高电压脉冲对绝缘液内矿石放电破碎仿真研究
2020-06-12许明进李宏达张岩
许明进 李宏达 张岩
摘 要：为了研究高电压脉冲对固-液混合电介质的内部作用机制，利用计算机模拟脉冲放电发展软件HV-LAB建立固-液混合电介质三维模型，设置等效电路参数、电极结构、电极间距以及电介质参数，再对该混合电介质模型进行高电压破碎仿真试验。仿真结果显示：当脉冲发生器输出电压为400kV，固体电介质和液体电介质分别为磁黄铁矿石、去离子水，电极结构为针-针电极且电极间距为10cm时，固体电介质内部最大破碎深度为4.12cm，约为电极间距的1/3～1/2，并产生多条类似树状结构的等离子放电通道。
关键词：高电压;脉冲;电介质;破碎深度;等离子放电通道
中图分类号：TE92 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）17-0011-05
Abstract： In order to study the internal action mechanism of high voltage pulse on solid-liquid mixed dielectrics， a three-dimensional model of solid-liquid mixed dielectrics was established by using the computer simulation pulse discharge development software HV-LAB， and the equivalent circuit parameters， electrode structure， electrode spacing and dielectric parameters were set， and then the high voltage breakup simulation test of the mixed dielectric model was carried out. The simulation results show that when the output voltage of the pulse generator is 400kV， the solid dielectric and the liquid dielectric are magnetoxanthite and deionized water respectively， the electrode structure is needle-needle electrode and the electrode spacing is 10 cm， the maximum breaking depth in the solid dielectric is 4.12cm， which is about 1/3～1/2 of the distance between electrodes， and several plasma discharge channels with similar tree structure are produced.
Keywords： high voltage; pulse; dielectric; breaking depth; plasma discharge channel
高電压脉冲破碎矿石是以脉冲功率技术为理论基础。脉冲功率技术是将存储的能量以电能的形式，用单次脉冲或高重复频率短脉冲加载到负载输出端，其基本原理是能量的低速存储和快速释放[1]，首先对电容器缓慢地充电，然后通过控制开关使其快速放电，最后使功率得到放大，重复上述步骤，直到得到所需的输出功率。近年来，高电压脉冲破碎矿石方向得到极大地发展。左蔚然等[2]研究了由建筑灰浆和黄铁矿合成试块的破碎特性，结果表明：当击穿通道沿着粒子的轴线通过时，它会产生粒度更小的产物并产生更多的裂缝和微裂纹;当黄铁矿嵌入颗粒中间或者靠近接地电极时，易击穿矿石并导致矿石破裂;当黄铁矿位于靠近颗粒表面的高压电极时，易引起表面破损，降低破碎效率。Eric Wang等[3-5]研究表明，高电导率和介电常数的矿物表面附近会产生较强的感应电场，而且两种矿物质的电学性能差异越大，二者界面处产生的感应电场强度就越大。浙江大学章志成开展了高压电脉冲电极放电破碎岩石的试验，试验结果表明：电场强度、脉冲能量、电导率等因素对岩石的破碎均有影响。加载在放电电极上的电压越高、单次脉冲能量越大、水电导率越小，则岩石越容易发生破碎[6-7]。
1 高压电脉冲破碎固-液混合电介质理论分析
1.1 高压电脉冲破碎固-液混合电介质原理
高压放电破碎过程原理如图1所示：矿石（固体电介质）完全浸没在去离子水（绝缘液）中，当控制开关k闭合时，储能电容C中的能量经由高压电极输出纳秒级上升沿的高电压脉冲作用于矿石表面。图2表示矿石类材料及水击穿电压与上升沿时间关系。图中2为矿石击穿电压随时间的变化曲线，3为水的击穿电压随时间的变化曲线， 当输出电压上升沿时间减小时，水和矿石的击穿电压均提高，当电压上升沿时间减小至500ns左右时，水的击穿电压开始大于矿石的击穿电压并急剧上升，高压电场压向水层下方的矿石，矿石内部产生电离效应，发生电荷载流子繁殖并在矿石内部形成等离子通道，该通道直径为微米量级且沿裂隙等路径树状发展与延伸，随后高电压脉冲发生器在10-6～10-4s内向通道释放10-100J/cm的电能量，使等离子通道内的温度上升至104K～105K，产生109～1010Pa的压力。随着等离子通道内能增加，此时形成随时间与空间变化的机械压力场，当场压超过矿石的抗拉强度临界值后，矿石发生有效破碎[8]。
1.2 等离子放电通道随机增长方向理论
如图3所示，将固体电介质进行网格化显示，网格间距为1mm，1为高压电极，2为接地电极，假设等离子通道随机增长方向为，则在方向上等离子通道增长概率关系式如式（1）所示：
最大破碎长度为：hmax=hl，平均破碎长度为：〈h〉=P/lz，其中lz为主放电通道在固-液混合电介质分界面的投影长度[12]。
2 固-液混合电介质模型放电发展仿真分析
固-液混合电介质击穿电路可以等效为如图5所示的电路。电路中，C为储能电容，S为回路控制开关，R为等效电阻，包括储能电容C、连接线以及控制开关上的电阻，L为回路中的等效电感，包括储能电容C、连接线以及等离子放电通道的电感。在放电仿真软件中设置电路等效参数： C=72nF，L=1.4μH，Cs=3nF，R=10KΩ，θR=5。高电压脉冲发生器等效电阻R=R1+（R2-R1）e，式中：R1、R2为电路中的电阻，θR为时间常数。
高电压脉冲破碎固-液混合电介质仿真实验中，设置固体电介质为磁黄铁矿石，液体电介质为去离子水（绝缘液），电极结构为针-针电极，电极间距为10cm，高电压脉冲发生器的输出电压为400kV。经计算，输出能量约为5.76kJ。固-液混合电介质模型放电仿真示意图如图6所示。
在HV-LAB软件中设置电介质材料的相关参数如表1所示。
表1中，Ec为临界电场强度，ε为相对介电常数，α为等离子通道增长速率， 、ξ分别为电导率增长、衰减参数，γ0为初始电导率。
当基本参数设置完成后，开始进行仿真。回路控制开关S闭合瞬间，储能电容C中的能量经过高压电极注入到固-液混合电介质中，等离子通道从高压电极尖端开始增长，通道的增长速度随着外加电压的增加而变快，并更加接近接地电极，放电通道隨机形成分散的放电结构。等离子放电通道三维仿真图如图7所示。其中主放电通道为较粗的那条曲线，并且主放电通道周围分布着较多长度不等、方向各异的随机增长通道。
图7 等离子放电通道三维仿真图
回路中电感L、储能电容C、电阻R以及负载两端的电压随时间变化的曲线图如图8所示。从图中可以看出：负载两端电压Uload最大值为590kV，放电时间约为180ns。在0～160ns的时间内，Uload从0V近似线性增加到590kV。当160 图9表示等离子放电通道内功率与能量随时间变化的关系。当160 从图10中可以看出：当0 图11表示磁黄铁矿石（固体电介质）表面受到高压脉冲作用产生的破碎程度随时间变化的关系。当0 3 结论 （1）当脉冲发生器输出电压为400kV，固体电介质和液体电介质分别为磁黄铁矿石、去离子水，电极结构为针-针电极且电极间距为10cm时，固体电介质内部最大破碎深度约为电极间距的1/3～1/2。 （2）在本仿真条件下，当等离子放电通道内的能量约为总储能的17.7%时，固体电介质破碎程度较严重。 （3）本文采用HV-LAB放电仿真软件对固-液混合电介质模型进行仿真，直观地展示了固-液混合电介质内部等离子通道产生过程以及通道内能量、功率、电压等相关参数随时间变化的关系，为后续高压电脉冲破碎电介质实验提供一定的理论参考。 参考文献： [1]H.Bluhm.Pulsed power systems：Principles and applications[M]. Berlin， Germany： Springer，2006. [2]Zuo W R， Shi F N， Manlapig E. Electrical breakdown channel locality in high voltage pulse breakage [J]. Minerals Engineering，2014，69（196-204）. [3]Wang E， Shi F N， Manlapig E. Experimental and numerical studies of selective Fragmentation of mineral ores in electrical comminution [J]. Int J Miner Process，2012，112（30-6）. [4]Wang E， Shi F N， Manlapig E. Pre-weakening of mineral ores by high voltage pulses [J]. Minerals Engineering，2011，24（5）：455-62. [5]Wang E， Shi F， Manlapig E. Mineral liberation by high voltage pulses and conventional comminution with same specific energy levels[J]. Minerals Engineering， 2012，27：28-36. [6]章志成.高壓脉冲放电破碎岩石及钻井装备研制[D].杭州：浙江大学，2013. [7]章志成，裴彦良，刘振，等.高压短脉冲作用下岩石击穿特性的实验研究[J].高电压技术，2012，38（7）：1719-1725. [8]李宏达，李欣，孟宪江，等.高压脉冲对岩混材料击穿效应的仿真研究[J].南京理工大学学报，2015，39（1）：15-16. [9]Bluhm H， Frey W， Giese H， et al. Application of pulsed HV discharges to material fragmentation and recycling[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2000，7（5）：625-636. [10]Noskov M D， Lopatin V V，Chelokov A A，et al. Investigation of discharge channel elongation under thermal dielectric breakdown[J]. Russian Physics Journal，2003，46（1）：91-92. [11]Andres U. Parameters of disintegration of rock by electrical pulses[J]. Powder Technology，1989，58（4）：265-269. [12]M.D.Noskov， V.V.Lopatin， A.A.Chelokov.etc. Investigation of discharge channel elongation under Thermal dielectric breakdown[J]. Russian Physics Journal，2003，46（1）：91-92.
