单通道电火花震源及其放电实验研究

樊爱龙， 孙鹞鸿， 徐旭哲， 严 萍

(1. 中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2. 中国科学院大学， 北京 100039； 3. 辽宁科技学院, 辽宁 本溪 117004)

单通道电火花震源及其放电实验研究

樊爱龙1,2,3， 孙鹞鸿1， 徐旭哲1， 严 萍1

(1. 中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2. 中国科学院大学， 北京 100039； 3. 辽宁科技学院, 辽宁 本溪 117004)

本文介绍了一套单通道电火花震源系统，主要包括充电和放电两个单元。同时搭建了一个实验平台，由充电机、电火花震源、数字示波器、高压探头和罗氏线圈电流传感器等组成。在此基础上进行实验研究与总结，通过采用本文所述的单通道电火花震源进行放电实验，在不同电极材料、电压和电极间距条件下，对水中等离子体的电特性进行了分析。使用ORIGIN数据分析软件观察了等离子通道的电阻和放电功率在时间域的变化趋势。通过比较总结，得出了放电电流、放电电阻和放电效率等与控制条件之间的关系规律。本文所提及的系列实验为自封闭电极腔等离子体震源的设计提供了参考。

电火花震源； 单通道； 放电换能器； 放电效率

1 引言

震源是产生地震信号的源头，在勘探技术中起着至关重要的作用，它所激发的信号品质直接关系到勘查的效果。

人工地震技术探测矿产资源的物理基础是岩石的弹性差异，其过程可简述为：人工震源产生地震波，地震波在弹性不同的地层内传播，检波器收集反射波和折射波，进行数据分析与处理，进而勘探地层岩性和地下控矿结构。震源可分为炸药震源和可控震源两种。由于炸药震源具有良好的脉冲性能和较高的激发能量，所以，自20世纪20年代一直沿用至今作为资源勘查的震源。我国陆上石油勘探中，约95%都使用炸药震源。其缺点是经过钻井、下药和激发后，进行现场恢复需要大量人力；另外炸药对环境具有破坏性和危险性，使用前必须严格遵守有关安全规定。鉴于此，早在20世纪50年代以前就已开始研究非破坏性的可控震源。可控震源勘探技术是由美国康菲国际石油有限公司在1950年代发展起来的，目前国际上的陆地可控震源主要包括夯击震源、空气枪震源、电磁驱动可控震源、液压式可控震源、精密主动可控震源以及电火花震源[1-3]。

非炸药震源中使用最多的是电火花震源，它利用脉冲电容器组存储电能，通过高压放电开关使放电电极快速在水中释放，借此产生强大的压力脉冲，与大地耦合作用形成地震波，可以在深、浅井和水域中激发。电火花震源最初是一种非常低频率的水下等离子体声源，水下火花放电产生一个高压等离子体和蒸汽泡沫，不断扩大和崩溃，产生一个巨大的声音，其频率大部分在20～200Hz之间[4-7]。之后在等离子体声源的基础上不断改进，应用于垂直地震剖面测井及陆地勘探，成为可以陆用的电火花震源。1966年，美国人J. W. Miller取得了陆地电火花震源的专利[8]。中国科学院电工研究所在20世纪60年代与石油部合作进行了海洋电火花震源的研制工作，1975年与大港油田合作进行了石油地震勘探陆地电火花震源的研制，1980年研制了一种用于中、浅层陆地勘探的ZY-80电火花震源[9]，并与山东煤田地质勘探公司共同在济宁煤田进行了试验，表明电火花震源所得的剖面用于地质解释是可行的；20世纪90年代又进行了电火花震源在垂直地震剖面测井、井间地震、振动采油和工程勘探等方面的应用研究，取得了较好的应用效果[10-17]。“十一五”期间，在国家863计划资助下，电工研究所进行了20kJ海洋大容量电火花震源的研制，主要用于深海海域的油气田井场和路由勘察以及环境工程和基础研究。国家海洋局第一海洋研究所等单位在“十五”期间也进行了浅水的高分辨率多道浅地层探测系统研制工作，取得较好的应用效果。中国中铁股份有限公司中铁西南科学研究院研制的ZDF-3型便携式大容量大功率电火花震源重量只有35kg，激发能量可达10kJ[14]。荷兰地理资源公司研制的16kJ多电极等离子体震源，可以用于深海浅地层研究。近年来，随着脉冲功率技术的发展，脉冲电源的功率密度和能量密度不断提高，电火花震源系统的结构日趋紧凑，且电源模块化使得系统结构可以方便拆卸和组合，在移动和便携方便的优势日渐显著。

电火花震源主要利用大电流放电的液电效应，放电电极需要处在液体介质中，一般陆地震源使用时需在水井中或挖坑注水，而可用于无水地区的电火花震源研究鲜有报道。本文所介绍的单通道电火花震源适于山区等无水环境，使用高效地面换能器技术，以期为我国的金属矿地震勘探提供必要的技术支持。

2 震源设计及实验装置

2.1 主电路设计

此处所介绍的“单通道”电火花震源是相对于后续所设计的“多通道”电火花震源而言的，它产生一路高压脉冲信号，在放电换能器中转换为一路冲击波信号。“多通道”电火花震源则产生多路冲击波信号，可以是多个“单通道”震源的简单组合产生多路冲击波信号，也可以是一个震源或几个震源产生多路冲击波信号。

单通道电火花震源的主电路如图1所示，主要包括充电单元、放电单元两个部分。充电单元主要由调压装置、整流电路、充电电阻和隔离硅堆等构成，主要功能是产生电压幅值连续可调的直流电源向储能电容充电；放电单元主要由储能电容、泄放电阻、泄放开关、电阻分压器电压测量电路、晶闸管、缓冲电路、放电电缆和放电换能器等构成，主要功能是通过控制晶闸管开通将储能电容上存储的电荷在放电电极中瞬间释放。单通道电火花震源的主要工作原理是220V交流市电经过调压器、整流电路、充电电阻、隔离硅堆变为电压幅值可调的高压直流电(0～5kV)储存在储能电容C上，当晶闸管的门极接收到有效触发脉冲时，晶闸管SCR导通，储能电容C经晶闸管SCR、放电电缆向放电电极中的多电极束放电，产生冲击压力波，通过与地面耦合，最终形成地震波。

图1 主电路图Fig.1 Schematic diagram of main circuit

设置充电电阻的目的为：①在系统充电时，限制过高的充电电流，进而保护储能电容和整流电路；②当电容发生短路击穿时，限制短路电流，以免造成调压装置损坏。设置隔离硅堆的主要目的是防止晶闸管关断瞬间产生过高的反向电压和电流，串入到充电单元造成充电单元的损坏，实质上在充电单元和放电单元之间起到隔离作用。设置泄放电阻和泄放开关的目的在于泄放充电或放电过程中储能电容中的残余电荷。设置电阻分压器电压测量电路的目的是取样充电电压，在机箱仪表盘显示，以便实时观察，避免电压过冲。设置缓冲电路的目的是对晶闸管开通和关断过程实施保护，吸收晶闸管在导通关断瞬间的尖峰电压，减小晶闸管的应力，同时放慢开关管的速度，降低du/dt，吸收尖峰，缓冲及减小开关损耗作用，此外也利于改善整机的电磁兼容环境。

负载为放电电缆和放电换能器，放电换能器如图2所示。放电换能器主要由金属盖、缓冲弹簧、上部绝缘套筒、多电极束、金属上筒、可更换式下筒及下部绝缘套筒等组成。上部绝缘套筒套设在多电极束的上部，金属上筒内部设有卡位，上部绝缘套筒和多电极束整体置于金属上筒内部的卡位处，上下绝缘套筒、多电极束以及可更换式下筒围成放电空腔，放电空腔内注满盐液体，多电极束下部置于3%的盐液体中；金属上筒与金属盖通过螺纹连接，上部绝缘套筒与金属盖之间具有缓冲腔，缓冲腔内设有缓冲弹簧。放电换能器是单通道电火花震源设计的主要创新之处，其中封闭腔体的设计使该震源适合于无水环境的陆地勘探；筒状设计解决了电极放电端部易破碎和液体空间不足的问题；电极下端圆柱形绝缘电缆束的设计解决了电极易烧蚀的问题，电缆束不留空隙地捆扎在一起也节省了电极下端的封闭空间；分层设计使拆卸和更换电极、倒入液体等更加方便；分体设计也使测量更加方便；可更换式下部内绝缘筒的设计使得电极的间距能够调节，便于试验的对比分析和电晕、电弧放电的有效选择，增加了现场勘测调节的灵活性；更重要的是缓冲腔及缓冲弹簧的设计增加了震动波的低频成分，它能有效减少振动波在地下的衰减，进而提高震源的放电效率。

图2 换能器结构图Fig.2 Transducer structure diagram

2.2 设计指标

单通道电火花震源的具体参数为：可在输出电压5 kV的状态下长时间稳定工作，爆发式运行的电压最大值为5.5kV，输出电压连续可调；可承受10kA的放电电流；可调整的延时时间为1～9999μs，延时输入方式为拨码开关设置；脉冲延时抖动为1μs，脉冲宽度为100～500μs；所激发地震波的频率范围为10～300Hz。

2.3 实验平台说明

记录仪器采用Tektronix TPS 2024B示波器，带宽200MHz，采样率2GS/s；放电电压使用Tek P6015A(带宽75MHz，分压比1000:1)电压探头测量；晶闸管支路电流使用同轴分流器，换能器放电电流使用Pearson6600线圈测量，其变比为0.1 V/A。各实验装置的连接图如图3所示。晶闸管的负极端与放电电缆的中心铜线相连，放电电缆的网状导电层与储能电容的负极相连；触发器的输出正负极分别连接所述晶闸管的控制端与负极端，由延时控制电路控制触发器工作，进而控制晶闸管的导通与闭合。在放电电极端，放电电极嵌入到地下，放电电极的多电极束引出端与放电电缆的中心铜线相连，放电电极的金属盖负极端子经高压线与放电电缆的网状导电层相连，罗氏线圈互感器(电流线圈)套在高压线上，传感头接入到示波器的CH1通道，电压探头搭接在电缆束的引出端，另一端接入到示波器的CH2通道。

图3 实验装置示意图Fig.3 Schematic view of experimental set-up

3 单通道电火花震源放电实验

利用所设计的单通道电火花震源进行了放电实验，研究了不同电极材料、电极数目、电压、电极间距对放电电流、放电等效电阻、放电效率的影响。

3.1 不同电极材料的放电实验

我们分别选择了一种金属材料和一种绝缘材料作为放电换能器下筒。金属材料时，由于金属筒与电缆的负极端设计成一体结构，正极为高压束状电极，负极为金属下筒，当触发SCR导通时，被存储在高压电容器中的电荷瞬间在盐溶液中释放，放电等离子体电流通道绝大部分自上而下直达金属下筒底部。当放电换能器下筒为绝缘材料时，正极为高压束状电极，负极为金属上筒，放电等离子体电流通道类似于开口向上的抛物面。由于在放电通道的方向、路径和体积上有差别，此处通过实验比较放电换能器下筒为金属材料和绝缘材料时放电等离子体液体传导电流通道的变化对电流波形的影响程度。

使用绝缘筒电极材料和金属筒材料电极在3.8cm间距和4600V电压条件下典型的放电电流波形分别如图4和图5所示。经转换后，图4和图5中的峰值放电电流分别约为460A 和485A，即使用金属材料电极所获得的放电电流略大于使用非金属材料电极所获得的放电电流。

图4 使用绝缘筒获得的放电电流波形Fig.4 Discharge current waveform of insulating tube

图5 使用金属筒获得的放电电流波形Fig.5 Discharge current waveform of metallic outer tube

当放电电压、电极间距相同的条件下，所测得的电流波形和所合成的放电电阻波形没有发生明显的变化，典型的放电电压、电流和电阻波形如图6所示。

图6 典型的放电电压、电流和电阻波形Fig.6 Typical discharge voltage，current，and resistance waveforms

当分别采用金属材料和绝缘材料作为放电换能器下筒时，在相同位置检波器所检测的地震波强度有差别，地震波波形如图7所示。可以看出，金属材料作为放电换能器下筒时，地震波峰值强度小于采用绝缘材料时的波峰值强度。由于放电电流差别不大，故原因在于冲击波经不同换能器下筒传导上的差别。

图7 采用金属材料和绝缘材料下筒时典型的地震波波形Fig.7 Typical seismic wave waveforms of discharge of metal and insulation materials

3.2 不同电压条件下的放电实验

图8 2cm电极间距和2kV电压条件下的放电电阻Fig.8 Curve of discharge resistance under conditions of 2cm gap distance and voltage of 2kV

图9 2cm电极间距和4.8KV电压条件下的放电电阻Fig.9 Curve of discharge resistance under conditions of 2cm gap distance and voltage of 4.8kV

图10 2cm电极间距和2kV电压条件下的功率曲线Fig.10 Curve of discharge power under conditions of 2cm gap distance and voltage of 2kV

图11 2cm电极间距和4.8kV电压条件下的功率曲线Fig.11 Curve of discharge power under conditions of 2cm gap distance and voltage of 4.8kV

可以看出，放电等离子体通道的电阻和功率的变化趋势是相同的，但在2kV放电时等离子通道的低电阻持续时间比4.8kV放电时要大。在放电前期，等离子通道的电阻值都在4Ω左右。经转换，2kV放电条件下，放电能量约为242J，放电效率约为 75.6%；4.8kV放电条件下，放电能量约为1493J，放电效率约为80.9%。从图8～图10和实验数据中可以得出，随着电压的提高，放电等离子体的电能转化率也随之增加。

在高压电容器大小、放电换能器和液体浓度相同的情况下，经计算，4.8kV放电时的放电电能是2kV放电时的6倍之余，但在同一地点，检波器所检测到的地震波峰值能量却仅不到3倍，如图12所示。此处与3.1节结论相互印证，放电换能器对地震波能量的影响高于放电电压的影响。

图12 4.8kV和2kV时典型的地震波波形Fig.12 Typical seismic waveforms under conditions of 2kV and 4.8kV

3.3 不同电极间距条件下的放电实验

实验中电极间隙距离从1cm开始，每一轮实验间隔增加1cm，直到电极间距调整为6cm。图13～图15分别为电极间距为1cm、2cm和4cm，放电电压为3.75kV时的典型的电流波形。

图13 1cm电极间距和3.75kV电压时典型的电流波形Fig.13 Typical discharge current waveform under conditions of 1cm gap distance and voltage of 3.75kV

图14 2cm电极间距和3.75kV电压时典型的电流波形Fig.14 Typical discharge current waveform under conditions of 2cm gap distance and voltage of 3.75kV

图15 4cm电极间距和3.75kV电压时典型的电流波形Fig.15 Typical discharge current waveform under conditions of 4cm gap distance and voltage of 3.75kV

从图13～图15和实验数据可以看出，相同电极间隙距离时，放电电流波形基本一致。而当电极间隙距离改变时，放电电流开始变化，且当放电电极间隙距离大于4cm时，电流变化较小；间隙距离小于4cm时，随着电极间距的减小，放电电流增加显著，但是同时发生电弧放电的概率变大。此处结论虽是利用本文采用的电极得出的，但是不失一般性，针对其它结构的电极，也有类似的极限值。

4 结论

本文设计了一套单通道电火花震源系统，可在5kV的状态下稳定工作，脉冲宽度为100～500μs，可承受1.5kA的放电电流。介绍了单通道电火花震源系统的工作原理，搭建了实验平台。放电实验表明，无论采用金属材料还是绝缘材料作为换能器下筒，放电电流波形基本一致，使用金属电极材料时放电电流略大于使用绝缘材料时，但是检测到的地震波能量却小于使用绝缘材料检测到的地震波能量。不同电压条件下，放电等离子体通道的电阻和功率的变化趋势是相同的，但等离子通道的低电阻持续时间随着电压的提高而减小，电效率也随着电压的升高而增加；放电换能器对地震波能量的影响甚至高于放电电压的影响。相同电极间隙距离时，放电电流波形基本一致；当电极间距小于某个值时，随着间距的减小，放电电流增加显著，但是发生电弧放电的概率变大。

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Single channel electric spark source and discharge experimental study

FAN Ai-long1,2,3, SUN Yao-hong1, XU Xu-zhe1, YAN Ping1

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Liaoning Institute of Science and Technology, Benxi 117004, China)

In this paper, a set of single channel electric spark source system is introduced, which mainly includes two units of charging and discharging. At the same time, the experiment platform is built, which is composed of charger, electric spark source, digital oscilloscope, voltage probe, and Rogowski coil current sensor. The discharge experiment is carried out by using the single channel electric spark source. Under different electrode materials, different voltages and electrode spacings, the electrical characteristics of the plasma in water are analyzed. By using the ORIGIN data analysis software, the variation trends of the plasma channel resistance and the discharge power in the time domain are observed. By comparison, the relationship between discharge current, discharge resistance, discharge efficiency and control conditions are obtained. The series experiments mentioned in this paper provide a reference for the design of the plasma source of the self enclosed cavity.

electric spark source; single channel; discharge transducer; discharge efficiency

2015-11-17

国家重大科研装备研制项目(ZDYZ2012-1-06-02)、 国家自然科学基金资助项目(51277171；11411130178)

樊爱龙(1976-)， 男， 吉林籍， 副教授， 博士研究生， 研究方向为脉冲放电技术; 孙鹞鸿(1968-)， 男， 安徽籍， 研究员， 博士生导师， 研究方向为高压大电流脉冲放电技术、 大功率高频高压电源技术(通信作者)。

TM89

A

1003-3076(2016)05-0048-07