CN102998695A - 一种双极性脉冲放电的多电极发射阵 - Google Patents

一种双极性脉冲放电的多电极发射阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极性脉冲放电的多电极发射阵，包括：固定框架、接线柱和2n组发射极，每组发射极由多个发射电极并排组成，所有发射电极均设于固定框架上，发射电极由铜芯和包裹铜芯的绝缘层组成；2n组发射极分为n组正极性发射极及对应的n组负极性发射极；正极性发射极中发射电极的铜芯直径比负极性发射极中发射电极的铜芯直径大。本发明无需专门匹配脉冲电源的输出极性，既可应用于正极性输出的高压脉冲电源，又可应用于负极性输出的高压脉冲电源，且兼具了正极性发射能量效率高和负极性发射电极无损耗的特点，结构简单轻便。

Description

一种双极性脉冲放电的多电极发射阵
技术领域
本发明属于脉冲放电技术领域，具体涉及一种双极性脉冲放电的多电极发射阵。
背景技术
电火花震源是最早应用于海洋地震勘探的非炸药震源之一，其基本过程是电容储能通过水中高压脉冲放电的机械效应产生强脉冲声波。
1956年Knott和Hersey通过简单的电容储能向水中电极放电，产生脉冲压力波可以穿透海底数百米地层，同时通过拖曳形式得到了连续的地层剖面。1957年，Alpine Geophysical公司开发了第一套电火花震源系统。此后的数十年电火花震源发展迅猛，先后有EG&G、Fairfield、Aquatronics等公司开发不同能量等级的系统。目前，电火花震源主要用在海洋高分辨率浅地层地震勘探，尤其是海洋工程地质勘探，电火花震源是必不可少的地质勘探工具。国外已成熟应用的产品主要有荷兰GEO-Spark、法国SIG和英国Applied Acoustic等公司的，国内的产品主要是浙江大学研发的等离子体震源。以上电火花震源产品都由脉冲电源、传输缆和发射阵三个部分构成。其中，脉冲电源主要起到压缩电能，输出强流脉冲的作用，传输缆主要传输电能，发射阵起到电声能量转化的作用，将脉冲电能转化为脉冲声波，即为换能器。
而目前电火花震源采用的发射阵都为多电极结构。不同产品的发射阵结构不同，同时放电的极性也有不同，一般采用正极性放电或负极性放电。
荷兰GEO-Spark公司采用平面阵结构(如图1所示)，所有发射电极都向下排列，框架为不锈钢，框架两侧带有浮球，采用负极性放电。这种发射阵的优点是电极损耗很小，使用寿命在5年以上，缺点是负极性放电的能量效率比正极性放电低，此外这种结构笨重，对拖曳缆的抗拉能力要求较高。
法国SIG公司采用的是类似于鱼骨刺的结构(如图2所示)，发射电极朝向两侧，无框架，结构简单，放电极性为正极性。这种发射阵的优点是结构轻巧，对拖曳缆的抗拉能力要求小，缺点是正极性放电的电极损耗很大，使用寿命在1年以下。
英国Applied Acoustic公司采用的是刷子结构(如图3所示)，发射电极捆绑在一起，方向朝后，放电极性也为正极性，因此寿命较短，此外这种结构可视为点源，发射无指向性，向下发射的能量效率较低。
由于以上3种发射阵都是单极性的，需要与相应的脉冲电源匹配，如正极性放电需采用正极性输出的高压脉冲电源，负极性放电需采用负极性输出的高压脉冲电源。高压输出通过传输线接到发射电极，低压输出接到发射阵的不锈钢框架或者其他裸露在水里的金属导体块上。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种双极性脉冲放电的多电极发射阵，无需专门匹配脉冲电源的输出极性，且能够解决目前正极性放电发射阵的寿命问题，也能够解决负极性放电发射阵能量效率较低，结构笨重的问题。
一种双极性脉冲放电的多电极发射阵，包括：固定框架、接线柱和2n组发射极，每组发射极由多个发射电极并排组成，所有发射电极均设于固定框架上，所述的接线柱位于固定框架的一侧，n为大于0的自然数；
所述的发射电极由铜芯和包裹铜芯的绝缘层组成；铜芯的一端为发射电极的发射头，另一端通过连接线与接线柱相连；
所述的发射极中的发射电极共用一条连接线与接线柱对应的端子相连；
2n组发射极分为n组正极性发射极及对应的n组负极性发射极；正极性发射极中发射电极的铜芯直径比负极性发射极中发射电极的铜芯直径大。
所有发射电极的发射头均竖直朝下指向，或每一组正极性发射极中发射电极的发射头与其对应的一组负极性发射极中发射电极的发射头指向相对。
所述的固定框架为由n+1根横向固定管和两根纵向支撑管相互连接组成的一具有n组框格的框架，每组框格为由两根横向固定管和两根纵向支撑管围成的矩形结构，每组框格的两根横向固定管上分别固定一组正极性发射极及其对应的一组负极性发射极。
相邻框格共用一根横向固定管，该公共横向固定管的两侧分别固定有两组发射极，这两组发射极为同极性。
所述的发射极中发射电极的公共连接线设置于发射极所在的横向固定管内，连接线穿出横向固定管的一端后与接线柱对应的端子相连。
所述的公共横向固定管上两组发射极中的发射电极共用一条连接线，该连接线设置于公共横向固定管内，连接线穿出公共横向固定管的一端后与接线柱对应的端子相连。
优选地，所述的固定框架的另一侧安装有平衡尾翼；能够使发射阵拖曳时保持水平平衡。
所述的固定框架悬浮于水中。
所述的绝缘层采用聚氨酯或其他绝缘材料。
所述的横向固定管、纵向支撑管以及平衡尾翼采用不锈钢材质或者硬质塑料材质。
所述的接线柱为防水密封结构且具有1个进线端子和n+1个出线端子；进线端子连接拖曳缆，n+1个出线端子分别连接n+1根横向固定管所引出的连接线。接线柱可为中空，也可用绝缘介质浇注。
若发射阵所加载的高压脉冲为正极性，则正极性发射极为高压极，负极性发射极为低压极；若发射阵所加载的高压脉冲为负极性，则正极性发射极为低压极，负极性发射极为高压极。发射极的组数以及每组发射极中的发射电极个数由高压脉冲能量决定，每组发射极中的发射电极个数可以相等或不等。
产生水中高压脉冲放电最主要的条件是放电电极尖端具有很高的电场强度和电流密度，这与电极所具有的电势无关，只取决于电极与水的接触面积和水的电导率。接触面积越小，电导率越高，则在相同的能量条件下，放电现象越明显，产生的冲击波越强。单极性脉冲放电是将放电电极连接到脉冲电源的高压输出端，且放电电极只尖端裸露在水中，而脉冲电源的低压输出端连接在发射阵金属框架或大面积裸露在水中的金属块上，因此脉冲放电只发生在高压端。
本发明提出的双极性脉冲放电是将放电电极同时连接在脉冲电源的高压输出端和低压输出端，由于两端的放电电极具有相同的电场强度和电流密度，因此都会产生高压脉冲放电。从电路原理上看，相当于在脉冲电源的高压输出端和低压输出端之间串联了两个负载，因此放电能量会分到两个负载上。
本发明的有益技术效果如下：
(1)本发明采用双极性放电，无需专门匹配脉冲电源的输出极性，既可应用于正极性输出的高压脉冲电源，又可应用于负极性输出的高压脉冲电源。
(2)本发明采用两种规格的发射电极，正极性的发射电极比负极性发射电极粗，较粗的电极直径可减缓正极性发射电极的损耗速度，负极性发射电极无损耗；同时由于正极性脉冲电晕放电的起晕电压比负极性的低，因此正极性放电的能量效率较高，故本发明兼具了正极性发射能量效率高和负极性发射电极无损耗的特点。
(3)本发明采用较简洁的框架结构，解决了负极性发射阵框架笨重的缺点，具有轻巧易操作的特点。
附图说明
图1为荷兰GEO-Spark公司的发射阵系统的结构示意图。
图2为法国SIG公司的发射阵系统的结构示意图。
图3为英国Applied Acoustic公司的发射阵系统的结构示意图。
图4为本发明发射阵一种实例的结构示意图。
图5为本发明发射阵另一种实例的结构示意图。
图6为本发明发射阵正极性放电情况下的声脉冲波形图。
图7为本发明发射阵负极性放电情况下的声脉冲波形图。
图8为本发明发射阵双极性放电情况下的声脉冲波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
如图4所示，一种双极性脉冲放电的多电极发射阵，包括：固定框架3、接线柱2、平衡尾翼4和两组发射极，每组发射极由多个发射电极1并排组成，所有发射电极1均设于固定框架3上，接线柱2位于固定框架3的左侧，平衡尾翼4安装于固定框架3右侧，固定框架3悬浮于水中。
发射电极1由耐高压的铜芯和包裹铜芯的绝缘层组成；铜芯的一端为发射电极1的发射头，另一端通过连接线与接线柱2相连；绝缘层采用聚氨酯，厚度约为2mm；连接线采用同轴传输线，内外导体都为200股直径0.3mm的漆包线。
两组发射极分为一组正极性发射极及其对应的一组负极性发射极；发射电极1的长度为2.5cm，正极性发射极中发射电极1的铜芯直径(1mm)比负极性发射极中发射电极1的铜芯直径(0.5mm)大；正极性发射极中发射电极1的发射头与负极性发射极中发射电极1的发射头指向相对。
固定框架3由两根横向固定管和两根纵向支撑管相互连接组成，两根横向固定管上分别固定正极性发射极和负极性发射极。
发射极中的发射电极1共用一条连接线，该公共连接线设置于发射极所在的横向固定管内，公共连接线穿出横向固定管的一端后与接线柱2对应的端子相连。
纵向支撑管和平衡尾翼4采用304不锈钢材质；横向固定管采用一侧开口的PVC管，内置长度略小于PVC管的铜带，铜带上焊上发射电极1，铜带的一端通过连接线与接线柱2对应的端子相连，最后用环氧树脂对PVC管内部进行浇注，将铜带及其上的焊接点全部密封。
接线柱2为圆柱形的防水密封结构，采用304不锈钢材质并用环氧树脂浇注，其具有1个进线端子和2个出线端子；进线端子连接拖曳缆，2个出线端子分别连接两组发射极从两根横向固定管所引出的连接线。
若发射阵所加载的高压脉冲为正极性，则正极性发射极为高压极，负极性发射极为低压极；若发射阵所加载的高压脉冲为负极性，则正极性发射极为低压极，负极性发射极为高压极。
实施例2
如图5所示，一种双极性脉冲放电的多电极发射阵，包括：固定框架3、接线柱2、平衡尾翼4和四组发射极，每组发射极由多个发射电极1并排组成，所有发射电极1均设于固定框架3上，接线柱2位于固定框架3的左侧，平衡尾翼4安装于固定框架3右侧，固定框架3悬浮于水中。
发射电极1由耐高压的铜芯和包裹铜芯的绝缘层组成；铜芯的一端为发射电极1的发射头，另一端通过连接线与接线柱2相连；绝缘层采用聚氨酯，厚度约为2mm；连接线采用同轴传输线，内外导体都为200股直径0.3mm的漆包线。
四组发射极分为两组正极性发射极及对应的两组负极性发射极；发射电极1的长度为2.5cm，正极性发射极中发射电极1的铜芯直径(1mm)比负极性发射极中发射电极1的铜芯直径(0.5mm)大；每一组正极性发射极中发射电极1的发射头与其对应的一组负极性发射极中发射电极1的发射头指向相对。
固定框架3为由三根横向固定管和两根纵向支撑管相互连接组成的一具有两组框格的框架，每组框格为由两根横向固定管和两根纵向支撑管围成的矩形结构，每组框格的两根横向固定管上分别固定一组正极性发射极及其对应的一组负极性发射极。
发射极中的发射电极1共用一条连接线，该公共连接线设置于发射极所在的横向固定管内，公共连接线穿出横向固定管的一端后与接线柱2对应的端子相连。
两组框格共用一根横向固定管，该公共横向固定管的两侧分别固定有两组发射极，这两组发射极为同极性。公共横向固定管上两组发射极中的发射电极1共用一条连接线，该连接线设置于公共横向固定管内，连接线穿出公共横向固定管的一端后与接线柱对应的端子相连。
纵向支撑管和平衡尾翼4采用304不锈钢材质；横向固定管采用一侧开口的PVC管(公共横向固定管两侧开口)，内置长度略小于PVC管的铜带，铜带上焊上发射电极1，铜带的一端通过连接线与接线柱2对应的端子相连，最后用环氧树脂对PVC管内部进行浇注，将铜带及其上的焊接点全部密封。
接线柱2为圆柱形的防水密封结构，采用304不锈钢材质并用环氧树脂浇注，其具有1个进线端子和3个出线端子；进线端子连接拖曳缆，3个出线端子分别连接四组发射极从三根横向固定管所引出的连接线。
若发射阵所加载的高压脉冲为正极性，则正极性发射极为高压极，负极性发射极为低压极；若发射阵所加载的高压脉冲为负极性，则正极性发射极为低压极，负极性发射极为高压极。
以下我们选用正极性发射电极和负极性发射电极各200个组成的发射阵，发射电极方向相对，电极头间距2cm。该发射阵在正极性和负极性两种脉冲电源的驱动下都可以放电。图6～8是在相同放电能量10J条件下，正极性放电、负极性放电和双极性放电三种情况下的声脉冲波形图。声脉冲波形图是使用同一个水听器在同一位置上测得的结果，由图可见正极性放电和双极性放电的脉冲声波峰值为34V，而负极性放电的脉冲声波峰值为30V；换算成源级，正极性放电和双极性放电的源级为209dB，而负极性放电的为207dB。故本实施方式发射阵负极性放电的能量效率与正极性的相当，负极性发射电极无损耗。

Claims (8)

1.一种双极性脉冲放电的多电极发射阵，其特征在于，包括：固定框架、接线柱和2n组发射极，每组发射极由多个发射电极并排组成，所有发射电极均设于固定框架上，所述的接线柱位于固定框架的一侧，n为大于0的自然数；
所述的发射电极由铜芯和包裹铜芯的绝缘层组成；铜芯的一端为发射电极的发射头，另一端通过连接线与接线柱相连；
所述的发射极中的发射电极共用一条连接线与接线柱对应的端子相连；
2n组发射极分为n组正极性发射极及对应的n组负极性发射极；正极性发射极中发射电极的铜芯直径比负极性发射极中发射电极的铜芯直径大。
2.根据权利要求1所述的多电极发射阵，其特征在于：所有发射电极的发射头均竖直朝下指向。
3.根据权利要求1所述的多电极发射阵，其特征在于：每一组正极性发射极中发射电极的发射头与其对应的一组负极性发射极中发射电极的发射头指向相对。
4.根据权利要求1所述的多电极发射阵，其特征在于：所述的固定框架为由n+1根横向固定管和两根纵向支撑管相互连接组成的一具有n组框格的框架，每组框格为由两根横向固定管和两根纵向支撑管围成的矩形结构，每组框格的两根横向固定管上分别固定一组正极性发射极及其对应的一组负极性发射极。
5.根据权利要求4所述的多电极发射阵，其特征在于：相邻框格共用一根横向固定管，该公共横向固定管的两侧分别固定有两组发射极，这两组发射极为同极性。
6.根据权利要求4所述的多电极发射阵，其特征在于：所述的发射极中发射电极的公共连接线设置于发射极所在的横向固定管内，连接线穿出横向固定管的一端后与接线柱对应的端子相连。
7.根据权利要求5所述的多电极发射阵，其特征在于：所述的公共横向固定管上两组发射极中的发射电极共用一条连接线，该连接线设置于公共横向固定管内，连接线穿出公共横向固定管的一端后与接线柱对应的端子相连。
8.根据权利要求1所述的多电极发射阵，其特征在于：所述的固定框架的另一侧安装有平衡尾翼。
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