一种活塞式换能电极的制作方法
【专利摘要】一种活塞式换能电极，包括外壳体、绝缘体、外帽(4)和高压电极(9)。高压电极(9)位于绝缘体内部，绝缘体套入外壳体内部，外帽(4)罩于外壳体和绝缘体的上方。外壳体中，中筒(2)套装在外筒(1)上部，中筒(2)在外力作用下可上下移动，移动的上限为固定件(3)的下边缘。绝缘体中，绝缘筒(6)套装在中筒(2)的上段内，绝缘套筒(8)套装在外筒(1)下段和中筒(2)的中段和下段内。绝缘筒(6)内放置高压电极(9)。高压电极(9)由多根单芯绝缘电缆组成，多根电缆的中心导体通过汇流排连接，汇流排通过螺柱与外界电源的高压端连接。多根单芯绝缘电缆置于导电液体中，导电液体注满由绝缘体围成的封闭空间。
【专利说明】
一种活塞式换能电极
技术领域
[0001]本发明涉及一种脉冲放电电极，特别涉及一种将水中放电能量转换为脉冲声能或地震波能的换能电极。
【背景技术】
[0002]水中脉冲放电技术已在工业、科学及医学等领域得到了广泛的应用，电火花震源是其在地震勘探领域很有潜力的应用之一。电火花震源的原理是:利用大电流放电在水中形成巨大的冲击波，冲击波通过液体和地表层传播，通过检波器接收地震波信号，进而获得当地的地质地貌特征。传统的电火花震源必须依赖于较大的水体，如海洋电火花震源在广阔海水中放电，而陆地电火花震源也需在勘探地挖井注水，然后将电极置入井水中放电。因此，对于山地或其他缺水地区的地震勘探，传统电火花震源并不适用。
[0003]中国专利201010541046.6公开的相控电火花子震源，高压电极从震源侧面引出，在引出端浸水情况下很容易发生闪络放电；放电腔小，水的引入及保持较为困难，同时由于放电间隙小且不易调节，因此只能产生电弧放电，放电的重复性及可控性较差。另外，由于高压电极为裸导体单电极，电极及附近的绝缘材料很易烧蚀。中国专利201510146327.4公开的一种电声转换电极，在发生放电时整个电极是密封固定的，水中放电产生的冲击力很难转化为地震波能量。注水时必须打开外筒和中筒的连接处，不便于操作。高压电极处不容易固定，很容易发生渗水进而引发闪络。中国专利201510546857.8公开的地震勘探用缓冲式换能器注水时必须打开上筒和下筒的连接处，不便于操作且不易于控制注水量;利用缓冲弹簧作为缓冲件，很难控制不同放电能量下电极主体的移动行程，进而影响并限制能量转换效率;通过上筒和下筒调节放电间隙时，内部绝缘套筒无法固定，放电时很容易上下移动进而引发闪络。中国专利201510547305.9公开的一种防松动球面多束换能器利用绝缘底筒将水溶液密封，一方面限制了放电空间，影响放电转换效率，同时在狭小空间内放电产生的气泡很难消散，进而影响后续的放电；绝缘底筒的高度限制了放电间隙的调节范围；注水困难，且很难保证水溶液注入到绝缘底筒围起的放电空间；结构复杂，不便于实施。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有的放电电极高压端易闪络、放电不可控、注水困难、结构复杂的缺点，提出一种活塞式换能电极。本发明可在封闭的空间内形成水中放电，放电的形式可灵活控制，同时，本发明电极采用活塞式结构，利用放电产生的冲击波推动电极上下往复运动，直接转换为机械能，提高了放电的能量转换效率。
[0005]本发明包括外壳体、绝缘体、外帽和高压电极，高压电极套装在绝缘体内部，绝缘体套装在外壳体内部。外帽罩于外壳体和绝缘体的上方，用于密封。外帽的外壁焊有接地端，用于和外部电源的地相连。
[0006]外壳体包括外筒、中筒和固定件。
[0007]所述的外筒为一上下两段内径不同的圆筒，有底面，为不锈钢材料制成。外筒上段的内径大于其下段的内径，且外筒上段的内径略大于中筒下段的外径，以便于中筒嵌入。中筒在外力作用下在外筒上段内上下移动。外筒上段有内螺纹，固定件下段有外螺纹，固定件通过螺纹的配合固定在外筒上段。
[0008]所述的中筒为一上、中、下三段内、外径均不同的圆筒，为不锈钢材料制成。中筒上段的内径大于其中段和下段的内径，中筒中段和下段的内径相同，且中筒上段的内径略大于绝缘筒下段的外径，以便于绝缘筒套入。中筒下段的外径大于其中段和上段的外径，且中筒下段的外径略小于外筒上段的内径，以便于插入外筒上段，并可在外筒上段内上下移动。中筒上段有外螺纹，通过与外帽的内螺纹配合固定。中筒的中段的内径、下段的内径和外筒下段的内径相等。
[0009]所述的固定件为一截面为倒置的L形的圆筒，为不锈钢材料制成。固定件上段为L形的横边，固定件上段的外径与外筒的外径相等，固定件下段为L形的竖边，固定件下段的外径略小于外筒上段的内径。固定件下段有外螺纹，与外筒上段的内螺纹相配合。固定件的内径略大于中筒上段和中段的外径，固定件插入外筒和中筒上段、中段之间的空隙，并通过外筒上段的内螺纹与外筒固定。固定件的下边缘为中筒向上移动的行程限位。
[0010]所述的绝缘件包括绝缘筒、螺帽和绝缘套筒。
[0011]所述的绝缘套筒为等厚度的圆筒，由绝缘材料制成。绝缘套筒的外径略小于外筒下段和中筒中段、下段的内径，绝缘套筒套入外筒下段和中筒中段和下段的内部。
[0012]所述的绝缘筒为一上、下两段内、外径均不同的圆筒，由绝缘材料制成。绝缘筒上段的外径小于其下段的外径，上段和下段的衔接处形成一个台阶。绝缘筒下段的高度约等于中筒上段的高度，绝缘筒套入中筒内，其下端面与中筒上段的下端面齐平。绝缘筒下段台阶处开有两个或多个通孔，用于向绝缘套筒和绝缘筒围成的封闭空间灌入导电液体，通孔通过螺帽密封。绝缘筒内部装配高压电极，绝缘筒内径略大于高压电极的外径。
[0013]所述的高压电极由单芯绝缘电缆、汇流排和螺柱组成。多根长度相等的单芯绝缘电缆的中心导体通过汇流排连接，汇流排和螺柱连接。汇流排经绝缘密封形成绝缘密封段，螺柱突出绝缘密封段的上端，多根单芯绝缘电缆伸出绝缘密封段的下端。汇流排和螺柱由黄铜材料制成。绝缘筒下段的内径略大于绝缘密封段的外径，以便于绝缘密封段套入绝缘筒下段。绝缘密封段通过密封圈与绝缘筒下段密封，螺柱通过螺纹与绝缘筒上段内壁固定密封。螺柱与外界电源的高压输出端连接。多根单芯绝缘电缆置于导电的液体中，导电液体充满由绝缘套筒和绝缘筒围成的封闭空间内，液体的电导率为10-50mS/cm。
[0014]所述的外帽罩在中筒上段上面，由不锈钢材料制成，开有中心通孔。所述中心通孔的内径略大于绝缘筒上段的外径，以便于绝缘筒上段插入外帽中心通孔。绝缘筒台阶上的通孔有内螺纹，螺帽与通孔的内螺纹配合，插入通孔，密封绝缘筒台阶上的通孔。装配好螺帽的绝缘筒下段高于中筒上段，外帽从上面压紧绝缘筒下段，固定绝缘体。外帽通过内螺纹与中筒上段的外螺纹配合固定。
[0015]外部电源的高压输出端和本发明高压电极的螺柱连接，由多根单芯电缆组成的高压电极在水中形成脉冲放电，脉冲放电的形式可为电晕放电或电弧放电。放电间隙为高压电极末端至外筒底部的距离，通过改变放电间隙，可以获得稳定的电晕放电。和电弧放电相比，电晕放电的重复性较好且无延时，这样利用多个电极同时作用时，增加了其可控性；同时，电晕放电时电极的烧蚀小很多，因此尽量采用电晕放电的形式。水中脉冲放电产生较大的冲击波，冲击波使电极的上下部分产生相应的位移如活塞式运动，因此，放电能量除转换为声能外，冲击波产生的活塞式运动能将机械能直接作用于地面。
[0016]本发明的积极效果是:通过调整放电间隙和外施电压，可在密闭液体空间内获得稳定的电晕放电，提高了放电电极的可控性及寿命，同时活塞式电极结构可提高放电能量的转换效率，为相控阵电火花震源的实际应用奠定了基础。
【附图说明】
[0017]图1为本发明活塞式换能电极示意图，图1中，I外筒，2中筒，3固定件，4外帽，5接地端，6绝缘筒，7螺帽，8绝缘套筒，9高压电极；
[0018]图2为本发明活塞式换能电极的高压电极示意图，图2中，a绝缘密封段，b单芯绝缘电缆，c汇流排，d螺柱。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0020]如图1所示，本发明包括外壳体、绝缘体、外帽4和高压电极9。高压电极9套装在绝缘体内部，绝缘体套装在外壳体内部。外帽4罩于外壳体和绝缘体的上方，用于密封。外帽4的外壁焊有接地端5，用于和外部电源的地相连。
[0021]所述的外壳体包括外筒1、中筒2和固定件3。
[0022]外筒I为一个上下两段内径不同的带底圆筒。中筒2为一上、中、下三段内、外径均不同的圆筒。中筒2套装在外筒I的上部，在外力作用下中筒2可在外筒I上部上下移动，移动的上限为固定件3的下边缘。固定件3通过螺纹与外筒I固定。中筒2的上部罩有外帽4。
[0023]外筒I为一上下两段内径不同的带底圆筒，为不锈钢材料制成。外筒I上段的内径大于其下段的内径，且外筒I上段的内径略大于中筒2下段的外径，以便于中筒2嵌入，中筒2在外力作用下在外筒I上段内上下移动。外筒I上段有内螺纹，固定件3下段有外螺纹，固定件3通过螺纹的配合固定在外筒I上段。
[0024]中筒2为一上、中、下三段内、外径均不同的圆筒，为不锈钢材料制成。中筒2上段的内径大于其中段和下段的内径，中段和下段的内径相同，且中筒2上段的内径略大于绝缘筒6下段的外径，以便于绝缘筒6套入。中筒2下段的外径大于其中段和上段的外径，且中筒2下段的外径略小于外筒I上段的内径，以便于插入外筒I上段，并可在外筒I上段内上下移动。中筒2上段有外螺纹，通过与外帽4的内螺纹配合固定。中筒2中段的内径、下段的内径和外筒I下段的内径相等。
[0025]固定件3为一截面为倒置的L形的圆筒，为不锈钢材料制成。固定件3上段为L形的横边，固定件3上段的外径与外筒I的外径相等，固定件3下段为L形的竖边，固定件3下段的外径略小于外筒I上段的内径。固定件3下段有外螺纹，与外筒I上段的内螺纹相配合。固定件3的内径略大于中筒2上段和中段的外径，固定件3插入外筒I和中筒2上段、中段之间的空隙，并通过外筒I上段的内螺纹与外筒I固定。固定件3的下边缘为中筒2向上移动的行程限位。
[0026]绝缘体包括绝缘筒6、螺帽7和绝缘套筒8。
[0027]绝缘筒6套入中筒2上段的内部，绝缘筒6的下端面和中筒2上段的下端面齐平;绝缘套筒8套入外筒I的下段和中筒2中段和下段的内部，绝缘套筒8的上端面和中筒2中段的上端面齐平。绝缘套筒8的上沿和绝缘筒6的下端面接触。绝缘筒6内放置有高压电极9。高压电极9由多根单芯电缆组成，电缆的中心导体通过汇流排连接，汇流排与螺柱连接，螺柱与外界电源的高压输出端连接;高压电极9的另一端置于导电液体中，导电液体注满由绝缘套筒8和绝缘筒6围成的封闭空间内。
[0028]绝缘套筒8为等厚度的圆筒，由绝缘材料制成。绝缘套筒8的外径略小于外筒I下段和中筒2中段、下段的内径，以便绝缘套筒8套入外筒I和中筒2内部。
[0029]绝缘筒6为一上、下两段内、外径均不同的圆筒，由绝缘材料制成。绝缘筒6上段的外径小于其下段的外径，两段衔接处形成一个台阶。绝缘筒6下段的高度约等于中筒2上段的高度，绝缘筒6套入中筒2内，其下端面与中筒2上段的下端面齐平。绝缘筒6的台阶处开有两个或多个通孔，用于向绝缘套筒和绝缘筒围成的封闭空间灌入导电液体，通孔通过螺帽7密封。绝缘筒6上段的外径小于外帽4的中心通孔直径，以便套入外帽4中心通孔;绝缘筒6内部装配高压电极9，绝缘筒6的内径略大于高压电极9的外径。
[0030]高压电极9由单芯绝缘电缆b、汇流排c和螺柱d组成。多根长度相等的单芯绝缘电缆b的中心导体通过汇流排c连接，汇流排c和螺柱d连接。汇流排c通过绝缘密封形成绝缘密封段a，螺柱d突出绝缘密封段a的上端，多根单芯绝缘电缆b伸出绝缘密封段a的下端。汇流排c和螺柱d由黄铜材料制成。绝缘筒6下段的内径略大于绝缘密封段a的外径，以便于绝缘密封段a套入绝缘筒6下段。绝缘密封段a通过密封圈与绝缘筒6下段密封，螺柱d通过螺纹与绝缘筒6上段内壁固定密封。螺柱d与外界电源的高压输出端连接。多根单芯绝缘电缆b置于导电液体中，导电液体充满由绝缘套筒8和绝缘筒6围成的封闭空间内，液体的电导率为10-50ms/cm。
[0031]外帽4罩在中筒2上段上面，由不锈钢材料制成，开有中心通孔。外帽4中心通孔的内径略大于绝缘筒6上段的外径，以便于绝缘筒6上段插入外帽4中心通孔。螺帽7用于密封绝缘筒6台阶上的通孔，螺帽7和绝缘筒6配合的整体高度大于中筒2上段的高度，外帽4从上面压紧绝缘筒6和螺帽7，并通过内螺纹与中筒2上段的外螺纹配合固定。
[0032]本发明具体实施以获得约800A的电晕电流为例。高压电极9由70根单芯绝缘电缆b组成，电缆中心导体直径1mm，绝缘层厚度约1mm。汇流排c上均匀分布70个小孔，每根单芯电缆的中心导体通过小孔与汇流排c焊接在一起，螺柱d从汇流排c中心引出，连接外电源的高压输出端。汇流排C、部分螺柱及单芯电缆通过绝缘浇铸密封形成一体化高压电极9。根据高压电极螺柱d及绝缘密封部分I的尺寸确定绝缘筒6内径的尺寸，高压电极9套入绝缘筒6，通过密封圈和螺纹进一步密封固定。
[0033]外筒I由不锈钢材料制成，上下两段的内径差约5mm，外筒I上段的内径略大于中筒2下段的外径，以便装入中筒2并保证外力作用下中筒2可在外筒I上段上下移动。中筒2由不锈钢材料制成，中筒2上、中段和下段的外径差约1.5mm，中筒2上段和中、下段的内径差约2mm，装配好的绝缘筒6和高压电极9放置在中筒2的上段，两者通过密封垫密封。固定件3由不锈钢材料制成，上下两段的外径差约1.5mm，固定件3的内径略大于中筒2上、中段的外径，固定件3从中筒2上面套装入外筒I上段和中筒2上、中段形成的间隙，并通过螺纹与外筒I固定。绝缘套筒8套装入外筒I和中筒2中、下段，绝缘筒6从上面压紧绝缘套筒8，两者接触的地方通过密封圈或密封垫密封。绝缘套筒8和绝缘筒6围起的密闭空间内注满溶液，螺帽7将绝缘筒6的通孔密封。外帽4由不锈钢材料制成，开有中心通孔，通孔内径略大于绝缘筒6上段的外径;外帽4从绝缘筒6上部套入，压紧绝缘筒6，并通过内螺纹与中筒2上段固定;外帽4侧面焊接直径约6_的螺钉作为接地端5，与外电源的地相连。
[0034]本发明工作过程如下:控制外部电源，使其输出一定幅值的脉冲电压，换能电极内部将发生水中电晕放电，电晕放电电流通过分流器测量。当外施幅值为4.5kV的脉冲电压时，产生的电晕电流约为800A。放电产生的地震波和电晕电流有正相关性，即地震波幅值随电晕电流的增加而增大。电晕电流的幅值可通过脉冲电源的输出电压幅值及放电间隙来调控，一定放电间隙下，电压越高，电晕电流越大;一定电压下，间隙越小，电晕电流越大，但小间隙下很容易发生电弧放电。因此，在电源一定的条件下，需选择合适的间隙已产生可控的放电，放电间隙可通过高压电极的电缆长度灵活调节。本发明换能电极在发生放电时，产生的冲击波可直接作用于电极的上下部分，使电极产生类活塞式的上下移动，电极的移动直接作用于地表，进而产生较大的地震波。
[0035]本发明可在封闭空间内获得重复性好、可控的水中电晕放电，且能量的转换效率较高，可用于山地及无水地区的地震勘探及相控阵技术领域。
【主权项】
1.一种活塞式换能电极，其特征在于:所述的活塞式换能电极包括外壳体、绝缘体、夕卜帽(4)和高压电极(9);高压电极(9)套装在绝缘体内部，绝缘体套装在外壳体内部，外帽(4)罩于外壳体和绝缘体的上方，外帽(4)的外壁焊有接地端(5)，用于和外部电源的地连接； 所述的外壳体包括外筒(I)、中筒(2)和固定件(3);外筒(I)为一上下两段内径不同的带底圆筒，中筒(2)为一上、中、下三段内、外径均不同的圆筒，中筒(2)套装在外筒(I)上部，在外力作用下中筒(2)可在外筒(I)上部上下移动，移动的上限为固定件(3)的下边缘，固定件(3)通过螺纹与外筒(I)固定； 所述的绝缘体包括绝缘筒(6)和绝缘套筒(8)；绝缘筒(6)套入中筒(2)上段内部，绝缘筒(6)的下端面和中筒(2)上段的下端面齐平;绝缘套筒(8)套入外筒(I)的下段和中筒(2)中段和下段的内部，绝缘套筒(8)的上端面和中筒(2)中段的上端面齐平;绝缘套筒(8)的上沿和绝缘筒(6)的下端面接触;绝缘筒(6)内放置有高压电极(9);高压电极(9)的另一端置于导电液体中，导电液体注满由绝缘套筒(8)和绝缘筒(6)围成的封闭空间内。2.根据权利要求1所述的活塞式换能电极，其特征在于:所述的外筒(I)上段的内径大于其下段的内径，且外筒(I)上段的内径略大于中筒(2)下段的外径。3.根据权利要求1所述的活塞式换能电极，其特征在于:所述的中筒(2)上段的内径大于其中段和下段的内径，且中筒(2)上段的内径大于绝缘筒(6)下段的外径，以便于绝缘筒(6)套入；中筒(2)下段的外径大于中段和上段的外径，且中筒(2)下段的外径小于外筒(I)上段的内径，以便于中筒(2)套入外筒(I)上段并能够上下移动。4.根据权利要求1所述的活塞式换能电极，其特征在于:所述的固定件(3)为一截面为倒置的L形的圆筒，固定件(3)上段为L形的横边，固定件(3)上段的外径与外筒(I)的外径相等，固定件(3)下段为L形的竖边，固定件(3)下段的外径小于外筒(I)上段的内径；固定件(3)下段有外螺纹，与外筒(I)上段的内螺纹相配合；固定件(3)的下边缘为中筒(2)的向上移动行程限位。5.根据权利要求1所述的活塞式换能电极，其特征在于:所述的绝缘筒(6)上段的外径小于其下段的外径，上段和下段衔接处形成一个台阶;绝缘筒(6)下段台阶处开有通孔，用于向绝缘套筒和绝缘筒围成的封闭空间灌入导电液体;所述的通孔通过螺帽(7)密封;绝缘筒(6)内部装配高压电极(9)，绝缘筒(6)的内径大于高压电极(9)的外径。6.根据权利要求1所述的活塞式换能电极，其特征在于:高压电极(9)由单芯绝缘电缆(b)、汇流排(C)和螺柱(d)组成；多根长度相等的单芯绝缘电缆(b)的中心导体通过汇流排(c)连接，汇流排(c)和螺柱(d)连接;汇流排(c)通过绝缘密封形成绝缘密封段(a)，螺柱(d)突出绝缘密封段(a)的上端，多根单芯绝缘电缆(b)伸出绝缘密封段(a)的下端;绝缘筒(6)下段的内径大于绝缘密封段(a)的外径，绝缘密封段(a)套入绝缘筒(6)的下段内；绝缘密封段(a)通过密封圈与绝缘筒(6)下段密封，螺柱(d)通过螺纹与绝缘筒(6)上段内壁固定密封;螺柱(d)与外界电源的高压输出端连接;多根单芯绝缘电缆(b)置于导电液体中。7.根据权利要求1所述的活塞式换能电极，其特征在于:所述的外筒(1)、中筒(2)、固定件(3)和外帽(4)由金属材料制成。
【文档编号】G01V1/157GK105911583SQ201610213410
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】任成燕, 严萍, 孙鹞鸿, 徐旭哲, 樊爱龙, 谢克瑜
【申请人】中国科学院电工研究所