近年來人們通過高壓脈沖液相放電技術，處理工業有機廢水取得了一些進展，該技術通過等離子體產生的高能電子輻射、高溫熱降解、臭氧氧化、光化學氧化、液電空化降解等多種綜合效應，迅速而無選擇性地將工業廢水中的有機物降解為分子量更小、毒性更低的有機物甚至將其無機化。由于該技術的高效、無二次污染，從而使其具有廣闊的開發應用前景。

1 高壓脈沖液相放電廢水處理的機理

高壓脈沖液相放電廢水處理技術主要分為高壓脈沖電源與反應器兩大部分（圖1）。

圖1 高壓脈沖液相放電廢水處理原理圖

在反應器中預先置入了放電電極，高壓電源將電能通過火花隙觸發開關形成脈沖高壓輸入到反應器中形成放電。兩電極間的液體介質，在強電場的作用下，出現了從高壓電極向外延伸的高電導率的分叉如根須狀的通道，當通道一旦到達對面電極時，電能就會沿著通道以浪涌式釋放。

此時，電容器上存儲的電能在微秒級的時間內向放電通道傾入，形成電子雪崩，巨大的脈沖電流(103～105A)使通道內形成高能密度(102～103J/cm3)，由此引起局部高溫(104～105K量級)。在放電過程中，放電通道內完全由稠密的等離子體所充滿，產生瞬間高溫高壓，并輻射出很強的紫外線及向外迅速膨脹的沖擊波，如此大的電能，可迅速降解有機物。

2 觸發開關的作用與存在的問題

以火花隙開關的工作原理（圖1）為例：直流高壓經過限流電阻R，對儲能電容器C充電，利用旋轉火花隙觸發開關K實現電壓觸發放電，電容器上的電荷經K傳到反應器中的電極a（陽極）及b（陰極）上形成放電，對反應器中的液體介質進行處理。

高壓脈沖電源的觸發開關是實現脈沖等離子體水處理的關鍵技術之一，根據觸發放電開關類型的不同可分為三類：磁脈沖壓縮開關、閘流管開關、火花隙開關。

磁壓縮開關雖然適用大功率脈沖電源，但在高重復頻率、快上升時間的脈沖系統中，對磁型開關材料的選擇較為苛刻，且制作成本昂貴，限制了在廢水處理上的應用；閘流管具有功率大、開關速度快、壽命長、重復率高等優點，但必須與脈沖變壓器配套使用，對不同的有機廢水適應力不足；火花隙開關重復頻率在100～300 Hz左右，制作較為便捷、成本不高，是目前廢水處理的首選。

火花隙開關是在強電場的作用下，擊穿空氣使間隙開關兩端產生放電，形成通道后導通的。因此它存在著一些先天的問題，如放電噪聲較大；開關觸頭表面易被灼傷，壽命短；火花隙消耗電能約為10%～20%，輸出效率低；火花隙被擊穿導通受環境影響較大，形成脈沖的穩定性和可靠性不高；火花隙導通為一次放電，在反應器中為二次放電，這兩次放電是在瞬間完成的，相互關聯度極高，影響對有機物降解的分析與反應條件的優化。

另外，采用單觸發開關電路（圖1），脈沖形成電容的充電和放電是同時進行的，會使反應器產生多次火花放電，峰值電壓不均勻，電路較難測定脈沖重復頻率；而采用聯動雙觸發開關（圖2），電容的充電和放電是分別進行的，產生的峰值電壓穩定，對于水處理實驗研究有利。

圖2 觸發開關的工作原理圖

3 消弧觸發放電開關的研制

為了解決火花隙開關上的問題，本文研制出一種液相高壓放電聯動雙觸發開關裝置（圖3）。采用聚四氟乙烯套管制作成絕緣定子，左右兩端用環氧樹脂板制成端蓋，端蓋中心安裝一對軸承及壓蓋，軸承支撐轉動軸水平旋轉。

圖3 液相高壓放電聯動雙觸發開關裝置

在轉動軸上安裝有聚四氟乙烯制成絕緣轉子，絕緣轉子的中間位置套入不銹鋼材質的滑環并將絕緣轉子等分成左、右兩部分；每部分各安裝數量相等的左、右轉動觸頭，轉動觸頭采用不銹鋼管，其軸線與轉動軸的軸線平行并在絕緣轉子的圓周上均布；轉動觸頭只暴露W寬度的一段弧長（見圖4）。

圖4 轉子的K向視圖

其余部分鑲嵌在絕緣轉子上；左、右轉動觸頭在圓周上按等分角度相間布置，與滑環接觸并點焊連接。在絕緣定子底部沿著軸線方向布置一個彈力滾輪、在它左右按L間隔布置兩個彈力觸頭；彈力滾輪與彈力觸頭均由不銹鋼制成，靠彈簧伸縮；彈力滾輪與滑環始終接觸構成導體，彈力觸頭與圓周轉動觸頭間歇接觸，形成通-斷的開關；用導線將彈力觸頭與電容、反應器連接。在絕緣定子的上方，軸線方向的中間位置設置了一個加油排氣口，通過此口向密封的腔內注入絕緣油。

消弧觸發放電開關的主要特點：

①根據“高壓消弧”原理，在旋轉觸發開關內，觸點采用相同的曲率半徑，無相對“尖端”出現；用絕緣油填充，當兩觸點接觸并產生相對滑動時，才能擠壓破油膜實現導通。使得高壓電能在觸點接觸時基本無能耗，電能可以有效地加載到反應器上，提高了反應器的處理效率。

②利用一個滑環和固定在絕緣定子上的彈力滾輪實現了一個“常閉”的公用電極，利用兩個彈力觸頭實現了聯動雙觸發開關，結構簡單且外連線只有三條，能方便地實現高壓脈沖液相沖、放電處理廢水的過程。

③可以通過增加絕緣轉子直徑和轉動觸頭的鑲嵌數量來提高觸發頻率，不必一味的靠提高轉子的轉速；旋轉觸發開關在相對低速下運行，可以減少沖擊、振動和磨損。

④消弧觸發放電開關結構簡單、選材容易、加工方便、使用靈活，開關觸頭表面無灼傷、壽命長、實用且成本低。由于觸點的接觸面積大，輸出效率高、穩定性和可靠性高、可以承受100kV以下的高壓脈沖液相沖、放電處理廢水的工作。

4 消弧觸發放電開關主要參數

據相關文獻介紹，人們采用火花隙開關進行過大量的高壓脈沖液相廢水處理工作，并取得了一些研究進展，并認為電壓在10～40kV，脈沖頻率在50～300Hz范圍內處理效果明顯。

轉動觸頭外露的一段弧長（見圖4）可以近似的等于W寬度，W寬度越寬與彈力觸頭接觸的時間就越長，原則上兩觸頭接觸時間應該略大于反應器的放電時間。W寬度應該由實驗所需的頻率、絕緣轉子的直徑與轉速、絕緣轉子上鑲嵌的轉動觸頭的直徑與數量來決定。

同時需要說明的一個參數H，即轉動觸頭與絕緣轉子間凸出的高度；H值應該在1mm左右，若H值過大，彈力觸頭往復的時間就會過長，通-斷開關的靈敏度就會降低；還會產生過大的振動與噪音。彈力滾輪與左右彈力觸頭間隔距離L，與電壓等級的高低有關，根據帕邢定律，一般情況下，空氣介質擊穿電壓也可近似地用30kv/cm的擊穿場強來估算。

本文研制的聯動雙觸發開關裝置，耐電壓等級按100kV計算，脈沖頻率在50～250Hz范圍內可調，用聚四氟乙烯制成絕緣轉子，直徑Φ130mm,在絕緣轉子中間的滑環為10mm寬，左、右兩部分圓周上各均布12根不銹鋼管，相差15°夾角作為轉動觸頭，不銹鋼管直徑Φ15mm、壁厚為1mm, W寬度為8mm，H高度為1mm。

兩個彈力觸頭由不銹鋼制成，觸頭球徑Φ15mm實心，彈力滾輪分別與兩個彈力觸頭中心距L長度為80mm，主要是考慮彈力觸頭的絕緣外套有一定厚度，絕緣外套的電位差不同。注入絕緣油（SH0040－91），油面約在轉動軸軸線下50mm（即淹沒了絕緣轉子20 mm），注入量約為200mL；用110ZYT152型調速電機帶動單觸發開關轉動，轉速0～1500r/min可調。

5 運行實驗

根據圖2聯動雙觸發開關工作原理圖，從彈力滾輪處引出電源線與脈沖形成電容C相連；從左邊的彈力觸頭處引出電源線與充電限流電阻R相連；從右邊的彈力觸頭處引出電源線與反應器中的電極a（陽極）相連。

當聯動雙觸發開關轉動平穩后，打開直流高壓電路，剛好左邊的彈力觸頭與左邊的轉動觸頭接觸，即K1觸發，電容C充電；短暫的充電過后，左、右轉動觸頭均轉離了彈力觸頭，這時既不充電也不放電，緊接著右邊的彈力觸頭與右邊的轉動觸頭接觸，電容C向反應器放電，隨后左、右轉動觸頭均又轉離了彈力觸頭，完成了一次充、放電過程。圖5 為高壓放電聯動雙觸發開關裝置的運行實驗。

圖5 觸發開關裝置的運行實驗

本文研制的聯動雙觸發開關裝置，轉速調到1000r/min時，脈沖頻率為200Hz，運行平穩、開-斷靈活、觸點接觸可靠；電壓加載到40kV時，觸發開關旋轉正常，未聽到觸發點起弧的聲音，高壓脈沖在液相中放電正常，放電火花明亮、有力。

圖6 處理效果對比圖

本文對甲基橙模擬廢水進行了降解實驗，在甲基橙初始濃度25 mg/L、溫度25℃、電壓30kV、脈沖頻率為200Hz時，作用12 min，脫色率98.6%，降解效果最佳，圖6處理效果對比。

6 結論

本文研制的消弧觸發放電開關裝置，不僅是一種新思路、新方法，通過實際帶電運行，證明裝置運行平穩、觸點通-斷靈活、接觸可靠；與現行的火花隙開關相比，具有脈沖重復頻率，峰值電壓穩定，高壓能量消耗小，完全能夠滿足高壓脈沖液相放電廢水處理技術需要，是一款性能優良的觸發開關，為進一步研究高壓脈沖液相放電技術，處理工業有機廢水奠定了基礎。

本文編自《電氣技術》，標題為“高壓液相處理有機廢水消弧觸發開關的研制”，作者為王照華、劉濤濤、李慶玲。