火花电蚀加工油(研制消弧触发开关，满足应用高压液相放电技术处理有机废水的需求)

Posted 2023-06-01

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火花电蚀加工油(研制消弧触发开关，满足应用高压液相放电技术处理有机废水的需求)

为了满足高压脉冲液相放电废水处理技术需要，研制一套消弧触发放电开关装置，在绝缘转子的圆周上均布转动触头，与绝缘定子上的弹力触头，实现通-断接触，形成开关。当转速调到1000r/min时，脉冲频率为200Hz，装置运行平稳、触点通-断灵活、接触可靠；电压加载到40kV时，单触发开关旋转正常，未听到触点起弧的声音，高压脉冲在液相中放电正常，放电火花明亮、有力，实验证明是一款性能优良的触发开关。

近年来人们通过高压脉冲液相放电技术，处理工业有机废水取得了一些进展，该技术通过等离子体产生的高能电子辐射、高温热降解、臭氧氧化、光化学氧化、液电空化降解等多种综合效应，迅速而无选择性地将工业废水中的有机物降解为分子量更小、毒性更低的有机物甚至将其无机化。由于该技术的高效、无二次污染，从而使其具有广阔的开发应用前景。

1 高压脉冲液相放电废水处理的机理

高压脉冲液相放电废水处理技术主要分为高压脉冲电源与反应器两大部分（图1）。

图1 高压脉冲液相放电废水处理原理图

在反应器中预先置入了放电电极，高压电源将电能通过火花隙触发开关形成脉冲高压输入到反应器中形成放电。两电极间的液体介质，在强电场的作用下，出现了从高压电极向外延伸的高电导率的分叉如根须状的通道，当通道一旦到达对面电极时，电能就会沿着通道以浪涌式释放。

此时，电容器上存储的电能在微秒级的时间内向放电通道倾入，形成电子雪崩，巨大的脉冲电流(103～105A)使通道内形成高能密度(102～103J/cm3)，由此引起局部高温(104～105K量级)。在放电过程中，放电通道内完全由稠密的等离子体所充满，产生瞬间高温高压，并辐射出很强的紫外线及向外迅速膨胀的冲击波，如此大的电能，可迅速降解有机物。

2 触发开关的作用与存在的问题

以火花隙开关的工作原理（图1）为例：直流高压经过限流电阻R，对储能电容器C充电，利用旋转火花隙触发开关K实现电压触发放电，电容器上的电荷经K传到反应器中的电极a（阳极）及b（阴极）上形成放电，对反应器中的液体介质进行处理。

高压脉冲电源的触发开关是实现脉冲等离子体水处理的关键技术之一，根据触发放电开关类型的不同可分为三类：磁脉冲压缩开关、闸流管开关、火花隙开关。

磁压缩开关虽然适用大功率脉冲电源，但在高重复频率、快上升时间的脉冲系统中，对磁型开关材料的选择较为苛刻，且制作成本昂贵，限制了在废水处理上的应用；闸流管具有功率大、开关速度快、寿命长、重复率高等优点，但必须与脉冲变压器配套使用，对不同的有机废水适应力不足；火花隙开关重复频率在100～300 Hz左右，制作较为便捷、成本不高，是目前废水处理的首选。

火花隙开关是在强电场的作用下，击穿空气使间隙开关两端产生放电，形成通道后导通的。因此它存在着一些先天的问题，如放电噪声较大；开关触头表面易被灼伤，寿命短；火花隙消耗电能约为10%～20%，输出效率低；火花隙被击穿导通受环境影响较大，形成脉冲的稳定性和可靠性不高；火花隙导通为一次放电，在反应器中为二次放电，这两次放电是在瞬间完成的，相互关联度极高，影响对有机物降解的分析与反应条件的优化。

另外，采用单触发开关电路（图1），脉冲形成电容的充电和放电是同时进行的，会使反应器产生多次火花放电，峰值电压不均匀，电路较难测定脉冲重复频率；而采用联动双触发开关（图2），电容的充电和放电是分别进行的，产生的峰值电压稳定，对于水处理实验研究有利。

图2 触发开关的工作原理图

3 消弧触发放电开关的研制

为了解决火花隙开关上的问题，本文研制出一种液相高压放电联动双触发开关装置（图3）。采用聚四氟乙烯套管制作成绝缘定子，左右两端用环氧树脂板制成端盖，端盖中心安装一对轴承及压盖，轴承支撑转动轴水平旋转。

图3 液相高压放电联动双触发开关装置

在转动轴上安装有聚四氟乙烯制成绝缘转子，绝缘转子的中间位置套入不锈钢材质的滑环并将绝缘转子等分成左、右两部分；每部分各安装数量相等的左、右转动触头，转动触头采用不锈钢管，其轴线与转动轴的轴线平行并在绝缘转子的圆周上均布；转动触头只暴露W宽度的一段弧长（见图4）。

图4 转子的K向视图

其余部分镶嵌在绝缘转子上；左、右转动触头在圆周上按等分角度相间布置，与滑环接触并点焊连接。在绝缘定子底部沿着轴线方向布置一个弹力滚轮、在它左右按L间隔布置两个弹力触头；弹力滚轮与弹力触头均由不锈钢制成，靠弹簧伸缩；弹力滚轮与滑环始终接触构成导体，弹力触头与圆周转动触头间歇接触，形成通-断的开关；用导线将弹力触头与电容、反应器连接。在绝缘定子的上方，轴线方向的中间位置设置了一个加油排气口，通过此口向密封的腔内注入绝缘油。

消弧触发放电开关的主要特点：

①根据“高压消弧”原理，在旋转触发开关内，触点采用相同的曲率半径，无相对“尖端”出现；用绝缘油填充，当两触点接触并产生相对滑动时，才能挤压破油膜实现导通。使得高压电能在触点接触时基本无能耗，电能可以有效地加载到反应器上，提高了反应器的处理效率。

②利用一个滑环和固定在绝缘定子上的弹力滚轮实现了一个“常闭”的公用电极，利用两个弹力触头实现了联动双触发开关，结构简单且外连线只有三条，能方便地实现高压脉冲液相冲、放电处理废水的过程。

③可以通过增加绝缘转子直径和转动触头的镶嵌数量来提高触发频率，不必一味的靠提高转子的转速；旋转触发开关在相对低速下运行，可以减少冲击、振动和磨损。

④消弧触发放电开关结构简单、选材容易、加工方便、使用灵活，开关触头表面无灼伤、寿命长、实用且成本低。由于触点的接触面积大，输出效率高、稳定性和可靠性高、可以承受100kV以下的高压脉冲液相冲、放电处理废水的工作。

4 消弧触发放电开关主要参数

据相关文献介绍，人们采用火花隙开关进行过大量的高压脉冲液相废水处理工作，并取得了一些研究进展，并认为电压在10～40kV，脉冲频率在50～300Hz范围内处理效果明显。

转动触头外露的一段弧长（见图4）可以近似的等于W宽度，W宽度越宽与弹力触头接触的时间就越长，原则上两触头接触时间应该略大于反应器的放电时间。W宽度应该由实验所需的频率、绝缘转子的直径与转速、绝缘转子上镶嵌的转动触头的直径与数量来决定。

同时需要说明的一个参数H，即转动触头与绝缘转子间凸出的高度；H值应该在1mm左右，若H值过大，弹力触头往复的时间就会过长，通-断开关的灵敏度就会降低；还会产生过大的振动与噪音。弹力滚轮与左右弹力触头间隔距离L，与电压等级的高低有关，根据帕邢定律，一般情况下，空气介质击穿电压也可近似地用30kv/cm的击穿场强来估算。

本文研制的联动双触发开关装置，耐电压等级按100kV计算，脉冲频率在50～250Hz范围内可调，用聚四氟乙烯制成绝缘转子，直径Φ130mm,在绝缘转子中间的滑环为10mm宽，左、右两部分圆周上各均布12根不锈钢管，相差15°夹角作为转动触头，不锈钢管直径Φ15mm、壁厚为1mm, W宽度为8mm，H高度为1mm。

两个弹力触头由不锈钢制成，触头球径Φ15mm实心，弹力滚轮分别与两个弹力触头中心距L长度为80mm，主要是考虑弹力触头的绝缘外套有一定厚度，绝缘外套的电位差不同。注入绝缘油（SH0040－91），油面约在转动轴轴线下50mm（即淹没了绝缘转子20 mm），注入量约为200mL；用110ZYT152型调速电机带动单触发开关转动，转速0～1500r/min可调。

5 运行实验

根据图2联动双触发开关工作原理图，从弹力滚轮处引出电源线与脉冲形成电容C相连；从左边的弹力触头处引出电源线与充电限流电阻R相连；从右边的弹力触头处引出电源线与反应器中的电极a（阳极）相连。

当联动双触发开关转动平稳后，打开直流高压电路，刚好左边的弹力触头与左边的转动触头接触，即K1触发，电容C充电；短暂的充电过后，左、右转动触头均转离了弹力触头，这时既不充电也不放电，紧接着右边的弹力触头与右边的转动触头接触，电容C向反应器放电，随后左、右转动触头均又转离了弹力触头，完成了一次充、放电过程。图5 为高压放电联动双触发开关装置的运行实验。

图5 触发开关装置的运行实验

本文研制的联动双触发开关装置，转速调到1000r/min时，脉冲频率为200Hz，运行平稳、开-断灵活、触点接触可靠；电压加载到40kV时，触发开关旋转正常，未听到触发点起弧的声音，高压脉冲在液相中放电正常，放电火花明亮、有力。

图6 处理效果对比图

本文对甲基橙模拟废水进行了降解实验，在甲基橙初始浓度25 mg/L、温度25℃、电压30kV、脉冲频率为200Hz时，作用12 min，脱色率98.6%，降解效果最佳，图6处理效果对比。

6 结论

本文研制的消弧触发放电开关装置，不仅是一种新思路、新方法，通过实际带电运行，证明装置运行平稳、触点通-断灵活、接触可靠；与现行的火花隙开关相比，具有脉冲重复频率，峰值电压稳定，高压能量消耗小，完全能够满足高压脉冲液相放电废水处理技术需要，是一款性能优良的触发开关，为进一步研究高压脉冲液相放电技术，处理工业有机废水奠定了基础。

本文编自《电气技术》，标题为“高压液相处理有机废水消弧触发开关的研制”，作者为王照华、刘涛涛、李庆玲。