CN103021400B - 两级电源式海中电火花声源 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

两级电源式海中电火花声源

[技术领域]

本发明属于脉冲功率技术领域，尤其涉及一种用高压脉冲放电产生水下冲击波的装置。

[背景技术]

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、基于单一储能电容的海中电火花声源，有着三个固有的缺陷：

(1)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10kV/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.ASemi-empirical model for the pre-breakdown-heating process in the underwaterdischarge acoustic source[J].IEEE.Trans.Plas.Sci,2012,40(1):98～111，下文简称《Semi-empirical model》)，单一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→②预击穿加热→③火花击穿→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一电极扩展，形成一条高温、稀薄、半径在μm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《Semi-empirical model》，预击穿加热结束时储能电容上的电压(剩余电压U_remain)决定了随后的火花击穿阶段所生成电弧的温度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U₀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，剩余电压U_remain越接近充电电压U₀。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U_remain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，对于冲击波强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一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，输出冲击波强度与电声转换效率是无法兼顾的。

本发明就是为了解决传统的基于单一储能电容的海中电火花声源的上述三个缺陷。

[发明内容]

本发明的根本目的，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。

本发明采用的技术方案是：

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。

作为本发明的进一步改进，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。

作为本发明的进一步改进，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。

作为本发明的进一步改进，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、隔离二极管26、维持电容27、第一电光转换器28。

所述低压预热电容1的正端连接到所述接入主开关22的常开端，所述接入主开关22的公共端，经过平行电缆12后，连接第一外围脱离开关231的公共端，所述第一外围脱离开关23的常开端连接IGBT开关的漏极。

所述直流电源21的负端连接系统共地端，所述直流电源21的正端连接到所述接入主开关22的常闭端，所述接入主开关22的公共端，经过平行电缆12、第一外围脱离开关23-1的常闭端后，连接到所述核心脱离开关24的常闭端；所述核心脱离开关24的公共端连接到为放电控制微机5供电的蓄电池25-1的正端；所述蓄电池25-1的负端经过第二外围脱离开关23-2后连接系统共地端。

所述接入主开关22的吸合线圈由独立供电的逻辑与判断器30所驱动，所述总控制微机4所发出的就绪信号通过就绪信号光纤31进入逻辑与判断器30一个输入端，所述第一电光转换器28所发出的弱电脱离信号通过应急判断光纤29进入逻辑与判断器30的另一个输入端。

所述核心脱离开关24的吸合线圈的一端连接放电控制微机5，另一端连接所述放电控制微机5的独立地；所述核心脱离开关24的常开端连接到所述第一电光转换器28的电输入端，所述核心脱离开关24的常开端经过所述隔离二极管26后，分别连接到第一外围脱离开关23-1和第二外围脱离开关23-2的吸合线圈，所述第一外围脱离开关23-1和第二外围脱离开关23-2的吸合线圈上并联有维持电容27。

作为本发明的进一步改进，所述工作/预备切换装置11还包括开关驱动供电切换模块11-3，所述开关驱动供电切换模块11-3包括第二电光转换器32-1、第三脱离开关33-1、第四脱离开关33-2、为IGBT开关6的驱动模块供电的蓄电池25-2；所述第二电光转换器32-1分别与第三脱离开关33-1和第四脱离开关33-2连接；所述第三脱离开关33-1的常闭端经过所述IGBT驱动电源充电限流装置35-1后连接到所述核心脱离开关24的公共端；所述第三脱离开关33-1的公共端、第四脱离开关33-2的公共端分别连接所述蓄电池25-2的正端和负端；所述第三脱离开关33-1的常开端、第四脱离开关33-2的常开端构成所述开关驱动供电切换模块11-3的输出端，连接到所述IGBT开关6的驱动模块。

作为本发明的进一步改进，所述工作/预备切换装置11还包括充电机控制供电切换模块11-4，所述充电机控制供电切换模块11-4包括第三电光转换器32-2、第五脱离开关34-1、第六脱离开关34-2、为直流逆变充电机2的控制模块供电的蓄电池25-3；所述第三电光转换器32-2分别连接第五脱离开关34-1和第六脱离开关34-2；所述第六脱离开关34-2的常闭端经过所述充电机控制电源充电限流装置35-2后连接到所述核心脱离开关24的公共端；所述第五脱离开关34-1的公共端、第六脱离开关34-2的公共端分别连接所述蓄电池25-3的正端和负端；所述第五脱离开关34-1的常开端、第六脱离开关34-2的常开端构成所述充电机控制供电切换模块11-4的输出端，连接到所述直流逆变充电机2的控制模块。

本发明的核心思想是，首先利用一个较低的电压来对海中放电间隙中的水进行预击穿加热，然后再用较高的电压完成海中放电间隙的火花击穿并驱动随后的电弧爆轰过程。由于首先施加的电压较低，电极表面不会有引燃过程，海中放电间隙中也不会生成初始电弧。于是，两级电源式海中电火花声源产生冲击波的过程可缩简为三个阶段：

①预击穿加热→②火花击穿→③电弧爆轰

其中，在预击穿加热阶段，水中的离子电流将成为唯一的预击穿加热机制。本发明针对传统单一储能电容驱动的海中电火花声源所做出的改进将达成如下积极效果：

(1)连接电缆成本的下降。预击穿加热电压的下降使得本发明不再需要高压电缆来连接水上部分和水下部分。同时，在预击穿加热阶段(持续时间为数毫秒)，放电电路对于寄生电感的要求并不高。因此，我们可以使用市场上成熟的平行电缆例如电焊机电源线来连接水上部分和水下部分，连接电缆的成本大为下降。

(2)冲击波产生时刻随机性的消除。在预击穿加热阶段，海中放电间隙中只存在离子电流这一种稳定的加热机制。而本发明可以通过控制IGBT开关导通的时间，来人为地控制预击穿加热阶段的持续时间，从而彻底地消除了冲击波产生时刻的随机性。

(3)冲击波强度和电-声转换效率的兼顾。在本发明中，为预击穿加热提供能量的电源，与为电弧爆轰提供能量的电源实现了分离。放电冲击波强度，可以通过改变水下部分中的高压爆轰电容的充电电压来得到调整。与此同时，可以通过选择一个适中大小的高压爆轰电容来达到电声转换效率的最大化。

[附图说明]

图1为本发明所述两级电源式海中电火花声源的电路原理图；

图2为本发明所述两级电源式海中电火花声源的工作流程图；

图3为本发明中高低压隔离装置和触发装置的结构示意图；

图4为本发明中工作/预备切换装置的结构示意图。

[具体实施方式]

以下结合附图和具体实施方式对本发明的内容作进一步说明。

如图1所示，图中：1为低压预热电容，2为直流逆变充电机，3为高压爆轰电容，4为总控制微机，5为放电控制微机，6为IGBT开关，7为高低压隔离装置，8为海中放电间隙，9为触发装置，10为气体开关，11为工作/预备切换装置，12为平行电缆，13为指令传送光纤。

本发明所述两级电源式海中电火花声源由水上、水下两部分组成，包括低压预热电容1、直流逆变充电机2、高压爆轰电容3、总控制微机4、放电控制微机5、IGBT开关6、高低压隔离装置7、海中放电间隙8、触发装置9、气体开关10以及工作/预备切换装置11、平行电缆12、指令传送光纤13。

其中，位于水上部分的低压预热电容1、平行电缆12、以及位于水下部分的IGBT开关6、高低压隔离装置7和海中放电间隙8构成了击穿前预热放电回路；位于水下部分的高压爆轰电容3、气体开关10、海中放电间隙8构成击穿后剧烈放电回路。所述海中放电间隙8与低压预热电容1、高压爆轰电容3的一端都连接到系统共地端图1中标记为O的接地端。

低压预热电容1用来存储预击穿加热过程所需要的能量，直流逆变充电机2用于对高压爆轰电容3进行充电，高压爆轰电容3用来存储电弧爆轰过程所需要的能量。总控制微机4位于水上部分，用于控制整个系统工作，放电控制微机5用来控制直流逆变充电机2和IGBT开关6的工作。高低压隔离装置7用来隔离气体开关10击穿后带来的高电压并保护其左端的IGBT开关6。海中放电间隙8用来产生水中电弧和冲击波。触发装置9用来产生一个触发气体开关10导通的高压触发脉冲。工作/预备切换装置11用来将为水下弱电模块(包括放电控制微机、IGBT开关的驱动模块、直流逆变充电机的控制模块)供电的蓄电池连接到平行电缆上，从而在系统非工作期间，可用一个外部直流电源经过平行电缆对这些蓄电池进行充电。指令传送光纤13与平行电缆12并行，用于总控制微机4和放电控制微机5之间的通信。

在系统的预备状态，位于水上部分的直流电源21和位于水下部分的蓄电池的负端都连接到系统共地端，直流电源21可通过平行电缆12对蓄电池进行充电；在系统的工作状态，工作/预备切换装置11可以切断直流电源21和蓄电池与平行电缆12的连接，同时开启位于水上部分的低压预热电容1和位于水下部分的IGBT开关6与平行电缆12的连接。

本发明的工作流程如图2所示：

在系统的预备期，外部交流电源(市电)将大容量低压预热电容1充电至指定电压。同时外部直流电源利用工作/预备切换装置11和平行电缆12，对水下弱电模块的蓄电池进行充电，所述水下弱电模块包括放电控制微机5、IGBT开关6的驱动模块、直流逆变充电机2的控制模块。系统预备完毕后，利用工作/预备切换装置11将水下弱电模块的蓄电池与平行电缆12分离。

在系统的工作期，低压预热电容1首先利用直流逆变充电机2向高压爆轰电容3进行恒流充电；充电完毕后，总控制微机4通过指令传送光纤13向放电控制微机5传送预击穿加热放电命令，使IGBT开关6导通；低压预热电容1经过平行电缆12和高低压隔离装置7向海中放电间隙8进行预击穿加热放电；放电控制微机5在预击穿加热完成后，关断IGBT开关6，触发装置9自动产生一个触发脉冲，并导致气体开关10导通。高压爆轰电容3经过气体开关10向海中放电间隙8进行放电；海中放电间隙8完成击穿，生成了高温、高压的水中电弧，并最终生成放电冲击波。

在低压预热电容1内的能量充足的情况下，图2所示工作期可重复数次。当低压预热电容1上的电压下降到一定程度，系统进入休整期，外部交流电源将对低压预热电容1进行恢复性充电。

为了实现本发明较好的技术效果，还需要解决三个相关的技术问题：

(1)低压放电(用于预击穿加热)与高压放电(用于电弧爆轰)之间的耦合、隔离。由于击穿前预热放电回路中存在着昂贵的IGBT开关6，因此需要有一种保护装置能够阻挡击穿后剧烈放电回路中的高电压。同时，该装置也要能够允许击穿前预热放电回路中产生的放电电流，能够进入位于击穿后剧烈放电回路中的放电目标：海中放电间隙8。

(2)低压放电结束后，用于触发高压放电的触发脉冲的自动产生。由于预击穿加热和火花击穿本应是两个紧密衔接的过程，因此，需要有一种触发装置能够在低压放电脉冲的下降沿处，产生一个可以触发气体开关10的高压触发脉冲。

(3)系统工作/预备状态的切换。在系统的工作状态下，剧烈的放电电流将产生很强的电磁干扰。由于水下部分中同时存在着强电模块和弱电模块，因此每个弱电模块都应使用独立的蓄电池进行供电(通过外部电缆引入供电将同时引入电磁干扰)。而蓄电池的储能有限，因此，需要有一种手段能够对水下弱点模块的蓄电池进行充电。在系统的预备期，重复利用平行电缆12是一个不错的方案，该方案还可以极大地化简水上、水下部分连接电缆的组成结构。为达成此目标，需要有一种切换装置：一方面，该切换装置能够在系统的预备状态下，利用平行电缆12对水下弱电模块的蓄电池进行充电；另一方面，该切换装置能够在系统的工作状态下，使水下弱电模块的蓄电池脱离平行电缆12。

图3所示为本发明中高低压隔离装置和触发装置的结构示意图。图中：14为高低压隔离二极管，15为阻回吸电感，16为尖峰吸收旁路，17为蓄能变压器，18为正峰吸收网络，19为升压变压器，20为隔离电容。

高低压隔离装置7有效解决了上述第一个技术问题。

高低压隔离装置7的输入端连接到IGBT开关6的源极(图3中的S点)，其输出端连接到气体开关10的阴极(图3中的K点)和海中放电间隙8的阳极(图3中的I点)之间的公共点(图3中的A点)。

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。其中，阻回吸电感15和高低压隔离二极管14构成串联，阻回吸电感15的一端(图3中的M点)，作为高低压隔离装置7的输入端，连接到IGBT开关6的源极(图3中的S点)，另一端(图3中的N点)连接到高低压隔离二极管14的阳极。高低压隔离二极管14的阴极，作为高低压隔离装置7的输出端，连接到气体开关10的阴极(图3中的K点)和海中放电间隙8的阳极(图3中的I点)之间的公共点(图3中的A点)。

尖峰吸收旁路16为两组独立的电阻、电容串联结构，两组串联结构的一端分别连接阻回吸电感15的两个输入端(图3中的M、N点)，另一端均连接系统共地端(图3中的O点)。

图3所示的高低压隔离装置7的工作原理可描述如下：

当气体开关10击穿后，A点将获得一个高压，此时高低压隔离装置7中的高低压隔离二极管14并不能立即转入截止状态，因为实际中的二极管相当于理想二极管与该二极管PN结电容的并联(二极管额定电流越大，结电容越大)。该结电容的充电将导致二极管中存在一个瞬态的尖峰电流(恢复电流)，该尖峰电流如果进入IGBT开关6，将有可能造成IGBT开关6的损坏。此时，高低压隔离装置7中的尖峰吸收旁路16将为这个瞬态的尖峰电流(恢复电流)提供一条阻抗更小的回路，从而起到了保护IGBT开关6的作用。

同时，由于击穿后剧烈放电回路中总是存在着寄生电感(图3中的L_p)，因此，高低压隔离装置7的输出端A点将在气体开关10击穿后的某个时刻出现瞬态的负高压(LRC放电回路特有的振荡现象)。此负高压将导致高低压隔离二极管14的导通，并可能超过IGBT开关6的额定电压。该负高压如果传导至IGBT开关6的源极(图3中的S点)，则会造成IGBT开关6的损坏。此时，高低压隔离装置7中的阻回吸电感15将对该负高压形成较高的阻抗，而尖峰吸收旁路16将为这个瞬态负高压提供一条阻抗更小的回路，从而起到了保护IGBT开关6的作用。

在持续时间为数微秒的剧烈放电结束后，尖峰吸收旁路16中的电容上所累积的电荷，将通过尖峰吸收旁路16与阻回吸电感15所形成“π”型LRC阻尼振荡回路进行耗散。此时整个系统处于100ms左右的(第二次)充电周期，完全可以保证累积电荷能够完全耗散。

图3所示的触发装置9有效解决了上述第二个技术问题。触发装置9的输入端连接到IGBT开关6的源极(图3中的S点)与高低压隔离装置7的输入端(图3中的M点)之间的公共端(图3中的B点)，其输出端连接到气体开关10的触发极(图3中的G点)，其接地端连接到系统共地端(图3中的O点)。

触发装置9的组成包括蓄能变压器17、正峰吸收网络18、升压变压器19和隔离电容20。其中，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IGBT开关6的源极与高低压隔离装置7的输入端之间的B点；原边的另一端接入系统共地端(图3中的O点)。蓄能变压器17的副边两端，经过一个由三只二极管构成的“π”型四端网络(即正峰吸收网络18)后，接入升压变压器19的原边两端；升压变压器19的副边一端接入系统共地端(图3中的O点)，另一端经过隔离电容20后，作为触发装置9的输出端，连接到气体开关10的触发极(图3中的G点)。

图3所示的触发装置9的工作原理可描述如下：

在预加热放电周期，低压预热电容1经过IGBT开关6，将一个近似方波电流注入到蓄能变压器17的原边。蓄能变压器17的副边将感应出前后相接的两个正、负脉冲信号，其中正脉冲信号出现在IGBT开关6的导通时刻，负脉冲信号将出现在IGBT开关6的关断时刻。正峰吸收网络18将吸收正脉冲信号而保留负脉冲信号。在IGBT开关6的关断时刻，蓄能变压器17副边产生的负脉冲信号将送至升压变压器19的原边。最后，升压变压器19的副边所感应出的负高压脉冲经过隔离电容20后，将使气体开关10导通。

触发装置9可以保证爆轰放电紧接着预击穿加热放电进行。

图4所示的工作/预备切换装置11有效解决了上述第三个技术问题。

工作/预备切换装置11主要划分为四个部分，其中11-1为低压预热电容放电切换模块，用于控制1和直流电源2与平行电缆12的接入、断开；11-2为放电控制微机供电切换模块，负责控制为放电控制微机5供电的蓄电池25-1与平行电缆12的接入、断开；11-3为开关驱动供电切换模块，负责控制为IGBT开关6的驱动模块供电的蓄电池25-2与平行电缆12的接入、断开；11-4为充电机控制供电切换模块，负责控制为直流逆变充电机2的控制模块供电的蓄电池25-3与平行电缆12的接入、断开。

图中：21为直流电源，22为接入主开关，23-1为第一外围脱离开关，23-2为第二外围脱离开关，24为核心脱离开关，25-1、25-2、25-3分别为向放电控制微机、IGBT开关的驱动模块、直流逆变充电机的控制模块进行供电的蓄电池，26为隔离二极管，27为维持电容，28为第一电光转换器，29为应急判断光纤，30为逻辑与判断器，31为就绪信号光纤，32-1为第二电光转换器、32-2为第三电光转换器，33-1为第三脱离开关、33-2为第四脱离开关，34-1为第四脱离开关、34-2为第五脱离开关，35-1为IGBT驱动电源充电限流装置，35-2为充电机控制电源充电限流装置。

在功能上和电路构成上，11-1和11-2负责响应弱电脱离命令。11-3和11-4可视为11-1和11-2的扩展。11-1和11-2的主要部件包括：继电器JD4构成的接入主开关22、平行电缆12、继电器JD2和JD3构成的第一外围脱离开关23-1和第一外围脱离开关23-2，继电器JD1构成的核心脱离开关24、为放电控制微机5供电的蓄电池25-1、隔离二极管26、维持电容27、第一电光转换器28、应急判断光纤29、逻辑与判断器30、就绪信号光纤31。

上述器件的连接可描述如下：

作为工作回路，低压预热电容1的正端连接到接入主开关22的常开端。接入主开关22的公共端，经过平行电缆12，连接第一外围脱离开关23-1(JD2)的公共端。第一外围脱离开关23-1(JD2)的常开端连接IGBT开关6的漏极(图4中的L点)；

作为预备回路，直流电源21的负端接系统共地端(图4中的O点)，正端连接到接入主开关22的常闭端。接入主开关22的公共端，经过平行电缆12、第一外围脱离开关23-1(JD2)的常闭端后，连接到核心脱离开关24的常闭端；核心脱离开关24的公共端连接蓄电池25-1的正端；蓄电池25-1的负端经过第二外围脱离开关23-2(JD3)后连接系统共地端(图4中的O点)；需要注意的是图4中标号为“$”的接地端并非系统共地端，而是放电控制微机5独有的接地端，下文统称为放电控制微机5的独立地。此接地端仅在系统处于预备状态时才连接系统公共地。

作为水上部分的逻辑判断电路11-1，接入主开关22的吸合线圈由独立供电的逻辑与判断器30所驱动。总控制微机4所发出的就绪信号通过就绪信号光纤31进入逻辑与判断器30一个输入端。水下部分的第一电光转换器28所发出的弱电脱离信号通过应急判断光纤29进入逻辑与判断器30的另一个输入端。

作为水下部分的逻辑判断电路11-2，核心脱离开关24的吸合线圈由放电控制微机5所驱动。核心脱离开关24的常开端将连接两个子模块：一方面，连接到第一电光转换器28的电输入端，第一电光转换器28所输出的弱电脱离信号将通过应急判断光纤29进入逻辑与判断器30的一个输入端。另一方面，经过隔离二极管26后，连接到外围脱离开关23-1和23-2的吸合线圈(吸合线圈另一端连接图4中标号为“$”的接地端)。外围脱离开关23-1和23-2的吸合线圈上并联有维持电容27。

图4所示的工作/预备切换装置11的主要部分11-1，11-2的工作原理可描述如下：

接入主开关22、第一外围脱离开关23-1和第一外围脱离开关23-2、核心脱离开关24的默认状态使得系统处于预备状态，即直流电源21通过接入主开关22、平行电缆12、第一外围脱离开关23-1和第一外围脱离开关23-2、核心脱离开关24对蓄电池25-1进行充电(预备回路为图4中的U点→V点→W点→Y点→A点→B点→O点)。

蓄电池25-1充电完毕，总控制微机4利用命令传送光纤13向放电控制微机5传送弱电脱离命令，构成核心脱离开关24的继电器JD1的吸合线圈的X端获得高电平，核心脱离开关24的常开端(图4中的D点)获得与蓄电池25-1一样的电压。该电压将实现两个功能：一方面，第一外围脱离开关23-1和第一外围脱离开关23-2转换状态，从而使水下弱电模块的蓄电池脱离预备回路，同时使IGBT开关6连接到平行电缆12；另一方面，第一电光转换器28输出弱电脱离信号，通过应急判断光纤29送往逻辑与判断器30。

根据逻辑与判断器30的构成，通过应急判断光纤29送来的弱电脱离信号还不足以使接入主开关22改变状态。此时，由直流电源21、平行电缆12、IGBT开关6、高低压隔离装置7、海中放电间隙8构成的预备回路还可以通过回路中的电流来检测系统中的半导体强电器件(包括IGBT开关6和高低压隔离装置7)是否良好。

当预备回路完成了蓄电池的充电和半导体强电器件的检测后，总控制微机4通过就绪信号光纤31送出就绪信号，逻辑与判断器30驱动接入主开关22转换状态。此时，系统进入工作状态。

此外，还需要考虑高压爆轰电容3剧烈放电时，上述工作/预备切换装置能否保障弱电模块的安全。当放电控制微机5受到电磁干扰而不能正常工作，X端的电压由高跳变至低时，核心脱离开关24的常开端(图4中的D点)也将失去高电平。此时，第一电光转换器28将立即通知逻辑与判断器30，接入主开关22将开始切断低压预热电容1与平行电缆12的连接。与此同时，维持电容27将在一定的时间内维持第一外围脱离开关23-1和第一外围脱离开关23-2的吸合线圈中的电流，从而在一定的时间内保持蓄电池25-1与平行电缆12的脱离状态。直到接入主开关22彻底切断低压预热电容1与平行电缆12的联系后，外围脱离开关23才使蓄电池25-1重新接入预备回路，从而保证了弱电模块的安全。

图4中，11-3的电路构成可视为11-2的简化与扩展，当系统处于预备状态时，直流电源21经过由U点→V点→W点→Y点→A点构成的预备回路后，再经过IGBT驱动电源充电限流装置35-1和第三脱离开关33-1、第四脱离开关33-2，对蓄电池25-2进行充电。当系统转换为工作状态时，指令传送光纤13传送过来的弱电脱离命令使得11-3中的第二电光转换器32-1导通，与第二电光转换器32-1构成串联的第三脱离开关33-1、第四脱离开关2的吸合线圈从而工作，使得蓄电池25-2脱离预备回路，转而向IGBT开关6的驱动模块供电。

11-4的工作原理与11-3一致，当系统处于预备状态时，直流电源21经过由U点→V点→W点→Y点→A点构成的预备回路后，再经过充电机控制电源充电限流装置35-2和第五脱离开关34-1、第六脱离开关34-2，对蓄电池25-3进行充电。当系统转换为工作状态时，指令传送光纤13传送过来的弱电脱离命令使得11-4中的第三电光转换器32-2导通，与第三电光转换器32-2构成串联的充电机控制电源脱离开关34-1、34-2的吸合线圈从而工作，使得蓄电池25-3脱离预备回路，转而向直流逆变充电机的控制模块供电。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体事例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

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(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。

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(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)、隔离二极管(26)、维持电容(27)、第一电光转换器(28)；

所述低压预热电容(1)的正端连接到所述接入主开关(22)的常开端，所述接入主开关(22)的公共端，经过平行电缆(12)后，连接第一外围脱离开关(231)的公共端，所述第一外围脱离开关(23)的常开端连接IGBT开关的漏极；

所述直流电源(21)的负端连接系统共地端，所述直流电源(21)的正端连接到所述接入主开关(22)的常闭端，所述接入主开关(22)的公共端，经过平行电缆(12)、第一外围脱离开关(23-1)的常闭端后，连接到所述核心脱离开关(24)的常闭端；所述核心脱离开关(24)的公共端连接到为放电控制微机(5)供电的蓄电池(25-1)的正端；所述蓄电池(25-1)的负端经过第二外围脱离开关(23-2)后连接系统共地端；

所述接入主开关(22)的吸合线圈由独立供电的逻辑与判断器(30)所驱动，所述总控制微机(4)所发出的就绪信号通过就绪信号光纤(31)进入逻辑与判断器(30)一个输入端，所述第一电光转换器(28)所发出的弱电脱离信号通过应急判断光纤(29)进入逻辑与判断器(30)的另一个输入端；

所述核心脱离开关(24)的吸合线圈的一端连接放电控制微机(5)，另一端连接所述放电控制微机(5)的独立地；所述核心脱离开关(24)的常开端连接到所述第一电光转换器(28)的电输入端，所述核心脱离开关(24)的常开端经过所述隔离二极管(26)后，分别连接到第一外围脱离开关(23-1)和第二外围脱离开关(23-2)的吸合线圈，所述第一外围脱离开关(23-1)和第二外围脱离开关(23-2)的吸合线圈上并联有维持电容(27)。

5.根据权利要求4所述的两级电源式海中电火花声源，其特征在于：所述工作/预备切换装置(11)还包括开关驱动供电切换模块(11-3)，所述开关驱动供电切换模块(11-3)包括第二电光转换器(32-1)、第三脱离开关(33-1)、第四脱离开关(33-2)、为IGBT开关(6)的驱动模块供电的蓄电池(25-2)；所述第二电光转换器(32-1)分别与第三脱离开关(33-1)和第四脱离开关(33-2)连接；所述第三脱离开关(33-1)的常闭端经过所述IGBT驱动电源充电限流装置(35-1)后连接到所述核心脱离开关(24)的公共端；所述第三脱离开关(33-1)的公共端、第四脱离开关(33-2)的公共端分别连接所述蓄电池(25-2)的正端和负端；所述第三脱离开关(33-1)的常开端、第四脱离开关(33-2)的常开端构成所述开关驱动供电切换模块(11-3)的输出端，连接到所述IGBT开关(6)的驱动模块。

6.根据权利要求4或5所述的两级电源式海中电火花声源，其特征在于：所述工作/预备切换装置(11)还包括充电机控制供电切换模块(11-4)，所述充电机控制供电切换模块(11-4)包括第三电光转换器(32-2)、第五脱离开关(34-1)、第六脱离开关(34-2)、为直流逆变充电机(2)的控制模块供电的蓄电池(25-3)；所述第三电光转换器(32-2)分别连接第五脱离开关(34-1)和第六脱离开关(34-2)；所述第六脱离开关(34-2)的常闭端经过所述充电机控制电源充电限流装置(35-2)后连接到所述核心脱离开关(24)的公共端；所述第五脱离开关(34-1)的公共端、第六脱离开关(34-2)的公共端分别连接所述蓄电池(25-3)的正端和负端；所述第五脱离开关(34-1)的常开端、第六脱离开关(34-2)的常开端构成所述充电机控制供电切换模块(11-4)的输出端，连接到所述直流逆变充电机(2)的控制模块。