CN115327612A - 一种线性多级串联电弧放电水声发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性多级串联电弧放电水声发生装置，包括支撑固定装置以及平行设置在支撑固定装置上的多组线电极串联序列；每一组线电极串联序列均包括沿直线等间隔布置的多个线电极，每个线电极包括中间的金属导体和外部的绝缘层；多组线电极串联序列的两端分别连接高压端和低压端；所述的高压端连接脉冲电缆的高压部分，实现高压电脉冲输入；所述的低压端连接脉冲电缆的低压部分，用于构成放电回路的低压部分，实现整个放电回路的导通。利用本发明，可以进一步提高电声效率，使得发射装置稳定可靠，提高电极寿命。

Description

一种线性多级串联电弧放电水声发生装置

技术领域

本发明属于海洋地震勘探领域，尤其是涉及一种线性多级串联电弧放电水声发生装置。

背景技术

海洋高分辨率地震勘探，是实现海洋资源开发利用和领土安全的重要技术手段。震源，作为地震勘探的发射装置，至关重要。到目前为止，已有多种类型的震源得到应用，主要包括炸药震源、气枪、水枪、BOOMER震源、电火花震源等。其中，电火花震源是基于“液电效应”，即通过水中高压脉冲放电，实现电能向声能转化。

传统的电火花震源，基于水中电弧放电，如图1中(a)所示。通常采用头对头电极对结构，放电过程中，在电极间隙产生火花通道，负载阻抗低至几mΩ到数十mΩ，放电瞬时功率和电流非常大，产生的声脉冲强度大，但电极寿命一般较低。同时，由于海水的高盐度和电导率，电弧放电的电声效应相对于低盐度水中明显减弱，同时激发的声脉冲重复性较差，不利于高分辨率地震勘探，因此逐步被电晕放电所取代，原理如图1中(b)所示。

电晕放电属于局部放电，一般在高盐度或高电导率水中才能产生良好的电声效应。因此，非常适合海洋地震勘探，目前已经成为国内外主流技术。国外主要包括荷兰GEOMarine Survey Systems公司开发的震源,法国SIG震源和英国GeoAcoustics公司开发的电火花震源等。国内主要是浙江大学开发的新型电火花震源，如电晕放电，电压等级低、瞬时功率比电弧放电小很多，放电和声脉冲重复性优异，电极寿命长，一般达到3-5年。然而，这种放电形式电声转化效率较低，一般不高于5％。

因此，在电晕放电的基础上，公开号为EP2804018的欧盟专利文献提出了双极性放电技术，如图1中(c)所示。所谓双极性放电，即将接地电极改成线电极，同时电极尖端距离较长，不能产生电弧通道，继承了电晕放电电极寿命长的优点。放电过程中，由于负载中电流必然要从接地电极尖端进入，此时接地电极尖端的电流密度很高，因此会汽化周围的水体，产生高速膨胀的气泡，因此也产生声脉冲。相比于单电级电晕放电，在接地端产生了额外的声脉冲，提高了电声效率。

如前所述，电弧放电的电声效率一般较高，可超过10％，因此，为了借鉴其电声效率高的优点，公开号为CN105676293A的中国专利文献提出了一种微孔电极结构，如图1中(d)所示。整体结构和电晕放电一致，属于高压端局部放电，但高压电极金属不裸露，内嵌在绝缘层内，通过绝缘层上的微孔和外部水体及接地极连接。由于微孔内能够维持均匀且较高的场强，首先加热微孔内水体，汽化后在微孔内产生电弧通道，部分放电能量在微孔内积聚，当气泡从微孔内膨胀出来，立即产生很强的声脉冲，强度明显高于电晕放电，有效地实现了电声效率的提高，当然，微孔放电对绝缘介质的强度和寿命提出了更高的要求，因此成本较高。

发明内容

本发明提供了一种线性多级串联电弧放电水声发生装置，可以进一步提高电声效率，使得发射装置稳定可靠，提高电极寿命。

本发明的技术方案如下：

一种线性多级串联电弧放电水声发生装置，包括支撑固定装置以及平行设置在支撑固定装置上的多组线电极串联序列；每一组线电极串联序列均包括沿直线等间隔布置的多个线电极，每个线电极包括中间的金属导体和外部的绝缘层；多组线电极串联序列的两端分别连接高压端和低压端；

所述的高压端连接脉冲电缆的高压部分，实现高压电脉冲输入；所述的低压端连接脉冲电缆的低压部分(或接地部分)，用于构成放电回路的低压部分，实现整个放电回路的导通。

进一步地，每一组线电极串联序列通过线电极序列固定支架固定在支撑固定装置上。

所述的线电极序列固定支架包括横杆和电极夹具，所述的横杆固定在支撑固定装置上，每个线电极通过电极夹具固定在横杆上。横杆和电极夹具一般为不锈钢材料或钛合金材料，减轻整体重量。

进一步地，所述的线电极串联序列用于产生强烈的多级串联电弧放电，相邻两根线电极之间的间隙产生一个电弧通道，每个电弧通道可分配并消耗最高达100J的能量，显著提高发声装置的能量密度。

每个电极单元中，为了提高强度和硬度，减少电弧放电引起的电极烧蚀问题，中间的金属导体优选的材料为钨钢，可选的电极材料为不锈钢，并且直径一般≤2mm。

绝缘层一般选用聚四氟或聚氨酯等材料，保证金属导体仅有头部裸露，直径≤10mm。

此外，为保证电弧放电的有效发生并产生足够的声学强度，每一组线电极串联序列中，电极单元之间的间隔≤5mm。

进一步地，所述的支撑固定装置保证悬浮电位，不构成放电回路组成部分。支撑固定装置为不锈钢材料或钛合金材料，减轻整体重量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的水声发生装置，继承了电弧放电和双极性放电的优点，电声效率显著提高，并且明显提高了水声发生装置的能量密度。此外，避免了微孔放电绝缘层寿命短等问题，显著提高了电极使用寿命，进一步优化了基于水下放电技术的水声发生装置的性能和探测能力。

附图说明

图1为本发明背景技术中提到的不同水中脉冲放电电极结构；

图2为本发明一种线性多级串联电弧放电水声发生装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中一组线电极串联序列的结构图；

图4为本发明实施例中多级串联电弧放电过程高速摄影结果。

图中：1-高压端，2-低压端，3-线电极串联序列，4-支撑固定装置，31-金属导体，32-绝缘层，33-电极固定夹具，34-横杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图2所示，一种线性多级电弧放电水声发生装置，包括高压端1、低压端2、N组线电极串联序列3和支撑固定装置4；高压端1和低压端2都为等电位接口。多组线电极串联序列3平行设置在支撑固定装置4上。

多组线电极串联序列3的两端分别连接高压端1和低压端2。电脉冲通过高压端1输入，多组线电极串联序列3完成水下电弧放电，实现声脉冲输出，然后通过低压端2完成脉冲电流的回流，最终形成放电回路。

支撑固定装置4用于固定N组线电极串联序列3，同时保证悬浮电位，不构成放电回路组成部分。

如图3所示，每一组线电极串联序列3均包括沿直线等间隔布置的多个线电极，每个线电极包括中间的金属导体31和外部的绝缘层32，金属导体31两端的头部裸露在绝缘层32外。

每一组线电极串联序列3通过线电极序列固定支架固定在支撑固定装置上。线电极序列固定支架用于固定M组线电极，保证线电极保持良好的线性串联结构。

线电极串联序列3用于产生强烈的多级串联电弧放电，当有M根线电极，可以产生M-1个电弧通道，每个电弧通道可以分配并消耗高达100J的能量，将显著提高发声装置的能量密度。

如图3所示，线电极序列固定支架包括横杆34和电极夹具33，横杆34固定在支撑固定装置4上，每个线电极通过电极夹具33固定在横杆34上。横杆34和电极夹具33一般为不锈钢材料或钛合金材料，减轻整体重量。

本实施例中，为了提高强度和硬度，减少电弧放电引起的电极烧蚀问题，中间的金属导体31优选的材料为钨钢，可选的电极材料为不锈钢，并且直径一般不超过2mm。

绝缘层32选用聚四氟或聚氨酯等材料，保证金属线芯仅有头部裸露，直径一般不超过10mm。

此外，为保证电弧放电的有效发生并产生足够的声学强度，电极间隙距离一般不超过5mm。

本发明的工作原理如下：

当电脉冲通过高压端1输入到线电极串联序列3后，并不会立即产生剧烈的电弧放电。由于多级串联结构，负载阻抗相对较大，负载电压维持在较高水平，由于中间的金属导体31的间隙电场强度较大，每一个间隙逐级依次完成水体击穿后导通，直至最后一个放电间隙导通的瞬间，负载阻抗瞬间降低，电能快速注入，瞬时功率增大，在每一个间隙中间产生剧烈放电，激发强烈的声脉冲，并通过低压端2回流到储能电容中。

如图4所示，为本发明实施例中多级串联电弧放电过程高速摄影结果。本实施例中，采用三级串联放电电极作为水声发生装置。放电能量为30J，储能电容为2μF。放电电极绝缘层外径为5.5mm，金属导体直径1.4mm。间隙约为1mm。水体温度约为15℃，电导率约为55mS/cm，与海水相当。实施过程中，主要通过高速相机对放电过程进行光学诊断，验证放电的可行性。高速相机记录速度设定在10,000fram/s，成功捕捉到了三个放电瞬间和后续的气泡膨胀，表明多级串联放电可以有效发生，因此，本实施例有效可行，具有良好的应用前景。

本发明采用线性多级串联放电电极结构，诱导产生线性串联的电弧放电，继承了电弧放电和双极性放电的优点，电声效率显著提高，并且明显提高了水声发生装置的能量密度。此外，克服了微孔放电绝缘层寿命短等问题，显著提高了电极使用寿命，进一步优化了基于水下放电技术的水声发生装置的性能和提高了电火花震源的探测深度。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种线性多级串联电弧放电水声发生装置，其特征在于，包括支撑固定装置以及平行设置在支撑固定装置上的多组线电极串联序列；每一组线电极串联序列均包括沿直线等间隔布置的多个线电极，每个线电极包括中间的金属导体和外部的绝缘层；多组线电极串联序列的两端分别连接高压端和低压端；

所述的高压端连接脉冲电缆的高压部分，实现高压电脉冲输入；所述的低压端连接脉冲电缆的低压部分，用于构成放电回路的低压部分，实现整个放电回路的导通。

2.根据权利要求1所述的线性多级串联电弧放电水声发生装置，其特征在于，每一组线电极串联序列通过线电极序列固定支架固定在支撑固定装置上。

3.根据权利要求2所述的线性多级串联电弧放电水声发生装置，其特征在于，所述的线电极序列固定支架包括横杆和电极夹具，所述的横杆固定在支撑固定装置上，每个线电极通过电极夹具固定在横杆上。

4.根据权利要求1所述的线性多级串联电弧放电水声发生装置，其特征在于，所述的线电极串联序列用于产生强烈的多级串联电弧放电，相邻两根线电极之间的间隙产生一个电弧通道，每个电弧通道分配并消耗最高达到100J的能量，显著提高发声装置的能量密度。

5.根据权利要求1所述的线性多级串联电弧放电水声发生装置，其特征在于，每个电极单元中，金属导体的材料为钨钢或不锈钢，直径≤2mm。

6.根据权利要求1所述的线性多级串联电弧放电水声发生装置，其特征在于，每个电极单元中，绝缘层的材料为聚四氟或聚氨酯，保证金属导体仅有头部裸露，直径≤10mm。

7.根据权利要求1所述的线性多级串联电弧放电水声发生装置，其特征在于，每一组线电极串联序列中，电极单元之间的间隔≤5mm。

8.根据权利要求1所述的线性多级串联电弧放电水声发生装置，其特征在于，所述的支撑固定装置保证悬浮电位，不构成放电回路组成部分。

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