CN201191706Y - 高聚能大功率电脉冲装置的能量控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高聚能大功率电脉冲装置的能量控制器，主要解决现有能量控制器性能差的问题。其方案是采用自击穿气体火花开关实现在蓄能期间隔离储能器与能量转换器，当蓄能达到设置阈值时迅速闭合，传导储能器中的电能给能量转换器，进行脉冲功率的放大。整个装置包括上下电极、上下绝缘子和上下端头，其中上下电极(4)、(5)采用圆柱形大面积结构，分别设置在上下绝缘子(2)和(6)的内腔，该上下绝缘子的外部分别与上下端头(1)和(7)固定，并通过气室(3)连接成一个整体。本实用新型不仅可实现4.5kJ能量、50kA电流和稳定工作3000次的能量控制器，而且可提高高温和高水压下的水密封性能，可用于电脉冲装置中控制和传导电能向冲击波能量转换。

Description

高聚能大功率电脉冲装置的能量控制器

技术领域

本实用新型属于电子领域，涉及气体火花开关，具体地说是电脉冲装置上的能量控制器，可用于石油助采设备中控制和传导电能向冲击波能量转换，以提高油井增产量。

背景技术

随着油田产业的发展，对石油钻采装置的性能提出了越来越高的要求，能量控制器就是提高石油钻采技术的关键部件之一。能量控制器功能有两个：其一是在蓄能期间有效隔离储能器和能量转换器，其二是当蓄能达到控制阈值时，快速传导储能器中的电能给能量转换器，实现脉冲功率的放大。在实现脉冲功率的放大的过程中，控制器的高压绝缘子不仅要承受工作高电压、井下高温、重复频率大电流工作下气体老化、绝缘体沿面污染的各种压力问题，而且控制器的外壳还要承担高达50MPa的静水压以及高水压力下的水密封。在一般的能量控制中，随着整个装置的持续运行，控制电极表面受到强烈的烧蚀，气体绝缘介质在持续老化，绝缘性能在持续下降，能量控制阈值会有较大幅度的下降。稳定控制阈值的措施有两种，一种是通过控制电极材质选择和结构设计，以分散击穿点和形成多通道来减少电极材料的烧蚀，稳定控制阈值；二是要通过改变外壳材料和强度，提高外壳抗静水压的能力，扩展有限的扩展腔室和气体量，减缓气体老化，最终实现稳定的能量控制和快速的能量传递。

目前，用于电脉冲设备中的电能储能和电功率放大中，一般采用气体火花开关作为控制器，电脉冲设备在蓄能过程中，控制器处于开路状态，以隔离储能器与能量转换器；当储能达到设定阈值后，控制器闭合并承担电磁能量的传递和脉冲功率的放大。为此必须要求控制器在蓄能过程中有良好的绝缘性能，有稳定的阈值控制性能和闭合时高通流性能，以实现脉冲功率放大。但是由于控制器中电极受大电流烧蚀，以及绝缘气体在传导大电流后的绝缘性能下降，都会造成控制阈值不稳定；而且由于受绝缘气体性能下降和电极材料喷溅的影响，使绝缘子沿面对地绝缘性能的下降又将导致控制失效，造成不能实现储能期间隔离能量转换器的严重问题。

实用新型的内容

本实用新型的目的在于克服已有技术的缺陷，提供一种高聚能大功率电脉冲装置的能量控制器，以在保证对地绝缘性能的条件下，减少电极烧蚀和气体老化以及绝缘子沿面污染，提高能量控制器的整体性能。

实现本实用新型目的的技术方案是采用一种自击穿气体火花开关对设备能量进行的控制。该气体火花开关自击穿的原理是：在外电场作用下，金属电极表面会通过量子力学的隧道效应发射电子，形成气体中的初始电子。该初始电子在外加的加速下与绝缘气体分子发生碰撞，在电极间隙中，由电子碰撞电离气体分子产生一个新电子，该新电子与初始电子再碰撞气体分子产生更多的次级电子，使自由电子的个数以指数形式雪崩倍增。这些电子崩可严重畸变电极间隙的电场分布，使气体分子可以吸收电子与粒子复合产生光子电离其它区域的气体分子，形成光电离二次电子崩。二次电子崩与正电子崩回合，在正电子崩的正离子区域形成正负带电粒子构成的等离子体，即流注。该流注不断向后续的电子崩的方向发展，最终导致电极间隙的击穿。

本实用新型的控制原理正是基于上述气体火花开关中对气体击穿电压的控制，通过高聚能大功率电脉冲设备，以较低功率和较长时间内在电容储能器中储存电场能量，由能量控制器设置控制阈值，当达到控制阈值时，控制器快速传导储能器中的电能给能量转换器，并实现脉冲功率放大；然后借助于能量转换器在很短时间内将电能转换成冲击波能量释放到油层，以冲击波对油层地质结构进行处理，实现油井产量的增长。并在外壳强度的保证下，尽量拓展控制器腔室，以增大腔室气体量，延缓气体和绝缘子沿面的绝缘强度的下降，以增加控制器的工作寿命。

本实用新型的整个装置包括：上下电极、上下绝缘子和上下端头，其中上下电极采用圆柱形大面积结构，分别设置在上下两个绝缘子的内腔，该上下绝缘子的外部分别与上下两个端头相固定，并通过气室连接成一个整体，利用大面积电极和强制部分区域的电场畸变实现多击穿点或多电弧通道，减少电极烧蚀和气体老化，保证控制阈值的稳定。

上述能量控制器，其中所述的上电极由上电极座与上电极头组成，下电极由下电极座与下电极头组成，每个电极头与电极体之间采用铆接连接。

上述能量控制器，其中所述的上电极头上开有方形圆环沟槽，以强制电场畸变，稳定控制阈值。

上述能量控制器，其中所述的上下两个电极座采用不锈钢材料，上下两个电极头采用Cu-W合金材料。

上述能量控制器，其中所述的上下两个端头分别通过在绝缘子后端的氟橡胶垫，将绝缘子顶紧在气室的两端。

上述油井控制器，其中所述的上下两个绝缘子的表面均采用凸凹结构，增加绝缘子表面的爬电距离。

上述能量控制器，其中所述的上下两个绝缘子上套有缓冲垫；在上端头与气室之间设有轴向上密封圈，在下端头与气室之间设有轴向下密封圈，以提高高温和高水压下的水密封性能。

本实用新型由于采用大面积和耐烧蚀材料的电极，有效减少了电极材料在大电流下的烧蚀，提高了控制器在大电流下的阈值稳定性；同时由于采用在电极表面特定区域开设环形槽的结构，使装置在重复频率运行中强制分散了电极上的击穿点，并有可能形成多通道；此外由于在端头与气室之间设有轴向固定有密封圈，解决了高温和高水压下的水密封问题。实验证明，本实用新型可在50kA电流下稳定工作3000次，实现对4.5kJ的能量控制。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构图；

图2是本实用新型的上电极结构图；

图3是本实用新型的下电极结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步详细描述。

参照图1，本实用新型包括上电极4、下电极5，上绝缘子2、下绝缘子6，上端头1、下端头7。上电极4由上电极座11与上电极头12组成，如图2所示。下电极5由下电极座13与下电极头14组成，如图3所示。每个电极头与电极座体之间采用铆接连接。上电极4与下电极5均采用圆柱形大面积结构，且分别设置在上绝缘子2和下绝缘子6的内腔。该上下绝缘子的外部分别与上端头1和下端头7固定，并通过气室3连接成一个整体。

由于本实用新型的控制器是一种特殊的自击穿气体火花开关，在隔离蓄能阶段，上电极4为高电位，外壳为零电位，下电极5是悬空。控制器闭合前后，上下电极和电极间隙的电场分布不一致，而且是突变过程，因而控制器在蓄能期间的绝缘性能是控制器的设计基础。为此将上绝缘子2和下绝缘子6的表面设计成凸凹结构，以增加绝缘子表面的爬电距离，且选用聚四氟乙烯作为绝缘子材料，以保证在井下150℃的高温下绝缘子机械强度不减，不变性、绝缘性能不下降。由于在均匀电场下，控制器导通时是通过电弧通道传导大电流，大电流电弧对电极表面的烧蚀将引起电极表面的粗糙度变化，微观场增强因子增大，直接导致控制阈值的下降。为此本实用新型采用在上电极的电极头12表面开有宽和深各为2mm的方形圆环沟槽15，如图2所示。该沟槽15强制沟槽边缘上的场畸变，将击穿点控制在沟槽的边缘。另外采用大面积电极也有形成多电弧通道的可能，形成多电弧通道时，可以减轻单个电弧对电极表面的烧蚀。

由于控制器在一次作业中要工作3～5小时，要重复运行500～800次，使气体火花开关中的工作气体不断被击穿，其绝缘性能不断老化，加上强大的工作电流，会导致开关工作的急速下降。为此将整个控制器的外径控制为102mm，内径最多92mm，并在上绝缘子2和下绝缘子6上分别套有氟橡胶垫8a和8b，通过该氟橡胶垫的缓冲作用将上绝缘子2和下绝缘子6顶紧在气室3的两端。且上端头1与气室3之间设有轴向上密封圈9，下端头7与气室3之间设有轴向下密封圈10。

由于气体间隙的击穿电压与间隙长度、气体种类和气体状态有关。一般控制阈值的气体击穿电压的可由经验公式设定：

$U_b=24.22\mathrm{\δ}\·d+6.08\sqrt{\mathrm{\δ}\·d}$

式中，d为气体间隙距离，单位cm；δ为气体相对密度，δ＝2.9P/T，P为气体压力，单位kPa，T为气体绝对温度单位K。

气体开关内中气体被密封在封闭的腔体中，其摩尔数保持不变，即开关在井上和井下的空气的相对密度不变，在实验室或井上设定的击穿电压不会发生改变。当对应控制阈值为30kV时，开关电极间隙距离选取在80～12mm可调。当控制器气体火花开关击穿电压选取为25～30kV，外筒抗外压强度为50MPa，并在50MPa下实现整套以及与储能器、能量转换器的水密封。

为了减少因安装精度导致电极距离变化而影响控制器控制阈值的变化，整个控制器的外径控制为102mm，内径最多92mm。内电极采用不锈钢，电极头采用W-Cu合金。电极直径控制为Φ25mm，在高压电极头上开有直径14/18mm，深2mm的环形槽，以稳定控制阈值。两个电极之间的距离最大为14mm，在电极底部和绝缘子之间采用最小0.5mm的制式垫片调节电极之间的距离以达到调节控制器阈值的作用。

本控制器的上端头1和下端头7均采取与电脉冲装置的储能器、能量转换器相同的标准接口，安装在电脉冲装置上，置入4000米深的水下。工作时，当蓄能达到设置阈值时迅速闭合，传导储能器中的电能给能量转换器，实现脉冲功率的放大。

Claims (8)

1.一种高聚能大功率电脉冲装置的能量控制器，包括上下电极、上下绝缘子和上下端头，其特征在于上电极(4)和下电极(5)均采用圆柱形大面积结构，分别设置在上绝缘子(2)和下绝缘子(6)的内腔，该上下绝缘子的外部分别与上端头(1)和下端头(7)固定，并通过气室(3)连接成一个整体。

2.根据权利要求书1所述的能量控制器，其特征在于上电极(4)由上电极座(11)与上电极头(12)组成，下电极(6)由下电极座(13)与下电极头(14)组成，每个电极头与电极座之间采用铆接连接。

3.根据权利要求书2所述的能量控制器，其特征在于上电极头(12)上开有方形圆环沟槽(15)，以稳定控制阈值。

4.根据权利要求书2所述的能量控制器，其特征在于上下电极座(11)和(13)采用不锈钢材料，上下电极头(12)和(14)采用Cu-W合金材料。

5.根据权利要求书1所述的能量控制器，其特征在于上下电极(4)和(6)之间的距离最大为14mm，对应控制阈值为30kV。

6.根据权利要求书1所述的能量控制器，其特征在于上端头(1)和下端头(7)分别通过氟橡胶垫(8a)和(8b)，分别将绝缘子(2)和(6)顶紧在气室(3)的两端。

7.根据权利要求书1所述的能量控制器，其特征在于上绝缘子(2)和下绝缘子(6)的表面均采用凸凹结构，增加绝缘子表面的爬电距离。

8.根据权利要求书1所述的能量控制器，其特征在于上端头(1)与气室(3)之间设有轴向上密封圈(9)，下端头(7)与气室(3)之间设有轴向下密封圈(10.)。

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