ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЭЛЕКТРОД

Полезная модель относится к техническим средствам для разрушения горных пород, бетонных и железобетонных изделий электроимпульсным способом с помощью высоковольтных разрядов, развивающихся в разрушаемом материале, или электрогидравлическим способом с помощью высоковольтных разрядов, развивающихся над разрушаемым материалом в воде. Полезная модель может быть использована в горнодобывающей или строительной областях промышленности.
Известен высоковольтный электрод (отчет по контракту с Японской фирмой Komatsu от 10.10.96 г. «Электроимпульсное разрушение гранита и бетона в воде» Томск, 1997 г., № гос. регистрации 02.9.80 000 133, с.6-8), который изготовлен из отрезка высоковольтного кабеля (КПВ-300) с полиэтиленовой изоляцией и с оппаяным выступающим из изоляции рабочим концом. В другом варианте он выполнен в виде стержневого стального токовода, покрытого полиэтиленовой изоляцией, кроме выступающего из изолятора рабочего конца.
Недостатком электродов таких конструкций является малый срок службы, обусловленный низкой стойкостью изоляции, особенно над рабочими концами токопроводов.
Этот недостаток частично устранен в выбранном за прототип высоковольтном электроде (патент РФ №1741900, МПК5 В 02 С 19/18, опубл. 23.06.92, бюл. №23), состоящем из полого токопровода, жестко установленного в изоляторе. В изоляторе вокруг рабочего конца токопровода выполнено углубление, и изолятор снабжен трубчатым токопроводящим экраном, надетым на нижний конец изолятора. Жесткая и плотная установка токопровода в изоляторе необходима для того, чтобы между токопроводом и
изолятором не было даже мельчайших зазоров, которые из-за находящихся в них газов резко снижают электрическую прочность изолятора. В связи с этим обычно токопровод запрессовывают в нагретый изолятор, или изолятор изготавливают из расплавленных гранул непосредственно на токопроводе в пресс-форме, из которой откачивают воздух.
Основным недостатком этого электрода является малый срок службы изолятора, особенно его части, расположенной над экраном, а также необходимость замены всего изолятора при его единичных электрических пробоях.
Техническим результатом предложенного решения является повышение срока службы высоковольтного электрода за счет увеличения срока службы его изолятора на порядок благодаря тому, что изолятор имеет возможность как бы «самозалечивать» места электрического пробоя диэлектрической жидкостью. Кроме того, в предложенной конструкции высоковольтного электрода изолятор может быть быстро полностью или частично заменен на другой, укорочен или удлинен, а также сдвинут по токопроводу.
Указанный технический результат достигается тем, что в высоковольтном электроде для электроимпульсного разрушения твердых материалов, содержащем установленный в изоляторе полый токопровод с выступающим рабочим концом, согласно предложенному решению, изолятор выполнен из упругого, губчатого материала, пропитанного диэлектрической жидкостью, снабжен центральной втулкой и размещен между верхней и нижней торцевыми опорами, причем нижняя опора выполнена с возможностью продольного перемещения вдоль центральной втулки.
Целесообразно изолятор размещать в эластичном рукаве, выполненном из электроизоляционного материала.
Целесообразно также эластичный рукав выполнять сетчатым.
Кроме того, целесообразно верхний конец полого токопровода снабдить насосом.
Целесообразно также, чтобы токопровод был выполнен телескопическим.
Целесообразно рабочий конец полого токопровода выполнять с торцевыми выемками или перфорированным.
Пример конкретного выполнения. На фиг.1 приведен общий вид высоковольтного электрода в продольном разрезе, на фиг.2 показан разрез А-А верхней части электрода, на фиг.3 представлено сечение В-В средней части электрода, а на фиг.4 изображен разрез С-С нижней части предложенного электрода.
Основными элементами высоковольтного электрода (фиг.1) являются установленный в изоляторе 1 полый электрод 2 с выступающим рабочим концом 3. Токопровод 2 и все остальные металлические элементы высоковольтного электрода выполнены из стали. Изолятор 1 (фиг.1 и фиг.3) изготовлен из упругого, т.е. возвращающегося к первоначальной форме после снятия сжимающей нагрузки, губчатого (способного впитывать жидкость) материала, в частности из поролона. В качестве диэлектрической жидкости для пропитки изолятора 1 применялось трансформаторное масло 4. Планируется применять и дизельное топливо. Изолятор 1 снабжен центральной втулкой 5, через которую свободно пропущен полый токопровод 2. Изолятор 1 размещен между верхней и нижней торцевыми опорами 6 и 7. Верхняя торцевая опора 6 выполнена в виде круга и жестко укреплена на центральной втулке 5 (фиг.1 и фиг.2), а нижняя торцевая опора 7 выполнена в виде крестовины (фиг.1 и фиг.4), свободно одетой на центральную втулку 5 с возможностью продольного перемещения вдоль нее с помощью тяг 8 путем навинчивания или свинчивания гаек 9, расположенных над распорной пластиной 10, выполненной из упругого материала. Для создания возможности перетока диэлектрической жидкости 4 (фиг.1) из полого токопровода в призабойную область рабочий конец 3 полого токопровода 2 выполнен с торцевыми выемками 11 в виде четырех треугольных вырезов. Эти выемки 11 могут быть выполнены путем
перфорации призабойной части рабочего конца 3 полого токопровода 2. Но если забой скважины, в которую помещают высоковольтный электрод, неровный, то торцевые выемки 11 или перфорацию целесообразно не делать. Для того, чтобы изолятор 1 не разрушался при его перемещении по неровностям стенок скважины (шурфа) 12, на него одет эластичный рукав 13 (фиг.1, фиг.3 и фиг.4), выполненный из электроизоляционного материала. В опытах рукав 13 был изготовлен из обычной полимерной сетки, применяемой в торговле при фасовке товаров, с размером ячейки 6×6 мм. Подача импульсов положительной полярности от источника импульсов высокого напряжения (на чертеже не показан) на номинальное напряжение 700 кВ предусмотрена с помощью медной шины 14 (фиг.1), прикрепленной к верхней части полого токопровода 2. Для повышения эффективности работы высоковольтного электрода он снабжен насосом, который соединен с верхним концом полого токопровода 2. Насос состоит из корпуса 15, крышки 16 и размещенного внутри корпуса 15 поршня 17. К поршню 17 прикреплена ручка 18. При большой длине высоковольтного электрода полый токопровод 2 может быть выполнен телескопическим.
Работа высоковольтного электрода осуществляется следующим образом. Высоковольтный электрод погружают в емкость с диэлектрической жидкостью, чтобы изолятор 1 пропитался этой жидкостью. Затем высоковольтный электрод вынимают, дают стечь не впитавшейся жидкости, и устанавливают электрод на забой скважины 12 (фиг.1). Опыты проводились в глинистых сланцах на Степановском карьере г. Томска. Скважины были пробурены предварительно на глубину 200 и 300 мм с расстоянием между ними 300 мм. При установке высоковольтного электрода на забой скважины 12 распорная пластина 10, имеющая диаметр несколько больший, чем диаметр скважины 12, жестко упирается скругленными концами в стенки скважины 12. Поэтому при последующем навинчивании гаек 9 на тяги 8 пластина 10 стоит неподвижно, а нижняя торцевая опора 6 приподнимается над забоем скважины на несколько сантиметров, сжимая
изолятор 1 и эластичный рукав 13 и выжимая из изолятора 1 диэлектрическую жидкость 4 в призабойную часть скважины. Это необходимо для того, чтобы предотвратить развитие горизонтальных высоковольтных электрических разрядов по поверхности нижней торцевой опоры 6 и по нижнему торцу изолятора 1 (фиг.1 и фиг.4). Необходимо также предотвратить развитие вертикальных разрядов по стенке скважины 12 (фиг.1) и боковой поверхности изолятора 1. Для этого нужно следить, чтобы уровень диэлектрической жидкости внутри полого токопровода 2 был выше изолятора 1. При необходимости диэлектрическая жидкость доливается или подается с помощью поршня 17 насоса в полый токопровод 2. Заземленный электрод устанавливается в соседней скважине (шпуре). Он должен быть надежно соединен с заземленным контуром источника импульсов высокого напряжения. После такой подготовки от генератора импульсов высокого напряжения подаются единичные импульсы высокого напряжения до разрушения горной породы электрическими разрядами между рабочим концом 3 высоковольтного электрода и заземленным электродом. Затем гайки 9 свинчивают, нижняя торцевая опора 7 (фиг.1 и фиг.4) при этом опускается, изолятор 1 распрямляется и впитывает диэлектрическую жидкость 4. Больший эффект достигается, когда перед свинчиванием гаек 9 диэлектрическую жидкость 4 максимально отсасывают насосом, поднимая его поршень 17 за ручку 18. Для того, чтобы нижняя торцевая опора 7 мгновенно опускалась после завершения электрического разряда, в отдельных опытах вместо гаек 9 применялись зажимы, работающие по типу обычных прищепок, которые слетали с тяг 8 от встряски высоковольтного электрода при развитии электрического разряда. После впитывания изолятором 1 диэлектрической жидкости 4 высоковольтный электрод извлекается из скважины.
У предложенного высоковольтного электрода изолятор 1 был заменен один раз после подачи на этот электрод в разных скважинах около 300 высоковольтных импульсов, при этом изолятор 1 пришлось заменить не из-за
электрических пробоев, а из-за механических повреждений, т.к. эластичный рукав 13 в этих опытах не применялся. Прототип в аналогичных условиях не применялся, а аналог использовался в крупнозернистом граните в близких условиях, и его полиэтиленовое покрытие токопровода пробивалось электрическими разрядами чаще всего уже после десятков импульсов. Следует иметь ввиду, что у прототипа основная часть его изоляторп расположена над экраном и при работе находится в таких же условиях, как и у аналога.