一种高压脉冲放电破岩装置及其控制方法

1.本发明属于高压电技术领域，更具体地，涉及一种高压脉冲放电破岩装置及其控制方法。


背景技术：

2.在油气开采、地热资源开发和基建中的桩基建设等领域需要对硬岩进行破碎，传统的机械旋转钻进破岩设备遇到硬岩存在损耗大、钻进慢等缺点，亟需研究高效破岩钻进技术。目前比较新颖的破岩技术包括射流破岩、激光破岩和微波钻孔等，但是这些技术存在一定缺陷，破岩效率较低，射流破岩主要用于切割岩石，激光破岩和微波钻孔对驱动源的功率提出了较大要求。
3.高电压脉冲放电破岩是一种新型破岩技术，根据破岩形式的不同，可以分为液电破岩和电脉冲破岩。液电破岩利用液中放电形成的冲击波和空腔膨胀对岩石进行破碎，而电脉冲破岩通过创造条件使电弧通道直接形成于岩石内部，利用电弧通道的急剧膨胀和高温高压环境使岩石破碎。液电破岩主要对岩石造成压缩破坏，而电脉冲破岩主要对岩石形成张拉破坏，具有更高的破碎效率。电脉冲破岩具有破碎效率高、能耗低、操作简单、安全环保等优势，具有极大的破岩潜力。
4.在现有的一些电脉冲破岩装置中，通常采用一对电极或同轴电极进行破岩，由于电弧通道的随机性，放电间隙距离受放电电压限制，且电弧通道直径较小，岩石表面各位置破碎的并不充分。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种高压脉冲放电破岩装置及其控制方法，用以解决现有技术的电脉冲破岩装置破岩不充分的技术问题。
6.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种高压脉冲放电破岩装置，包括：
7.低压蓄能模块，包括m个并联的第一电容器，用于实现低压蓄能；
8.脉冲变压器，其一次侧绕组连接有m个并联的晶闸管；m个晶闸管与m个第一电容器一一对应相连；脉冲变压器用于在晶闸管的控制下将对应的第一电容器输出的低压转换为高压；
9.连接在脉冲变压器二次侧绕组上的第二电容器，用于存储脉冲变压器二次侧输出的高压，并输出高压脉冲；
10.与第二电容器输出端相连的多电极放电模块，包括n个并联的放电支路；2≤n≤m；放电支路包括串联的陡化开关和放电电极；陡化开关用于控制高压脉冲的输入，并对高压脉冲进行陡化；各放电电极分布在岩石的表面，并和岩石一同浸没在液体介质中；
11.控制模块，用于通过对晶闸管和陡化开关的开闭进行控制，使得n个放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下依次被击穿，以实现充分破岩。
12.进一步优选地，上述控制模块用于执行破岩操作：将n个已实现低压蓄能的第一电
容器作为一组放电电容器；通过对晶闸管和陡化开关的开闭进行控制，重复执行单次破岩操作，直至n个放电电容器均放电完毕，此时，n个放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下依次被击穿；
13.其中，单次破岩操作包括：针对某一还未进行放电的放电电容器，触发其对应的晶闸管，使其经脉冲变压器向第二电容器进行放电；完成放电后，进一步触发某一未经触发的陡化开关，以对第二电容器输出的高压脉冲进行陡化，并输入至对应的放电电极中，从而使得该放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下被击穿，以使岩石表面破碎。
14.进一步优选地，上述高压脉冲放电破岩装置，还包括：
15.放电模块，其输出端与低压蓄能模块通过m个并联的第一二极管相连，用于对低压蓄能模块进行充电；
16.其中，各第一二极管与各第一电容器一一对应相连；第一二极管用于限制充电电流的方向，防止电流向放电模块倒流造成损坏。
17.进一步优选地，上述控制模块还用于在在执行完破岩操作后，判断岩石是否达到预期破碎效果，若未达到，则控制放电模块重新对低压蓄能模块进行充电，直至将至少n个第一电容充电至预设电压后，停止充电，并再次执行破岩操作；重复上述过程，直至岩石达到预期破碎效果。
18.进一步优选地，高压脉冲放电破岩装置还包括：位于低压蓄能模块与放电模块的输出端之间、且与各第一二极管一一对应相连的m个充电开关；
19.控制模块还用于控制各充电开关的开闭，从而选择对相应的第一电容器进行充电。
20.进一步优选地，上述充电开关为充电继电器；上述第一二极管为充电硅堆。
21.进一步优选地，放电模块，包括依次连接的输入整流逆变单元、谐振升压整流单元及t型回路；
22.输入整流逆变单元包括：整流硅堆和高频开关器件；交流输入经整流硅堆整流后，通过高频开关器件逆变为高频电压；
23.谐振升压整流单元包括谐振回路及变压器，用于提高谐振回路中的谐振频率，并通过变压器进行升压；
24.t型回路包括：电阻和整流硅堆，用于防止第一电容放电后残余负压对放电模块造成损坏。
25.进一步优选地，高压脉冲放电破岩装置还包括：与第一电容器和晶闸管所构成的低压电容支路并联的续流回路；
26.续流回路包含串联的第二二极管和续流电阻；第二二极管用于限制续流回路的电流方向；续流电阻用于吸收晶闸管触发后脉冲变压器一次侧的脉冲电流。
27.进一步优选地，上述陡化开关包括：气体触发开关、真空触发开关或固体开关。
28.第二方面，本发明提供了一种上述高压脉冲放电破岩装置的控制方法，包括以下步骤：
29.s1、将n个已实现低压蓄能的第一电容器作为一组放电电容器；
30.s2、针对某一还未进行放电的放电电容器，触发其对应的晶闸管，使其经脉冲变压器向第二电容器进行放电；完成放电后，进一步触发某一未经触发的陡化开关，以对第二电
容器输出的高压脉冲进行陡化，并输入至对应的放电电极中，从而使得该放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下被击穿，以使岩石表面破碎；
31.s3、重复步骤s2，直至n个放电电容器均放电完毕，此时，n个放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下依次被击穿。
32.进一步优选地，上述高压脉冲放电破岩装置的控制方法，还包括在步骤s3之后执行的以下步骤；
33.s4：判断岩石是否达到预期破碎效果，若未达到，则重新对低压蓄能模块进行充电，直至将至少n个第一电容充电至预设电压后，停止充电，转至步骤s1；
34.s5、重复步骤s4，直至岩石达到预期破碎效果。
35.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
36.1、本发明提供了一种高压脉冲放电破岩装置，其中，脉冲变压器的一次侧绕组分别连接有与m个第一电容器一一对应相连的m个晶闸管，二次侧绕组上连接有第二电容器；通过控制晶闸管的开闭可以将对应第一电容器中的能量经脉冲变压器传递给第二电容器，与此同时，与第二电容相连的多电极放电模块中的各放电电极均设置有对应的陡化开关，通过控制陡化开关的开闭可对第二电容器输出的高压脉冲进行陡化，并输入至对应的放电电极中，从而控制各放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下依次被击穿，实现多电极破岩；本发明结构简单、可控性强，可驱动多电极依次放电，提升破岩效果，使岩石破碎地更加充分。
37.2、本发明所提供的高压脉冲放电破岩装置，经过一次充电即可多次放电，多次放电结束后再进行下次放电，且有多对电极，对岩石的破碎更加均匀和充分，不需要像单电极那样可能还需要移动电极位置，操作更加简单。
38.3、本发明所提供的高压脉冲放电破岩装置，通过触发晶闸管，将对应第一电容器中的能量经脉冲变压器传递给第二电容器，晶闸管同时起到隔离的作用，防止各第一电容器互相放电。
39.4、本发明所提供的高压脉冲放电破岩装置，放电电极的类型及其位置分布可根据待破碎岩体决定，适用于各种岩石破碎环境，实用价值高。
40.5、本发明所提供的高压脉冲放电破岩装置，属于纯物理方法，对环境友好，相较于炸药破岩不会造成环境污染，相对于传统的机械破岩可以避免钻头磨损和钻进困难。
附图说明
41.图1为本发明第一方面提供的高压脉冲放电破岩装置的结构示意图；
42.图2为本发明实施例所提供的高压脉冲放电破岩装置的结构示意图；
43.图3为本发明实施例所提供的放电模块的拓扑示意图；
44.图4为本发明实施例所提供的多路输出模块的拓扑示意图；
45.图5为本发明实施例所提供的能量转换模块的拓扑示意图；
46.图6为本发明实施例所提供的续流回路的拓扑示意图；
47.图7为本发明实施例所提供的多电极输出单元的拓扑示意图；
48.图8为本发明实施例所提供的某次放电测量的电极两端的电压和流经电极间隙的电流波形图；
49.图9为本发明一可选实施方式所提供的多电极结合的高电压脉冲放电破岩方法流程图。
具体实施方式
50.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未构成冲突就可以相互组合。
51.第一方面，本发明提供了一种高压脉冲放电破岩装置，如图1所示，包括：
52.低压蓄能模块，包括m个并联的第一电容器，用于实现低压蓄能；
53.脉冲变压器，其一次侧绕组连接有m个并联的晶闸管；m个晶闸管与m个第一电容器一一对应相连；脉冲变压器用于在晶闸管的控制下将对应的第一电容器输出的低压转换为高压；
54.连接在脉冲变压器二次侧绕组上的第二电容器，用于存储脉冲变压器二次侧输出的高压，并输出高压脉冲；
55.与第二电容器输出端相连的多电极放电模块，包括n个并联的放电支路；2≤n≤m；放电支路包括串联的陡化开关和放电电极；陡化开关用于控制高压脉冲的输入，并对高压脉冲进行陡化；各放电电极分布在岩石的表面，并和岩石一同浸没在液体介质中；其中，放电电极的分布方式可以按需进行选择，如均匀分布在岩石表面；
56.控制模块，用于通过对晶闸管和陡化开关的开闭进行控制，使得n个放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下依次被击穿，以实现充分破岩。
57.在一种可选实施方式下，上述控制模块用于执行破岩操作：将n个已实现低压蓄能的第一电容器作为一组放电电容器；通过对晶闸管和陡化开关的开闭进行控制，重复执行单次破岩操作，直至n个放电电容器均放电完毕，此时，n个放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下依次被击穿；
58.其中，单次破岩操作包括：针对某一还未进行放电的放电电容器，触发其对应的晶闸管，使其经脉冲变压器向第二电容器进行放电；完成放电后，进一步触发某一未经触发的陡化开关，以对第二电容器输出的高压脉冲进行陡化，并输入至对应的放电电极中，从而使得该放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下被击穿，以使岩石表面破碎。
59.在一种可选实施方式下，上述高压脉冲放电破岩装置，还包括：
60.放电模块，其输出端与低压蓄能模块通过m个并联的第一二极管相连，用于对低压蓄能模块进行充电；
61.其中，各第一二极管与各第一电容器一一对应相连；第一二极管用于限制充电电流的方向，防止电流向放电模块倒流造成损坏。优选地，上述第一二极管为充电硅堆。
62.对应地，上述控制模块还用于在在执行完破岩操作后，判断岩石是否达到预期破碎效果，若未达到，则控制放电模块重新对低压蓄能模块进行充电，直至将至少n个第一电容充电至预设电压后，停止充电，并再次执行破岩操作；重复上述过程，直至岩石达到预期破碎效果。
63.需要说明的是，放电模块可以为任意放电模块，在一种可选实施方式下，放电模块
包括依次连接的输入整流逆变单元、谐振升压整流单元及t型回路；
64.输入整流逆变单元包括：整流硅堆和高频开关器件；交流输入经整流硅堆整流后，通过高频开关器件逆变为高频电压；
65.谐振升压整流单元包括谐振回路及变压器，用于提高谐振回路中的谐振频率，并通过变压器进行升压；
66.t型回路包括：电阻和整流硅堆，用于防止第一电容放电后残余负压对放电模块造成损坏。
67.在一种可选实施方式下，上述高压脉冲放电破岩装置还包括：位于低压蓄能模块与放电模块的输出端之间、且与各第一二极管一一对应相连的m个充电开关；
68.控制模块还用于控制各充电开关的开闭，从而选择对相应的第一电容器进行充电。优选地，上述充电开关为充电继电器。
69.在一种可选实施方式下，高压脉冲放电破岩装置还包括：与第一电容器和晶闸管所构成的低压电容支路并联的续流回路；
70.续流回路包含串联的第二二极管和续流电阻；第二二极管用于限制续流回路的电流方向；续流电阻用于吸收晶闸管触发后脉冲变压器一次侧的脉冲电流。
71.需要说明的是，高电压脉冲放电破岩技术是将近代高新技术理论-脉冲功率技术应用于岩土力学领域的拓展技术。高电压脉冲放电破岩可分为液电破岩和电脉冲破岩，液电破岩利用液中放电形成的冲击波破碎岩石，属于间接破碎；电脉冲破岩将待破碎岩石、放电电极完全浸没于液体介质(如水、变压器油)中，当在电极两端施上升沿时间足够小(500ns以下)的脉冲高压时，电极击穿形成的电弧通道将形成于岩石内部，利用电弧通道急剧膨胀产生的冲击波和应力波使岩石介质破碎，属于直接破碎。电脉冲破岩主要对岩石介质形成张拉破坏，具有更高的效率。本发明采用多电极结合的高电压脉冲放电破岩可以根据岩石尺寸、表面粗糙程度和破岩需求等布置多对电极，可选用适合的电极形式，能够实现岩石更为均匀的破碎，优化破岩效果；也能结合机械钻头，首先对岩石进行预破碎，降低其整体强度后采用机械破岩，减小机械钻头损耗并提升效率，具有无污染、破岩效率高、安全可靠，操作简便，设备价格整体适中等优点。
72.为了进一步说明本发明所提供的高压脉冲放电破岩装置，下面结合一具体实施例进行详述：
73.具体地，如图2所示，为本实施例所提供的高压脉冲放电破岩装置，包括，依次连接的放电模块101、多路输出模块102、能量转换模块103及多电极放电模块104；
74.放电模块101经过多路输出模块102输出多路电压，用于向能量转换模块103充电；能量转换模块103将放电模块101提供的低压转换为高压并储存能量，输出高压脉冲给多电极放电模块104，多电极放电模块104中电极被控制依次击穿，使岩石破碎。
75.具体地，如图3所示为放电模块101的拓扑示意图，包括依次连接的输入整流逆变单元301、谐振升压整流单元302及t型回路303；
76.输入整流逆变单元的输入为220v/50hz、380v/50hz或其它交流电源，通过整流桥将输入交流转换为直流电压；本实施例中，输入整流逆变单元的输入为三相220v/50hz，经过三相桥式不控整流电路输出的直流电压为515v。直流电压经过高频开关器件组成的高频逆变回路将直流电压逆变为高频交流电压，回路的开关频率为fs。本实施例中，fs＝10khz。
77.谐振升压整流单元包括谐振回路、高频高压变压器和整流单元；其中，谐振回路可采用串联谐振(lc谐振)、串并联谐振(lcc谐振)或其它谐振方式；本实施例采用串联谐振控制谐振频率，电路的充电谐振频率为lr和cr分别为谐振电感和谐振电容。谐振回路工作于断续电流模式，fs＜0.5fr使高频开关器件零电流、零电压开通或关断，以减小高频开关器件的损耗；本实施例中，fr＝21khz，fs＝10khz。高频高压变压器用于进行升压，其原副边匝数比根据对输出电压的需求确定。本实施例中，高频高压变压器的变比为1:5，因此，高频高压变压器的副边输出电压为0-2.5kv。整流单元采用整流硅堆，用于将高频高压变压器输出的高频高压整流为直流高压；
78.t型回路包含吸收电阻和硅堆，用于吸收电容放电后的残余电压，防止反压对初级充电单元造成损坏。
79.进一步地，如图4所示为多路输出模块102的拓扑示意图，包括充电继电器401和充电硅堆402，每路由充电继电器和充电硅堆串联，各路输出并联；其中，充电继电器可采用电磁继电器或其它能可靠控制回路闭合和断开的继电器，用于控制输出回路的开通和闭合；本实施例中采用电磁继电器；充电硅堆用于控制充电方向，防止第一电容器的能量向放电模块倒灌造成损坏。
80.进一步地，如图5所示为能量转换模块103的拓扑示意图，包括：上述低压蓄能模块、脉冲变压器、续流回路及第二电容器，具体包括：多路第一电容器501，多路第一电容器对应的晶闸管502、续流回路503、脉冲变压器504和第二电容505；
81.多路第一电容器501与多路输出模块直接连接，由放电模块充电至额定电压；本实施例中，初级电容的额定电容量为500μf，3kv。
82.晶闸管502控制对应第一电容器的电容能量传递给第二电容，同时防止各第一电容器之间能量倒灌。本实施例中，晶闸管的额定电压为5.2kv，额定电流为50ka，额定电流陡度为3ka/μs。
83.续流回路503与第一电容器和晶闸管所构成的低压电容支路并联，其拓扑示意图如图6所示，包含串联的第二极管601和续流电阻602；第二极管601用于限制续流回路电流方向；续流电阻602用于吸收脉冲电流的能量。本实施例中，二极管的额定电压为5.2kv，额定电流为50ka，额定电流陡度为3ka/μs；续流电阻可采用陶瓷电阻或其它高功率电阻，本实施例中采用陶瓷电阻。
84.脉冲变压器504用于将低压电容的能量传递给第二电容器505，使第二电容器达到设定高压。
85.第二电容器505用于储存第一电容器释放的能量，同时达到破岩所需要的高压；本实施例中，高压电容的额定容量为50nf，额定电压为330kv。
86.进一步地，如图7所示为多电极输出单元104的拓扑示意图，包括：陡化开关701和放电电极702；陡化开关和放电电极的数量和第一电容数量相同，各路输出并联连接，每路由一个陡化开关和放电电极串联连接。
87.其中，陡化开关可采用气体触发开关、真空触发开关、固体开关或其它具有高稳定性、可控、寿命长的开关，本实施例中采用气体触发开关。放电电极的形状为平板电极、针电极、球电极或其它形状且能与岩石表面良好接触的电极；放电电极形式可采用一对电极、多
对电极、同轴电极或其它适用于岩石破碎的电极。多对放电电极的位置可以均匀布置在岩石表面或者采用其它有利于岩石破碎的布置形式；本实施例中，待破碎岩石表明较为平整，放电电极采用对电极，电极为平板钨铜电极，多对均匀布置于岩石表面。
88.如图8所示为某次放电测量的电极两端的电压和流经电极间隙的电流波形图，其中，放电间隙两端的电压峰值约为253.12kv，10％-90％上升时间约为262ns；电流呈2阶电路欠阻尼衰减振荡，流过间隙的电流峰值约为11.05ka，振荡周期约为5.63μs。
89.第二方面，本发明提供了本发明第一方面所述高压脉冲放电破岩装置的控制方法，包括以下步骤：
90.s1、将n个已实现低压蓄能的第一电容器作为作为一组放电电容器；
91.s2、针对某一还未进行放电的放电电容器，触发其对应的晶闸管，使其经脉冲变压器向第二电容器进行放电；完成放电后，进一步触发某一未经触发的陡化开关，以对第二电容器输出的高压脉冲进行陡化，并输入至对应的放电电极中，从而使得该放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下被击穿，以使岩石表面破碎；
92.s3、重复步骤s2，直至n个放电电容器均放电完毕，此时，n个放电电极在陡化后的高压脉冲的作用下依次被击穿。
93.在一种可选实施方式下，上述高压脉冲放电破岩装置的控制方法，还包括以下步骤；
94.s4：判断岩石是否达到预期破碎效果，若未达到，则重新对低压蓄能模块进行充电，直至将至少n个第一电容充电至预设电压后，停止充电，转至步骤s1；在一种可选实施方式下，预设电压为150-300kv。需要说明的是，各种固体的击穿电压不同，且岩石击穿电压在固液组合介质下随着脉冲电压上升时间变短也会下降，一般的破岩装置的预设电压至少是150kv以上。
95.s5、重复步骤s4，直至岩石达到预期破碎效果。
96.该可选实施方式下，对应的多电极结合的高电压脉冲放电破岩方法流程图如图9所示。
97.相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。
98.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。