一种高压脉冲放电破岩装置

1.本发明属于高电压技术领域，更具体地，涉及一种高压脉冲放电破岩装置。


背景技术：

2.高压脉冲放电破岩技术是将脉冲功率技术应用于岩石破碎的一种具体方式，通过高电流密度的脉冲电流作用于金属丝，使得金属丝在微秒级的时间内燃烧汽化，并形成等离子体，通过高温等离子体快速地向外膨胀，在极短时间内产生强大的冲击波，冲击波产生的应力强度大于岩石抗拉强度，使得岩石发生破碎。通过分阶段的多次作用，使得岩石发生大体积的破碎。
3.爆破方法利用炸药或其它爆炸物瞬间释放的巨大能量破碎岩石，破碎效果好，但是对原岩扰动大，易造成周边岩石破坏，存在施工精度低、破碎块度不均匀、围岩支护困难等缺点。基于切削、冲凿、碾压、研磨等不同机械破岩方式具有技术成熟等优点，但是遇到抗压强度较高的硬岩时，切削破碎等极为困难，刀具磨损、维修量大以及侵入率低已成为制约机械破岩的主要瓶颈。现有的基于脉冲功率技术的破岩设备，存在着机械能转化效率低、冲击波衰减快、难以实现大尺寸岩石破碎等不足。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于或改进需求，本文提出的一种高压脉冲放电破岩装置，以解决现有破岩设备损耗大、精度低、冲击波衰减快以及无法实现大尺寸岩石破碎的技术问题。
5.为实现以上目的，本发明提供了一种高压脉冲放电破岩装置，包括：充电单元、储能与脉冲电流形成单元、脉冲电流传输单元、破碎单元以及时序触发单元，通过分阶段破碎以及时序放电控制使破碎单元冲击波叠加，实现大体积岩石破碎；
6.所述充电单元用于将低压工频交流电转化为高压直流电，提供系统所需电能；
7.所述储能与脉冲电流形成单元用于存储充电单元提供的电能，并通过时序触发单元控制电能的释放，形成脉冲电流；
8.所述脉冲电流传输单元用于将储能与脉冲电流形成单元产生的脉冲电流传输至破碎单元；
9.所述破碎单元利用脉冲电流传输单元传输的脉冲电流进行金属丝爆，将电能转化为机械能，实现岩石的破碎；
10.所述时序触发单元用于控制储能与脉冲形成单元能量释放时序，保证岩石的高效破碎。
11.优选地，所述充电单元采用串联谐振恒流充电方式，包括低频低压整流电路、逆变器、谐振模块、变压器及高频高压整流电路，所述工频低压交流电依次经所述低频低压整流电路整流、逆变器、谐振模块、变压器及高频高压整流电路进行整流、逆变、谐振升压、再整流后，变换为系统所需的高压直流电。
12.优选地，所述储能以及脉冲电流形成单元包括多个储能与脉冲电流形成模块，所述储能与脉冲电流形成模块包括储能电容、续流硅堆、调波电感以及晶闸管开关，其中储能电容用以存储充电单元传输的电流，并通过晶闸管开关控制形成脉冲电流，脉冲电流波形通过储能电容以及调波电感共同调整。续流硅堆反并联与储能电容两端，避免储能电容两端形成反压导致储能电容的损坏。其中为提高冲击波利用效率以及岩石破碎效果，系统能量应在冲击波产生至自由表面反射回原点之前注入。故调波电感以及储能电容应满足以下关系：
[0013][0014]
其中，l为调波电感感值，c为储能电容容值，l为破碎电极至自由表面距离，v为岩石的声速。
[0015]
优选地，所述脉冲电流传输单元采用同轴电缆结构，为降低系统的杂散电感与杂散电阻，同轴电缆采用多芯线结构。
[0016]
优选地，所述破碎单元包括多个破碎模块，所述破碎模块包括连接单元、放电电极、电爆破筒以及钻孔。所述钻孔通过机械钻孔方式产生，所述放电电极以及所述电爆破筒放置在所述钻孔内。所述连接单元实现破碎模块与脉冲电流传输模块的连接。
[0017]
优选地，所述放电电极将脉冲电流传输至所述电爆破筒，放电电极采用同轴结构并可重复使用，高压电极与接地电极之间填充聚碳酸酯实现绝缘，为减少电极烧蚀，所述高压电极采用钨铜合金，所述接地电极采用黄铜制成的管体，避免强冲击波损坏电极。
[0018]
优选地，所述电爆炸筒包括金属丝以及冲击波传播筒体，所述金属丝在脉冲电流下爆炸并形成等离子体通道，通道膨胀产生冲击波，所述冲击波传播筒体采用聚乙烯材料，其外径与所述钻孔内径一致，将冲击波传输至岩石，减小冲击波衰减，提高岩石破碎效率。
[0019]
优选地，所述破碎单元的破碎模块等间距放置于与岩石自由表面(即岩石边缘)平行的表面上。晶闸管开关依次放电，使得相应电爆炸筒金属丝依次爆炸产生冲击波，使得相邻破碎模块产生冲击波干涉作用，提高冲击波强度与岩石破碎效果。在破碎后所述表面与自由表面之间的岩石剥离，所述表面形成新的自由表面，完成一个阶段破碎，下阶段破碎单元放置继续按所述方式放置，通过多阶段破碎方式使得大体积岩石完全地破碎。
[0020]
优选地，所述时序触发单元包括光电转化单元、时序调节单元以及功率放大单元。所述光电转化单元用于将光纤传输的控制光信号转化为电信号，采用光纤进行控制信号传输可以有效避免脉冲放电过程中的强电磁干扰；所述功率放大单元用于将电信号放大转化为于触发信号，实现对晶闸管的触发；所述时序调节单元控制晶闸管开关的导通时间，保证所述电爆炸筒依次爆炸产生冲击波，实现冲击波干涉叠加，提高岩石破碎效果，相邻电爆炸筒的延时时间即时序调节单元控制信号延时时间应满足：
[0021][0022]
其中d为相邻电爆炸筒间距，v为岩石的声速。
[0023]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0024]
1、本发明提供的基于金属丝爆的岩石破碎系统，通过储能电容以及调波电感共同
作用调整电流波形，使得能量在冲击波反射回原点时间内实现能量的注入，提高冲击波能量转化效率，降低系统能量损耗。
[0025]
2、本发明提供的基于金属丝爆的岩石破碎系统，采用放电电极以及电爆炸筒搭配使用，实现放电电极的重复使用，降低电极损耗以及破岩成本。
[0026]
3、本发明提供的基于金属丝爆的岩石破碎系统，电爆炸筒中金属丝被聚乙烯材料包围，聚乙烯材料制成的冲击波传播筒体外径与钻孔内径相同，等离子体通道膨胀产生冲击波通过高声刚度的聚乙烯材料传播至岩石，降低冲击波在空气中传播的衰减，提高冲击波对岩石的破碎效果。
[0027]
4、本发明提供的基于金属丝爆的岩石破碎系统，通过时序触发系统控制晶闸管开关的依次触发，实现冲击波的干涉叠加，提高岩石破碎效果。
[0028]
5、本发明提供的基于金属丝爆的岩石破碎系统，通过分阶段破碎方式，在上一阶段岩石破碎完成后，破碎单元所在平面成为下阶段岩石破碎的自由表面，如此往复，实现大体积岩石的破碎。
附图说明
[0029]
图1为本发明实施例提供的一种高压脉冲放电破岩装置的结构示意图；
[0030]
图2为本发明实施例提供的充电单元的结构示意图；
[0031]
图3为本发明实施例提供的储能与脉冲电流形成模块结构示意图；
[0032]
图4为本发明实施例提供的破碎模块结构示意图；
[0033]
图5为本发明实施例提供的时序触发单元结构示意图。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
[0035]
本发明公开了一种高压脉冲放电破岩装置及现场应用方法，如图1所示，包括依次连接的充电单元101、储能与脉冲电流形成单元102、脉冲电流传输单元103、破碎单元104以及时序触发单元105，通过分阶段破碎以及时序放电控制使破碎单元冲击波叠加，实现大体积岩石破碎。
[0036]
所述高压变换单元用于将低压工频交流电转化为高压直流电，提供系统所需电能。
[0037]
具体地，如图2所示，高压变换单元采用单相全桥lc串联谐振变换器，采用高压恒流充电装置，包括工频低压整流电路、逆变器、高频高压整流电路、谐振电路与脉冲变压器，通过先整流再逆变，谐振升压后再整流的方式进行恒流充电，减小设备体积以及充电时间，并通过反馈控制实现精准的充电。优选地，低频低压整流电路选用耐压1kv的高压硅堆，lc滤波回路滤波后直流母线电压稳定在513v；逆变器采用定脉宽变频控制实现软开关，经过串联谐振后通过1:200的脉冲变压器实现电压变换，高频高压整流电路由于电压等级高，脉冲频率高，选择150kv耐压的高频高压硅堆实现整流。由于装置电压等级高，选择电阻时需
要考虑电阻的耐压，此外电阻需要足够长，否则易发生沿面放电。
[0038]
所述储能与脉冲电流形成单元存储充电单元提供电能，并通过时序触发单元控制电能的释放，形成脉冲电流。
[0039]
具体地，所述储能以及脉冲电流形成单元包括多个储能与脉冲电流形成模块，所述储能与脉冲电流形成模块包括储能电容301、续流硅堆302、调波电感303以及晶闸管开关304。其中储能电容用以存储充电单元传输的电流，并通过晶闸管开关控制形成脉冲电流，脉冲电流波形通过储能电容以及调波电感共同调整。续流硅堆反并联与储能电容两端，避免储能电容两端形成反压导致储能电容的损坏。其中为提高冲击波利用效率以及岩石破碎效果，系统能量应在冲击波产生至自由表面反射回原点之前注入。故调波电感以及储能电容应满足以下关系：
[0040][0041]
其中，l为调波电感感值，c为储能电容容值，l为破碎电极至自由表面距离，v为岩石的声速。
[0042]
优选地，储能电容选用额定电压20kv、容量20μf的脉冲电容器，采用20个电容器并联的方式组成400μf的电容，充电电压15kv时并联电容器储能45kj，调波电感由150mm宽、0.6mm厚的铜带绕制而成，在5khz时测得的电感值约为2μh。晶闸管开关与续流硅堆的额定电压均为20kv，额定电流为150ka。
[0043]
所述脉冲电流传输单元采用同轴电缆结构，为降低系统的杂散电感与杂散电阻，同轴电缆采用多芯线结构。具体地，选择同轴电缆为长12米的rc-50-17-17型四芯同轴电缆。
[0044]
所述破碎单元包括多个破碎模块，所述破碎模块如图4所示包括连接单元401、放电电极402、电爆破筒403以及钻孔404。所述钻孔通过机械钻孔方式产生，所述放电电极以及所述电爆破筒放置在所述钻孔内，其中钻孔直径30mm，深度90cm。所述连接单元实现破碎模块与脉冲电流传输模块的连接。所述放电电极将脉冲电流传输至所述电爆破筒，放电电极采用同轴结构并可重复使用，高压电极与接地电极之间填充聚碳酸酯实现绝缘，为减少电极烧蚀，所述高压电极采用钨铜合金，所述接地电极采用黄铜制成的管体，避免强冲击波损坏电极。具体地，放电电极长60cm，其中高压电极直径5mm，接地电极外径15mm，内径10mm，中间填充聚碳酸酯作为绝缘。电爆炸筒的冲击波传播筒体外径与钻孔内径一致为30mm，其内径与接地电极外径一致为15mm，其长度为20cm，采用直径1.6mm，长度3cm的铜丝作为金属丝。
[0045]
所述破碎模块等距离放置于距离岩石边缘50cm的平面上，其中破碎模块间距为40cm，如图1所示。冲击波在岩石中按声速传播，对于混凝土，其声速为2300m/s，冲击波传播到自由平面反射至原点的时间经过计算约为t1＝2l/v＝434.8μs，电流振荡周期经过计算为满足能量在冲击波反射回原点前注入的原则。该平面破碎完成后，改平面成为新的岩石边缘，将破碎单元放置入距离该平面50cm的下一平面，分阶段进行大体积岩石的破碎。
[0046]
所述时序触发单元用于控制储能与脉冲形成单元能量释放时序，使得电爆炸筒依次发生金属丝爆产生冲击波，实现相邻电爆炸筒产生的冲击波发生干涉叠加，提高岩石破
碎效果。
[0047]
具体地，如图5所示时序触发单元包括光电转化单元、时序调节单元以及功率放大单元。所述光电转化单元用于将光纤传输的控制光信号转化为电信号，采用光纤进行控制信号传输可以有效避免脉冲放电过程中的强电磁干扰；所述功率放大单元采用功率放大器用于将时序调节单元延时后的电信号放大转化为触发信号，实现对晶闸管的触发，对于触发单元1至n，由上至下对应触发图1所示晶闸管开关；所述时序调节单元控制晶闸管开关的导通时间，具体地采用fpga通过时序运算产生准确的延时触发信号。令功率放大单元1产生的触发信号时间为0，其相邻晶闸管触发时间应为t＝d/v＝173.9μs，其中第n个晶闸管触发开关的触发时间为(n-1)t，通过延时触发实现相邻电爆炸筒产生冲击波的干涉叠加，提高岩石破碎效率。
[0048]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。