CN114308328A - 一种环保型爆破装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环保型爆破装置，属于电力电子技术领域，特别涉及一种利用高压大电流放电的爆破装置，该装置包括高压脉冲发生器、同轴传输线和高压电极等，高压脉冲发生器用于产生万伏级电脉冲，同轴传输线用于有效传递电脉冲，高压电极是电脉冲输出部件、并与被破碎物接触。本发明利用高压电脉冲，将被破碎物内部的微小气隙迅速加热，微小气隙加热膨胀后，形成无数个局部爆炸进而发展为可传导碎裂，该装置弥补了现有破碎技术的不足，具有精确可控、绿色环保、费效比高等优点，可以广泛的应用于航空航天、勘探、采矿、定向爆破、微粒制造、环保处理等领域。

Description

一种环保型爆破装置

技术领域

本发明涉及一种环保型爆破装置，属于电力电子技术领域，特别是一种利用高压大电流放电碎石的装置。

背景技术

岩石等硬质固态物或混合物集合体的破碎是一项与人类活动密切相关的行为，是勘探、采矿、医疗、环保等领域中最基本、最常见的操作。随着社会的进步和科技的发展，人们对破碎的要求越来越高，要求更加安全、更加高效、更低消耗、更为环保。

常见的破碎方法有三种：机械法、化学法和物理法。机械法包括回转破碎、冲击破碎和振动破碎等。化学法主要利用化学药剂实现破碎。物理法则包括热力破碎、高压水射流破碎、电子束破碎和激光破碎。传统破碎方法虽然简单易行，特别是化学法是目前应用最广泛的，但缺点明显，体现在一次性消耗大、存在安全隐患。电子束破碎和激光破碎虽然技术先进，但原理上还是利用长时间的热能累积实现破碎，因此能源消耗大、设备昂贵、效率低。

随着认知水平的不断提高，发现岩石等硬质固态物或混合物集合体并非完全致密的固体，而是由大量内部存在气隙的微晶体组成。当施加高压电脉冲后，微小气隙可迅速被加热膨胀，形成无数个局部爆炸进而发展为可传导碎裂。另外，当电脉冲持续时间很短时，一次能源消耗相对较少，在同样的能源供给条件下可多次反复进行，提高生产效率，充分保证破碎效果。基于上述新发现，如何设计一种只消耗电能、即可实现高效的爆破工作的新型环保型爆破装置，成为了当前本领域的技术难点。

发明内容

面对上述技术背景，本发明提出一种新型环保型爆破装置，利用高压电脉冲，将被破碎物内部的微小气隙迅速加热，微小气隙加热膨胀后，形成无数个局部爆炸进而发展为可传导碎裂，该装置弥补了现有破碎技术的不足，具有精确可控、绿色环保、费效比高等优点，可以广泛的应用于航空航天、勘探、采矿、定向爆破、微粒制造、环保处理等领域。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案

一种环保型爆破装置，其特征在于，包括高压脉冲发生器、同轴传输线和高压电极，其中：所述高压脉冲发生器用于产生万伏级电脉冲；所述同轴传输线用于将万伏级电脉冲有效传递至高压电极；所述高压电极作为电脉冲的输出部件，密封设置在被破碎物的预埋孔中，所述预埋孔中填充有爆破介质。

优选的，所述高压脉冲发生器包括TESLA脉冲调制器、MARX发生器、LTD感应叠加器、LC谐振高压产生器中的一种或几种组合；

所述高压脉冲发生器中万伏级电脉冲的工作参数包括电压幅值、电流幅值、脉冲宽度和重复频率，其中：所述电压幅值的范围为10至50万伏特；所述电流幅值的范围为0.2-1万安培；所述脉冲宽度的范围为100至1000纳秒；所述重复频率的范围为0.1至0.5赫兹。

优选的，所述同轴传输线分为正极传输线和负极传输线，其中：

所述正极传输线的末端连接高压电极的正电极，正电极密封安装在预埋孔中；所述负极传输线的末端接地、或连接高压电极的负电极，负电极密封安装在预埋孔中。

优选的，所述同轴传输线为同轴二极管、带状线或多股高压同轴电缆。

优选的，所述高压电极为金属材料，高压电极的形状包括球体、椭球体、圆柱体、平板、锥体、楔形体中的一种或多种组合，所述高压电极为圆柱体结构时，高压电极包括柱体和设置在柱体末端的尖端，所述柱体的外侧均匀布置有多组环带。

优选的，还包括控制器，所述控制器用于控制高压脉冲发生器工作、并用于检测高压电极的工作状态。

优选的，所述爆破介质为水、变压器油、酯类中一种或几种组合。

优选的，还包括用于安装高压电极的密封件，所述密封件包括盖体、设置在盖体顶部的接线座和设置在盖体底部的电极座，其中：所述盖体的底部安装有密封圈，所述盖体通过多个固定螺丝连接被破碎物；所述接线座用于连接同轴传输线；所述电极座用于安装高压电极。

环保型爆破装置的操作方法包括整体爆破方案，具体如下：

A1）在被破碎物的中心位置开设预埋孔；

A2）将高压电极的正电极设置在预埋孔中，并在预埋孔中填充爆破介质，通过密封件将高压电极和预埋孔以及爆破介质密封；

A3）使用控制器驱动高压脉冲发生器放电，对被破碎物进行整体爆破，放电过程中电压幅值的范围为10至50万伏特，电流幅值的范围为0.2-1万安培，脉冲宽度的范围为100至1000纳秒，重复频率的范围为0.1至0.5赫兹。

环保型爆破装置的操作方法包括局部爆破方案，具体如下：

B1）在被破碎物的待爆破区域边缘开设多个预埋孔；

B2）将高压电极的正电极设置在一侧的预埋孔中，再将高压电极的负电极设置在另一侧的预埋孔中，并在预埋孔中填充爆破介质，通过密封件将高压电极和预埋孔以及爆破介质密封；

B3）使用控制器驱动高压脉冲发生器放电，对被破碎物进行局部爆破，放电过程中电压幅值的范围为10至50万伏特，电流幅值的范围为0.2-1万安培，脉冲宽度的范围为100至1000纳秒，重复频率的范围为0.1至0.5赫兹。

本发明提出的环保型爆破装置具有以下有益效果：

本发明提出一种环保碎石装置，能够显著弥补现有碎石方法的不足，该方案基于高压电脉冲技术和硬质固态物或混合物集合体内部构造的新发现，使用高压电脉冲将被破碎物内部的微小气隙迅速加热，微小气隙加热膨胀后，形成无数个局部爆炸进而发展为可传导碎裂，该装置弥补了现有破碎技术的不足，具有只消耗电能，可重复使用，费效比高；无需炸药、安全可靠；操作简单、维护要求低；破碎速度快，精确可控；环境友好，绿色环保等优点，可以广泛的应用于航空航天、勘探、采矿、定向爆破、微粒制造、环保处理等领域。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明的第一实施例示意图；

图3为本发明的第二实施例示意图；

图4为本发明的高压电极结构示意图；

图5为本发明的密封件结构示意图；

图6为本发明的固定螺丝安装示意图。

图中，1-高压脉冲发生器、2-同轴传输线、201-正极传输线、202-负极传输线、3-高压电极、301-正电极、302-负电极、303-柱体、304-尖端、305-环带、4-控制器、5-被破碎物、501-预埋孔、502-爆破介质、6-密封件、601-盖体、602-接线座、603-电极座、604-密封圈、605-固定螺丝。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

根据附图所示，对本发明进行进一步说明：

实施例一

如图1所示，该环保型爆破装置包括高压脉冲发生器1、同轴传输线2和高压电极3，其中：高压脉冲发生器1用于产生万伏级电脉冲；同轴传输线2用于将万伏级电脉冲有效传递至高压电极3；高压电极3作为电脉冲的输出部件、与被破碎物接触。

具体的，同轴传输线2可以为同轴二极管、带状线或多股高压同轴电缆。爆破介质502可以为水、变压器油、酯类中一种或几种组合。

需要说明的是，高压脉冲发生器1包括TESLA脉冲调制器、MARX发生器、LTD感应叠加器、LC谐振高压产生器中的一种或几种组合。具体的，高压脉冲发生器1可以直接采用现有TESLA脉冲调制器、MARX发生器、LTD感应叠加器、人工线或脉冲形成网络，也可以将上述装置串联使用，多级升压。

需要进一步说明的是，高电压脉冲发生器的输入可以是220V市电，亦可是直流电，形式不限。

实施例二

本实施例中，万伏级电脉冲的工作参数包括电压幅值、电流幅值、脉冲宽度和重复频率，其中：所述电压幅值的范围为10至50万伏特；所述电流幅值的范围为0.2-1万安培；所述脉冲宽度的范围为100至1000纳秒；所述重复频率的范围为0.1至0.5赫兹。

具体的，TESLA型脉冲调制器可以采用现有结构，也可以采用新型结构，该新型TESLA型脉冲调制器包括激光触发通道、主开关、开关绝缘支撑体、变压器原边、变压器副边、脉冲形成线外筒、脉冲形成线内筒、变压器供电端、内筒支撑体和封装外壳，其中：激光触发通道设置在封装外壳的一端、且用于对接精确触发单元；主开关安装在封装外壳的内部、且位于靠近激光触发通道的一侧，主开关的一端连接内置变压器，主开关的另一端连接高压大电流脉冲输出口，主开关接受精确触发单元的控制以实现变压器瞬时放电；开关绝缘支撑体用于支撑主开关、且用于隔离主开关与脉冲形成线；变压器原边为多匝卷绕金属带、且设置在封装外壳的内部中侧位置；变压器副边为密绕细金属线构成的椎型结构、且设置在变压器原边的内部；脉冲形成线外筒为金属圆筒，金属圆筒的外壁连接变压器副边，金属圆筒的一端连接主开关的电极，金属圆筒的另一端开口；脉冲形成线内筒为圆筒状或圆柱状结构，脉冲形成线内筒通过内筒支撑体同轴布置在脉冲形成线外筒的内部；变压器供电端的一端连接外部电源，变压器供电端的另一端连接变压器，变压器为内置脉冲形成线的同轴锥形TESLA变压器。

需要进一步说明的是，脉冲高压调制器也可以选择TESLA型脉冲调制器和MARX型高压发生器的组合形式时，该组合形成是传递关系，MARX发生器作为第一级进行升压操作，将升高后的电压传递给第二级的TESLA调制器进行整形。

实施例三

如图1所示，本实施例中还包括控制器4，控制器4用于控制高压脉冲发生器1工作、并用于检测高压电极3的工作状态。需要说明的是，控制器4用于完成时序触发、状态监测、能源补充、逻辑管理、应急管理、故障检测、远程控制和人机交互等功能。

具体的，高压脉冲发生器1受控制器4的实时监控，完成初始充放电、主回路导通和电脉冲产生。控制器4由集成电路组成，包括：FPGA运算、RAM存储、D/A采集，A/D采集等主要模块，完成时序触发、状态监测、能源补充、逻辑管理、应急管理、故障检测、远程控制和人机交互等功能。

实施例四

如图2所示，本实施例采用了整体爆破的技术方案，具体如下：

A1）在被破碎物5的中心位置开设预埋孔501；

A2）将高压电极3的正电极301设置在预埋孔501中，并在预埋孔501中填充爆破介质502，通过密封件6将高压电极3和预埋孔501以及爆破介质502密封；

需要说明的是，同轴传输线2分为正极传输线201和负极传输线202，其中：正极传输线201的末端连接高压电极3的正电极301，正电极301密封安装在预埋孔501中；负极传输线202的末端接地。

A3）使用控制器驱动高压脉冲发生器放电，对被破碎物5进行整体爆破，放电过程中电压幅值的范围为10至50万伏特，电流幅值的范围为0.2-1万安培，脉冲宽度的范围为100至1000纳秒，重复频率的范围为0.1至0.5赫兹。

需要说明的是，放电过程中电压幅值优选数值为20万伏特，电流幅值的优选数值为0.8万安培，脉冲宽度的优选数值为500纳秒，重复频率的优选数值为0.4赫兹。当被破碎物的属性和尺寸不同时，应进一步摸索最佳参数，进行一次或反复多次破碎操作。

需要进一步说明的是，高压电极必须和被碎物有效固定，并将高压电极和介质密封在预埋孔内，防止脱落。

实施例五

如图3所示，本实施例采用了局部爆破的技术方案，具体如下：

B1）在被破碎物5的待爆破区域边缘开设多个预埋孔501；

需要说明的是，可以是多个正极预埋孔、也可以是单个正极预埋孔。负极预埋孔的数量为多个，正极预埋和负极预埋孔设置在待爆破区域的边缘。

B2）将高压电极3的正电极301设置在一侧的预埋孔501中，再将高压电极3的负电极302设置在另一侧的预埋孔501中，并在预埋孔501中填充爆破介质502，通过密封件6将高压电极3和预埋孔501以及爆破介质502密封；

B3）使用控制器驱动高压脉冲发生器放电，对被破碎物5进行局部爆破，放电过程中电压幅值的范围为10至50万伏特，电流幅值的范围为0.2-1万安培，脉冲宽度的范围为100至1000纳秒，重复频率的范围为0.1至0.5赫兹。

需要说明的是，放电过程中电压幅值优选数值为30万伏特，电流幅值的优选数值为1万安培，脉冲宽度的优选数值为800纳秒，重复频率的优选数值为0.5赫兹，当被破碎物的属性和尺寸不同时，应进一步摸索最佳参数，进行一次或反复多次破碎操作。

需要进一步说明的是，高压电极必须和被碎物有效固定，并将高压电极和介质密封在预埋孔内，防止脱落。

实施例六

本实施例中，高压电极3为金属材料，高压电极3的形状包括球体、椭球体、圆柱体、平板、锥体、楔形体中的一种或多种组合，高压电极一般包含正极和负极，每极的数目可以是一个或多个。

如图4所示，当高压电极3为圆柱体结构时，高压电极3包括柱体303和设置在柱体303末端的尖端304，柱体303的外侧均匀布置有多组环带305，如图4所示。需要说明的是，高压电极3为圆柱状时，也可以采用多股铜线拧成。

实施例七

将高压电极插入到预埋孔中，可以通过自身形状固定或通过额外密封件6固定。密封件6的具体形式可以为吸盘结构或密封盖结构，吸盘结构可以选用橡胶吸盘或塑料吸盘，密封盖结构如图5和图6所示，具体包括盖体601、设置在盖体601顶部的接线座602和设置在盖体601底部的电极座603，其中：盖体601的底部安装有密封圈604，密封圈604可以为橡胶密封圈，盖体601通过多个固定螺丝605连接被破碎物5；接线座602用于连接同轴传输线2；电极座603用于安装高压电极3。

需要说明的是，固定螺丝605可以为普通螺丝或膨胀螺丝，也可以替换为螺钉或钢钉。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种环保型爆破装置，其特征在于，包括高压脉冲发生器（1）、同轴传输线（2）和高压电极（3），其中：

所述高压脉冲发生器（1）用于产生万伏级电脉冲；

所述同轴传输线（2）用于将万伏级电脉冲有效传递至高压电极（3）；

所述高压电极（3）作为电脉冲的输出部件，密封设置在被破碎物（5）的预埋孔（501）中，所述预埋孔（501）中填充有爆破介质（502）。

2.根据权利要求1所述的环保型爆破装置，其特征在于，

所述高压脉冲发生器（1）包括TESLA脉冲调制器、MARX发生器、LTD感应叠加器、LC谐振高压产生器中的一种或几种组合；

所述高压脉冲发生器（1）中万伏级电脉冲的工作参数包括电压幅值、电流幅值、脉冲宽度和重复频率，其中：所述电压幅值的范围为10至50万伏特；所述电流幅值的范围为0.2-1万安培；所述脉冲宽度的范围为100至1000纳秒；所述重复频率的范围为0.1至0.5赫兹。

3.根据权利要求1所述的环保型爆破装置，其特征在于，所述同轴传输线（2）分为正极传输线（201）和负极传输线（202），其中：

所述正极传输线（201）的末端连接高压电极（3）的正电极（301），正电极（301）密封安装在预埋孔（501）中；

所述负极传输线（202）的末端接地、或连接高压电极（3）的负电极（302），负电极（302）密封安装在预埋孔（501）中。

4.根据权利要求3所述的环保型爆破装置，其特征在于，所述同轴传输线（2）为同轴二极管、带状线或多股高压同轴电缆。

5.根据权利要求1所述的环保型爆破装置，其特征在于，所述高压电极（3）为金属材料，高压电极（3）的形状包括球体、椭球体、圆柱体、平板、锥体、楔形体中的一种或多种组合，所述高压电极（3）为圆柱体结构时，高压电极（3）包括柱体（303）和设置在柱体（303）末端的尖端（304），所述柱体（303）的外侧均匀布置有多组环带（305）。

6.根据权利要求1所述的环保型爆破装置，其特征在于，还包括控制器（4），所述控制器（4）用于控制高压脉冲发生器（1）工作、并用于检测高压电极（3）的工作状态。

7.根据权利要求1所述的环保型爆破装置，其特征在于，所述爆破介质（502）为水、变压器油、酯类中一种或几种组合。

8.根据权利要求1所述的环保型爆破装置，其特征在于，还包括用于安装高压电极（3）的密封件（6），所述密封件（6）包括盖体（601）、设置在盖体（601）顶部的接线座（602）和设置在盖体（601）底部的电极座（603），其中：

所述盖体（601）的底部安装有密封圈（604），所述盖体（601）通过多个固定螺丝（605）连接被破碎物（5）；

所述接线座（602）用于连接同轴传输线（2）；

所述电极座（603）用于安装高压电极（3）。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的环保型爆破装置，其特征在于，操作方法包括：

A1）在被破碎物（5）的中心位置开设预埋孔（501）；

A2）将高压电极（3）的正电极（301）设置在预埋孔（501）中，并在预埋孔（501）中填充爆破介质（502），通过密封件（6）将高压电极（3）和预埋孔（501）以及爆破介质（502）密封；

A3）使用控制器驱动高压脉冲发生器放电，对被破碎物（5）进行整体爆破，放电过程中电压幅值的范围为10至50万伏特，电流幅值的范围为0.2-1万安培，脉冲宽度的范围为100至1000纳秒，重复频率的范围为0.1至0.5赫兹。

10.根据权利要求1至8任意一项所述的环保型爆破装置，其特征在于，操作方法包括：

B1）在被破碎物（5）的待爆破区域边缘开设多个预埋孔（501）；

B2）将高压电极（3）的正电极（301）设置在一侧的预埋孔（501）中，再将高压电极（3）的负电极（302）设置在另一侧的预埋孔（501）中，并在预埋孔（501）中填充爆破介质（502），通过密封件（6）将高压电极（3）和预埋孔（501）以及爆破介质（502）密封；

B3）使用控制器驱动高压脉冲发生器放电，对被破碎物（5）进行局部爆破，放电过程中电压幅值的范围为10至50万伏特，电流幅值的范围为0.2-1万安培，脉冲宽度的范围为100至1000纳秒，重复频率的范围为0.1至0.5赫兹。

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