近年來人們通過高壓脈沖液相放電技術(shù)，處理工業(yè)有機(jī)廢水取得了一些進(jìn)展，該技術(shù)通過等離子體產(chǎn)生的高能電子輻射、高溫?zé)峤到狻⒊粞跹趸⒐饣瘜W(xué)氧化、液電空化降解等多種綜合效應(yīng)，迅速而無選擇性地將工業(yè)廢水中的有機(jī)物降解為分子量更小、毒性更低的有機(jī)物甚至將其無機(jī)化。由于該技術(shù)的高效、無二次污染，從而使其具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

1 高壓脈沖液相放電廢水處理的機(jī)理

高壓脈沖液相放電廢水處理技術(shù)主要分為高壓脈沖電源與反應(yīng)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(yīng)器中預(yù)先置入了放電電極，高壓電源將電能通過火花隙觸發(fā)開關(guān)形成脈沖高壓輸入到反應(yīng)器中形成放電。兩電極間的液體介質(zhì)，在強(qiáng)電場的作用下，出現(xiàn)了從高壓電極向外延伸的高電導(dǎo)率的分叉如根須狀的通道，當(dāng)通道一旦到達(dá)對面電極時(shí)，電能就會沿著通道以浪涌式釋放。

此時(shí)，電容器上存儲的電能在微秒級的時(shí)間內(nèi)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(nèi)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(nèi)完全由稠密的等離子體所充滿，產(chǎn)生瞬間高溫高壓，并輻射出很強(qiáng)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(jī)物。

2 觸發(fā)開關(guān)的作用與存在的問題

以火花隙開關(guān)的工作原理（圖1）為例：直流高壓經(jīng)過限流電阻R，對儲能電容器C充電，利用旋轉(zhuǎn)火花隙觸發(fā)開關(guān)K實(shí)現(xiàn)電壓觸發(fā)放電，電容器上的電荷經(jīng)K傳到反應(yīng)器中的電極a（陽極）及b（陰極）上形成放電，對反應(yīng)器中的液體介質(zhì)進(jìn)行處理。

高壓脈沖電源的觸發(fā)開關(guān)是實(shí)現(xiàn)脈沖等離子體水處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，根據(jù)觸發(fā)放電開關(guān)類型的不同可分為三類：磁脈沖壓縮開關(guān)、閘流管開關(guān)、火花隙開關(guān)。

磁壓縮開關(guān)雖然適用大功率脈沖電源，但在高重復(fù)頻率、快上升時(shí)間的脈沖系統(tǒng)中，對磁型開關(guān)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(yīng)用；閘流管具有功率大、開關(guān)速度快、壽命長、重復(fù)率高等優(yōu)點(diǎn)，但必須與脈沖變壓器配套使用，對不同的有機(jī)廢水適應(yīng)力不足；火花隙開關(guān)重復(fù)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(guān)是在強(qiáng)電場的作用下，擊穿空氣使間隙開關(guān)兩端產(chǎn)生放電，形成通道后導(dǎo)通的。因此它存在著一些先天的問題，如放電噪聲較大；開關(guān)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(dǎo)通受環(huán)境影響較大，形成脈沖的穩(wěn)定性和可靠性不高；火花隙導(dǎo)通為一次放電，在反應(yīng)器中為二次放電，這兩次放電是在瞬間完成的，相互關(guān)聯(lián)度極高，影響對有機(jī)物降解的分析與反應(yīng)條件的優(yōu)化。

另外，采用單觸發(fā)開關(guān)電路（圖1），脈沖形成電容的充電和放電是同時(shí)進(jìn)行的，會使反應(yīng)器產(chǎn)生多次火花放電，峰值電壓不均勻，電路較難測定脈沖重復(fù)頻率；而采用聯(lián)動(dòng)雙觸發(fā)開關(guān)（圖2），電容的充電和放電是分別進(jìn)行的，產(chǎn)生的峰值電壓穩(wěn)定，對于水處理實(shí)驗(yàn)研究有利。

圖2 觸發(fā)開關(guān)的工作原理圖

3 消弧觸發(fā)放電開關(guān)的研制

為了解決火花隙開關(guān)上的問題，本文研制出一種液相高壓放電聯(lián)動(dòng)雙觸發(fā)開關(guān)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(huán)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(zhuǎn)動(dòng)軸水平旋轉(zhuǎn)。

圖3 液相高壓放電聯(lián)動(dòng)雙觸發(fā)開關(guān)裝置

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

圖4 轉(zhuǎn)子的K向視圖

其余部分鑲嵌在絕緣轉(zhuǎn)子上；左、右轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭在圓周上按等分角度相間布置，與滑環(huán)接觸并點(diǎn)焊連接。在絕緣定子底部沿著軸線方向布置一個(gè)彈力滾輪、在它左右按L間隔布置兩個(gè)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(huán)始終接觸構(gòu)成導(dǎo)體，彈力觸頭與圓周轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭間歇接觸，形成通-斷的開關(guān)；用導(dǎo)線將彈力觸頭與電容、反應(yīng)器連接。在絕緣定子的上方，軸線方向的中間位置設(shè)置了一個(gè)加油排氣口，通過此口向密封的腔內(nèi)注入絕緣油。

消弧觸發(fā)放電開關(guān)的主要特點(diǎn)：

①根據(jù)“高壓消弧”原理，在旋轉(zhuǎn)觸發(fā)開關(guān)內(nèi)，觸點(diǎn)采用相同的曲率半徑，無相對“尖端”出現(xiàn)；用絕緣油填充，當(dāng)兩觸點(diǎn)接觸并產(chǎn)生相對滑動(dòng)時(shí)，才能擠壓破油膜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。使得高壓電能在觸點(diǎn)接觸時(shí)基本無能耗，電能可以有效地加載到反應(yīng)器上，提高了反應(yīng)器的處理效率。

②利用一個(gè)滑環(huán)和固定在絕緣定子上的彈力滾輪實(shí)現(xiàn)了一個(gè)“常閉”的公用電極，利用兩個(gè)彈力觸頭實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)雙觸發(fā)開關(guān)，結(jié)構(gòu)簡單且外連線只有三條，能方便地實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)子直徑和轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭的鑲嵌數(shù)量來提高觸發(fā)頻率，不必一味的靠提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；旋轉(zhuǎn)觸發(fā)開關(guān)在相對低速下運(yùn)行，可以減少?zèng)_擊、振動(dòng)和磨損。

④消弧觸發(fā)放電開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、選材容易、加工方便、使用靈活，開關(guān)觸頭表面無灼傷、壽命長、實(shí)用且成本低。由于觸點(diǎn)的接觸面積大，輸出效率高、穩(wěn)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(fā)放電開關(guān)主要參數(shù)

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，人們采用火花隙開關(guān)進(jìn)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(jìn)展，并認(rèn)為電壓在10～40kV，脈沖頻率在50～300Hz范圍內(nèi)處理效果明顯。

轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)間就越長，原則上兩觸頭接觸時(shí)間應(yīng)該略大于反應(yīng)器的放電時(shí)間。W寬度應(yīng)該由實(shí)驗(yàn)所需的頻率、絕緣轉(zhuǎn)子的直徑與轉(zhuǎn)速、絕緣轉(zhuǎn)子上鑲嵌的轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭的直徑與數(shù)量來決定。

同時(shí)需要說明的一個(gè)參數(shù)H，即轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭與絕緣轉(zhuǎn)子間凸出的高度；H值應(yīng)該在1mm左右，若H值過大，彈力觸頭往復(fù)的時(shí)間就會過長，通-斷開關(guān)的靈敏度就會降低；還會產(chǎn)生過大的振動(dòng)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(guān)，根據(jù)帕邢定律，一般情況下，空氣介質(zhì)擊穿電壓也可近似地用30kv/cm的擊穿場強(qiáng)來估算。

本文研制的聯(lián)動(dòng)雙觸發(fā)開關(guān)裝置，耐電壓等級按100kV計(jì)算，脈沖頻率在50～250Hz范圍內(nèi)可調(diào)，用聚四氟乙烯制成絕緣轉(zhuǎn)子，直徑Φ130mm,在絕緣轉(zhuǎn)子中間的滑環(huán)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(zhuǎn)動(dòng)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(gè)彈力觸頭由不銹鋼制成，觸頭球徑Φ15mm實(shí)心，彈力滾輪分別與兩個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)軸軸線下50mm（即淹沒了絕緣轉(zhuǎn)子20 mm），注入量約為200mL；用110ZYT152型調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)單觸發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速0～1500r/min可調(diào)。

5 運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖2聯(lián)動(dòng)雙觸發(fā)開關(guān)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(yīng)器中的電極a（陽極）相連。

當(dāng)聯(lián)動(dòng)雙觸發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，打開直流高壓電路，剛好左邊的彈力觸頭與左邊的轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭接觸，即K1觸發(fā)，電容C充電；短暫的充電過后，左、右轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭均轉(zhuǎn)離了彈力觸頭，這時(shí)既不充電也不放電，緊接著右邊的彈力觸頭與右邊的轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭接觸，電容C向反應(yīng)器放電，隨后左、右轉(zhuǎn)動(dòng)觸頭均又轉(zhuǎn)離了彈力觸頭，完成了一次充、放電過程。圖5 為高壓放電聯(lián)動(dòng)雙觸發(fā)開關(guān)裝置的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5 觸發(fā)開關(guān)裝置的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

本文研制的聯(lián)動(dòng)雙觸發(fā)開關(guān)裝置，轉(zhuǎn)速調(diào)到1000r/min時(shí)，脈沖頻率為200Hz，運(yùn)行平穩(wěn)、開-斷靈活、觸點(diǎn)接觸可靠；電壓加載到40kV時(shí)，觸發(fā)開關(guān)旋轉(zhuǎn)正常，未聽到觸發(fā)點(diǎn)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(jìn)行了降解實(shí)驗(yàn)，在甲基橙初始濃度25 mg/L、溫度25℃、電壓30kV、脈沖頻率為200Hz時(shí)，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(jié)論

本文研制的消弧觸發(fā)放電開關(guān)裝置，不僅是一種新思路、新方法，通過實(shí)際帶電運(yùn)行，證明裝置運(yùn)行平穩(wěn)、觸點(diǎn)通-斷靈活、接觸可靠；與現(xiàn)行的火花隙開關(guān)相比，具有脈沖重復(fù)頻率，峰值電壓穩(wěn)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(shù)需要，是一款性能優(yōu)良的觸發(fā)開關(guān)，為進(jìn)一步研究高壓脈沖液相放電技術(shù)，處理工業(yè)有機(jī)廢水奠定了基礎(chǔ)。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“高壓液相處理有機(jī)廢水消弧觸發(fā)開關(guān)的研制”，作者為王照華、劉濤濤、李慶玲。