）電火花震（zhèn）源的研製，1980年研（yán）製了一種（zhǒng）用於中、淺層陸地勘探的zY．80電火花震源，並與山東煤田地質（zhì）勘探公司共同在濟寧煤田（tián）進行了試驗，表明電火花震源（yuán）所得的剖麵用於地質（zhì）解（jiě）釋（shì）是可行的；20世紀90年代（dài）又進行了電火花震源在垂直地（dì）震剖麵測井、井間（jiān）地（dì）震、振動采油和工程勘探等（děng）方麵的應用研究，取得了較好的應用效果。“十一五”期間（jiān），在（zài）國家863計劃資助下，電工研究所進行了20kJ海洋大容量電火花震源（yuán）的研製，主要用於深海（hǎi）海域的油氣田（tián）井場和路由勘察以及環境工程和基礎研究。國家海洋局第一海洋研究所等單位在“十五”期間也進行了（le）淺水的高分辨率多道淺地（dì）層探測係統研製工作，取得較好的應用效果。中國中鐵股份有限公司中鐵西南科學研究院（yuàn）研製的zDF一3型便攜式大容量大功率電火花震源重量隻有35kg，激發能量可達10kJ。荷蘭地理（lǐ）資源公司研製的16kJ多電極等離子體震源，可以用（yòng）於深海淺地層研究。近年來，隨著脈衝功率（lǜ）技術的發展，脈衝電源的功率密度和能量密度不斷提高，電火花震源係統的結構日趨緊湊，且電源（yuán）模塊化使得係統結構可以方便拆卸和組（zǔ）合，在移動和（hé）便攜方便的優勢日漸顯著。

電火（huǒ）花震源主要利用大電流放（fàng）電的液（yè）電效應，放電電極需要處（chù）在液體介（jiè）質（zhì）中，一般陸地震源使（shǐ）用時需在水井中或挖坑（kēng）注水，而可用於無水地區的電火花震源研究（jiū）鮮有報道。本文所介（jiè）紹的單通道電火（huǒ）花震源適於山區等無水環境，使用高效（xiào）地麵換能器技術，以期為我國（guó）的金屬礦地震勘探提供必要（yào）的（de）技術支（zhī）持。

2.震源設（shè）計及實驗裝（zhuāng）置（zhì）

2．1主（zhǔ）電路設計

此處所介紹的“單通道”電火花震源是相（xiàng）對於後續所設計（jì）的“多通道”電（diàn）火花震源而言的，它產生一路高壓脈衝信號，在放電換能器中（zhōng）轉換為一路衝擊波（bō）信號。“多通道”電火花震源則產生多路衝擊波信號，可以是多個“單通道”震源的簡單組合產生多路（lù）衝擊波信號，也可以是一個（gè）震源或幾個震源產生（shēng）多路衝（chōng）擊波信號。

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（diàn）單元兩個部分。充電單元主要由（yóu）調（diào）壓（yā）裝置、整流（liú）電路、充電電阻和隔離矽堆等構成，主要功能是（shì）產生電壓幅值連續可調的（de）直流電源向儲能電容充電（diàn）；放電單元主要由儲（chǔ）能電容、泄（xiè）放電阻（zǔ）、泄放開關、電（diàn）阻分（fèn）壓器電壓測量（liàng）電路（lù）、晶閘管、緩衝電路、放電電纜和放電換能器等構成，主要功能是通過控製晶閘管開通將儲能電容上存儲的電荷在放電（diàn）電極中瞬間（jiān）釋放。單通（tōng）道電火花震源的（de）主要工作原理是（shì）220V交流市電經過調壓器、整（zhěng）流電路、充電電阻（zǔ）、隔離矽堆變為電壓幅值可調的高壓直流電(0—5kV)儲存在儲（chǔ）能電容C上，當晶閘管的門極接收到有（yǒu）效觸發脈衝時，晶（jīng）閘管（guǎn）ScR導通，儲能電容（róng）c經晶閘管SCR、放電電纜向放（fàng）電電極中的多電極束放電，產生衝擊壓力波，通過與地麵耦合，最終形成地震波。

圖l主電路圖（tú）

設置充電電阻（zǔ）的目的為：①在（zài）係統充電時，限製過高的充電電流，進而保護儲能電容（róng）和整流電路；②當電容發生短路擊（jī）穿時（shí），限製短路電流，以免造成調壓裝置損壞。設置（zhì）隔離矽堆的主（zhǔ）要目（mù）的是防止晶閘管關斷瞬間產生過高的反（fǎn）向電壓（yā）和電流，串入到充電單元（yuán）造成（chéng）充電單元（yuán）的損壞，實質上在充電單元和放電單元之間起到隔離作用。設置泄放電阻和泄放（fàng）開關的目的在於（yú）泄放充電或放電過程中儲能電容中的殘餘電荷。設置電阻分壓器電壓測量電（diàn）路（lù）的目的是取樣充電電壓，在機箱儀表盤顯示，以便實時觀察，避免電壓過（guò）衝。設置（zhì）緩衝電路的目（mù）的是對晶閘管開通和關斷過程實施保護，吸收晶閘管（guǎn）在導通關（guān）斷瞬間的尖峰電壓，減小（xiǎo）晶閘管的應力，同時放慢開關（guān）管的速度，降低d“／dt，吸收尖（jiān）峰，緩（huǎn）衝及減小開關損耗作用，此外也利於改善整機的電磁兼容（róng）環境。

負載為放電電纜和放（fàng）電換能器，放電換能器如圖2所示。放電換能器（qì）主要由金屬蓋、緩衝彈簧、上部絕緣套筒、多電極束、金屬（shǔ）上筒（tǒng）、可更換式下筒及（jí）下部絕緣套筒等組成（chéng）。上部絕緣套筒套設在多電極束的（de）上部，金屬上筒內（nèi）部（bù）設（shè）有卡位，上部絕緣套筒（tǒng）和多電極束整體置於金屬上（shàng）筒（tǒng）內（nèi）部（bù）的卡位（wèi）處，上（shàng）下絕套筒、多電極束以（yǐ）及可更換式下筒圍成（chéng）放電空腔，放（fàng）電空腔內注滿鹽液體，多（duō）電（diàn）極束下部置（zhì）於3％的鹽液體中；金屬上筒與金屬蓋通過螺紋（wén）連接，上部絕（jué）緣套筒與金屬蓋之間具（jù）有緩衝（chōng）腔，緩衝腔內設有緩衝彈簧。放電換能器是單通道電火花（huā）震源設計的主要（yào）創新之處，其中封閉腔體（tǐ）的設計使該震源適合於絕緣電纜束的設計解決了電極易燒蝕的（de）問（wèn）題，電纜束（shù）不留空隙地捆紮在一起也節省了電極下（xià）端的封閉空間；分層設計使拆卸和更換電極、倒人液體等更加方便；分體設計（jì）也（yě）使測量更加方便；可更換式下部內絕緣（yuán）筒的（de）設計使得電極的間距能夠調節，便於試驗的對比（bǐ）分析和電暈、電弧放電的有效選擇，增加了現場勘測（cè）調節（jiē）的靈活性；更重要（yào）的是緩衝腔及緩衝彈（dàn）簧的設（shè）計增加了震動波的低頻成分，它（tā）能有效減少振動波在地下的衰減，進而提高震（zhèn）源的放電效（xiào）率。

圖2換能器結構圖

2．2設計指標

單通道電火花震源的具體參數為：可在輸出電壓5 kV的狀（zhuàng）態下長（zhǎng）時間穩定工作，爆發式運行的電壓最大值（zhí）為5．5kV，輸出電壓連續可調；可承受10kA的放電電流；可調整．的延（yán）時時間為1～9999鬥（dòu）s，延時輸入方式為撥碼開關設置；脈衝延時抖動為1鬥（dòu）s，脈衝寬度為100—500鬥s；所（suǒ）激發（fā）地震波的頻率範圍為10～300Hz。

2．3實驗（yàn）平台說明

記錄儀器采用Tektronix TPS 2024B示波器，帶寬200MHz，采樣（yàng）率2GS／s；放電電壓使用TekP6015A(帶寬75MHz，分壓比1000：1)電壓探（tàn）頭測量；晶閘管支路電流使用同軸分流器，換能器放（fàng）電電流使用Pearson6600線圈測量，其變比為0．1 V／A。各實驗裝置的連接圖如圖3所示。晶閘管（guǎn）的負極端與放電電纜的中心銅線相連，放電電纜的網狀導（dǎo）電層與儲能電容（róng）的負極相連；觸發器（qì）的輸出（chū）正（zhèng）負極分（fèn）別連接所述晶閘（zhá）管的控製端與負極（jí）端，由延時控製電路控製（zhì）觸發器工作，進而控製（zhì）晶閘管（guǎn）的導通與閉合。在放電電極（jí）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（zhōng）心銅線相連，放電電極的金屬蓋（gài）負極端子經高壓線與放（fàng）電電纜的網狀導電層相連，羅氏線圈互感（gǎn）器(電流線圈)套在高壓線上，傳感頭接人到示波器的CHl通道，電（diàn）壓探頭搭接在電纜束（shù）的引出端（duān），另一端接入到示波器的（de）CH2通道。

網3實驗裝（zhuāng）置示意（yì）圖

3.單通道電（diàn）火花震源放電實驗

利用所（suǒ）設計的單通道電火花震（zhèn）源進行了（le）放電實驗，研究了不同電極（jí）材料、電極（jí）數目、電壓（yā）、電極間距對放電電流、放電等效電（diàn）阻、放（fàng）電效率的影響。

3．1不同電極材料的放電實驗（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（diàn）換能（néng）器下筒。金屬材料時，由於（yú）金屬（shǔ）筒與（yǔ）電纜的負極端設計成一體結構，正極為（wéi）高壓束狀電極，負極為金屬下筒，當觸發SCR導通時，被存儲在高壓（yā）電容器中的電荷瞬間在鹽溶液中釋放，放（fàng）電等離子體電流通道絕（jué）大（dà）部分自上而下（xià）直達金屬下筒底（dǐ）部。當放電換能器下筒為絕緣材料時，正極為高壓束狀（zhuàng）電極，負極為金屬（shǔ）上筒，放電等離子體電流通道類似於開口向上的拋物麵。由於在放電通道的方向、路徑和體積（jī）上有差（chà）別，此處通過實驗比較放電換能器下筒為金屬材料和絕緣（yuán）材料時放電等離子體液體傳導電流通道的變化對電流波（bō）形（xíng）的影響（xiǎng）程度。

使用絕緣筒（tǒng）電極材料和金屬筒材料電極在3．8cm間距和4600V電（diàn）壓條件下典型的放電電流波形分別如圖4和圖5所示。經轉換後，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（diàn）極所獲得的放電電流略大於使（shǐ）用非金屬材料電極所獲得的放電電流。當放電電壓、電極間距相同（tóng）的條件下，所測得的電流（liú）波形和所合成的放電電阻波形沒有發生明顯的變（biàn）化，典型的放電電壓、電（diàn）流和電阻波形如圖6所示。

當分別（bié）采用金屬材料和絕緣材料（liào）作為放電換能器下筒時，在相同位置檢波器所檢測的地震波強度有差別，地震波波形如圖7所示。可以看出，金屬材料作為（wéi）放電換能器下筒（tǒng）時，地震（zhèn）波峰值強度小於采用絕緣材料時（shí）的（de）波峰值強度（dù）。由（yóu）於放電電流差別不大，故原因在於衝擊波經不同換能器下筒傳導上的差別。

圖（tú）4使用絕緣筒獲得的放電電流（liú）波形

圖5 使用金屬筒（tǒng）獲得的放電（diàn）電（diàn）流波形（xíng）

圖6典型的放電電壓、電流和電阻波形（xíng）

圖7 采用金屬材料和絕緣材料下筒時典型的地震（zhèn）波波形（xíng）

3．2不同電壓條件下的放電實（shí）驗

體濃度相（xiàng）同的情況下（xià），放電電壓（yā）越大，放電電能越高。這裏要研（yán）究的是不同電壓下的放電過程和電能轉化率是否有可見的差異。選擇（zé）8個（gè）電壓等級：2000V、2500V、3000V、3500V、3750V、4000V、4500V和4800V，相應（yīng）地計算和分析這（zhè）8個電（diàn）壓等級條件下的放電電阻、放電功率和放電效率。2kV和4．8kV電壓條件下，電極（jí）間距為（wéi）2cm時，根據（jù）相應的電流波形數據，使用ORIGIN軟件（jiàn）擬合所獲得的典型放電電阻隨時間變化的波形分別如（rú）圖8和圖9所（suǒ）示，典型（xíng）的功率波（bō）形（xíng）分別如（rú）圖10和圖11所示。

圖8 2cm電（diàn）極間距和2kV電壓條件下的（de）放電電阻

圖9 2cm電極間距和4．8KV電壓條件下的放電（diàn）電阻

可以看出，放電等離子體通道的電阻和功率的變化趨勢是相同（tóng）的，但在2kV放電時等離子通道的低電阻持續時間比4．8kV放電時要大。在（zài）放電前期，等離子通道的電阻值都（dōu）在4Q左右。經轉換，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8一圖10和實驗數據中可以得出，隨著電壓的提高，放電等離子體的電能轉化率也隨（suí）之增加。

圖10 2cm電極間距和（hé）2kV電壓條件下的功率曲（qǔ）線

圖11 2cm電極間距和（hé）4．8kV電壓（yā）條件下（xià）的功率曲（qǔ）線

在高壓電（diàn）容器大小、放電換能器和液體濃度相同的情況下，經計算，4．8kV放電時的放電電（diàn）能是2kV放電時的6倍之餘，但在同一地點，檢波器所檢測到的地震波峰值能量（liàng）卻僅不到3倍，如圖12所示。此處與3．1節結論相互印證，放電換能器對地震波能量的（de）影響高於放電電壓的影響。

圖12 4．8kV和2kV時典型的地震波波形

3．3不同電極間（jiān）距條（tiáo）件（jiàn）下的放電實驗

實驗（yàn）中（zhōng）電極間隙距離從1cm開始，每一輪實驗間隔增加1cm，直（zhí）到電極間距調整為6cm。圖13～圖15分別為電極（jí）間距為1cm、2cm和4cm，放電（diàn）電壓為3．75kV時的典型的電流波形。從圖13一圖15和實驗數據可以看出，相同電極間隙距離時，放電電流（liú）波形基（jī）本一致。而當電（diàn）極

圖（tú）13 1 cm電極間距和3．75kV電壓時典型的電流波形

圖14 2cm電極間距和3．75kV電壓時（shí）典型的電（diàn）流波形

圖（tú）15 4cm電極間距和3．75kV電壓時典型的電流波形

間隙距離（lí）改變時，放電電流開始變化，且當（dāng）放電電極間隙距離大於4cm時，電流變化較小；間隙距離小於4cm時（shí），隨著電極間距的減小，放電電（diàn）流增加顯著，但是同時發生電弧放電的概率（lǜ）變大。此處結論雖是利用本文采用的電極得出的，但是不（bú）失一般性，針對（duì）其（qí）它結構（gòu）的龜極，也有類似的極限值。

4 .結論

本文設計（jì）了一套單通道電火花震（zhèn）源係（xì）統，可在5kV的狀態下穩定工作，脈衝寬度為100—500鬥s，可承受1．5kA的（de）放（fàng）電電流。介紹了單通道電（diàn）火花震源係統的工作原理，搭建了實（shí）驗平台。放（fàng）電實驗表明，無論采（cǎi）用（yòng）金屬（shǔ）材料還是絕緣材料作為換能器下筒，放電（diàn）電流（liú）波形基（jī）本一致，使用金屬電極材料（liào）時放電電（diàn）流略（luè）大於（yú）使用絕緣材料時，但是檢測到的地震波能量（liàng）卻小於使用絕緣材（cái）料檢測到的地震波能量。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是相同的，但等離子通道的低電阻持續時間隨著電壓的（de）提高而減小，電效率也隨著電（diàn）壓的升高而增加；放電換能器對地震波能量的影響甚至（zhì）高於放電電壓的（de）影響。相同電極間隙距離時，放電（diàn）電流波形基本一致；當電（diàn）極間距小於某個值時，隨（suí）著間距的減（jiǎn）小，放電電流增加顯著，但是發生電弧放電的概率變大（dà）。

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