CN114744738A - 一种高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统 - Google Patents

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CN114744738A CN202210207814.7A CN202210207814A CN114744738A CN 114744738 A CN114744738 A CN 114744738A CN 202210207814 A CN202210207814 A CN 202210207814A CN 114744738 A CN114744738 A CN 114744738A
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赵勇
徐尤来
李化
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Abstract

本发明公开了一种高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统，通过充电模块中的谐振升压模块能够提高回路谐振频率并通过变压器升压，每个开关周期内产生的充电脉冲传递很小一部分能量给负载，从而能够提高充电精度和充电效率，通过调整开关周期和谐振频率能够控制充电快慢，并有效控制充电启停；通过充电模块中的高压整流双极性输出单元，将高频高压整流为正负极性的两路直流输出，实现对储能模块的正负双极性充电，能够使储能模块的隔离开关数量减少一半，并能实现储能模块电容放电后残余电压的自动隔离，避免储能模块残压对充电模块造成损坏，相对于现有的在储能模块前级设置续流回路的方式，能够减小系统的体积并节约成本。

Description

一种高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统
技术领域
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驱动源拓扑系统。
背景技术
高压脉冲放电是一种新型的岩石破碎技术，将放电电极置于待破碎岩石表面，并浸没于液体介质(多为水或变压器油)中，当施加的脉冲高压上升沿时间足够小时，岩石的击穿场强低于液体介质，岩石首先发生击穿，放电通道直接在岩石介质内部形成，利用电弧通道的膨胀产生强大的机械应力破碎岩石。高压脉冲放电破岩系统对脉冲高压、驱动源系统具有很高的要求，驱动电源决定了系统的充电效率、精度和重频能力，储能单元的结构决定了系统的体积、能量转换效率和适用性。高效、高可靠性的高压脉冲破岩驱动源拓扑及系统在提高破岩效率、保障施工安全性和提高经济效益等方面具有重要意义。
传统的储能模块充电方式主要有带限流电阻的高压直流电源充电及工频谐振充电，第一种充电技术可靠性高，成本低，但最大充电效率只能达到50％，且重频较低；工频谐振充电技术易于控制，充电电压高，但电路工作模式单一，且充电精度不高。此外，高压脉冲放电破岩系统的储能模块通常采用单极性电压充电，导致隔离开关数量增加，电路体积增大，控制成本提高，可靠性降低；由于储能模块放电后通常有残余反压，容易对前级充电模块形成电流倒灌造成损坏，通常还需要在储能模块前级设置续流回路，进一步增大了成本和体积；由于岩石破碎要求极短的脉冲高压上升沿时间，传统的驱动源难以满足要求，导致破碎效率下降。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统，由此解决现有驱动源充电效率和精度低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统，包括：充电模块、储能模块、放电电极及测量控制模块；
所述充电模块、储能模块、放电电极依次连接；所述充电模块用于向储能模块进行双极性充电；
所述测量控制模块分别与所述充电模块、储能模块、放电电极连接，用于检测充电过程中的电压和电流并进行反馈控制，并在检测到所述储能模块充电至设定电压时，控制所述储能模块将储存的能量瞬间施加至所述放电电极以对岩石进行破碎。
优选地，所述充电模块包括依次连接的输入整流逆变单元、谐振升压模块及高压整流双极性输出单元；
所述输入整流逆变单元包括整流硅堆和高频开关器件，交流输入经所述整流硅堆整流后，通过高频开关器件逆变为高频电压；
所述谐振升压模块包括谐振模块及变压器，用于提高回路谐振频率并进行升压；
所述高压整流双极性输出单元包括n个串联的整流硅堆及n-2个高压瓷介电容，任意相邻的两个整流硅堆均与一个高压瓷介电容并联，用于将变压器输出的高频高压整流为正负双极性输出，向储能模块充电。
优选地，所述储能模块包括多个储能电容、隔离开关、充电隔离电感及陡化装置；
充电时，各储能电容由充电模块输出的双极性高压，经过充电隔离电感并联充电，气体开关用于隔离各级储能电容的作用；放电时，气体开关被击穿，各储能电容串联；
所述陡化装置包括电容和开关，设置于储能电容的输出端。
优选地，所述储能模块还包括绝缘杆，所述充电隔离电感绕设于绝缘杆上。
优选地，所述隔离开关采用气体开关、真空开关或固体开关中的任一种。
优选地，所述测量控制模块包括：充电控制单元、开关触发单元及放电测量模块；
所述充电控制单元用于检测储能电容充电过程中的电压电流，控制充电启停，并对充电进行反馈控制；
所述开关触发单元用于在各级储能电容充电至设定电压后触发第一级开关；
所述放电测量模块用于测量放电电压及电流波形，判断放电通道形成于岩石内部还是水中。
优选地，所述放电电极为单电极或多电极。
优选地，所述充电模块、储能模块、放电电极及测量控制模块采用同轴结构布置。
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：
1、本发明提供的高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统，通过充电模块中的谐振升压模块能够提高回路谐振频率并通过变压器升压，每个开关周期内产生的充电脉冲传递很小一部分能量给负载，从而能够提高充电精度和充电效率，通过调整开关周期和谐振频率能够控制充电快慢，并有效控制充电启停；通过充电模块中的高压整流双极性输出单元，将高频高压整流为正负极性的两路直流输出，实现对储能模块的正负双极性充电，能够使储能模块的隔离开关数量减少一半，并能实现储能模块电容放电后残余电压的自动隔离，避免储能模块残压对充电模块造成损坏，相对于现有的在储能模块前级设置续流回路的方式，能够减小系统的体积并节约成本。
2、本发明提供的高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统，在储能模块的电容输出端设置陡化装置，缩短输出脉冲的波前时间，减小脉冲高压上升沿时间，输出上升沿时间极短的脉冲高压，从而提高岩石破碎效率。
3、本发明提供的高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统，通过测量控制模块检测储能电容充电过程中的电压电流，控制充电启停，并对充电进行反馈控制，能够提高充电精度和效率。
4、本发明提供的高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统，将系统集成为同轴结构，减小了系统体积，便于装配和运输。
附图说明
图1为本发明实例提供的高压脉冲破岩驱动源系统的结构示意图；
图2为本发明实例提供的高压脉冲破岩驱动源系统中充电模块的拓扑示意图；
图3为本发明实例提供的高压脉冲破岩驱动源系统中储能模块的结构示意图；
图4为本发明实例提供的高压脉冲破岩驱动源系统中储能模块的拓扑示意图之一；
图5为本发明实例提供的高压脉冲破岩驱动源系统中储能模块的拓扑示意图之二；
图6为本发明实例提供的高压脉冲破岩驱动源系统中测量控制模块的功能示意图；
图7为本发明实例提供的高压脉冲破岩驱动源系统中放电电极测量的岩石中放电与水中放电的典型电压、电流波形示意图；
图8为本发明实例提供的高压脉冲破岩驱动源系统的岩石破碎效果图。
具体实施方式
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。
高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。高压脉冲放电破岩系统的驱动源和整体结构对整个系统的充电精度、重频性、可靠性及破碎效率有直接影响。高压脉冲放电破碎岩石机理为：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，当电极两端施加的脉冲高压上升沿时间足够小(几百纳秒以下)，岩石的击穿场强将低于液体介质的击穿场强，电极击穿后放电电弧通道将直接在固体介质中形成。电弧通道将作为电容器储存能量的释放载体，也是破碎岩石的“工具”，随着大量电能的注入，电弧通道受焦耳加热而急剧膨胀，通道内部温度、压强迅速上升，对周围岩石做功使其破碎。由于电弧通道直接形成于岩石内部，在破碎过程中拉伸应力和剪切应力起了主要作用，由于岩石的抗拉强度和抗剪强度远小于抗压强度，因此，高压脉冲放电破岩具有很高的破碎效率，每次放电均可对岩石造成一定程度的破碎。
本发明实施例提供一种高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统，如图1所示，包括：
充电模块101、储能模块102、放电电极103及测量控制模块104；
所述充电模块、储能模块、放电电极依次连接；所述充电模块用于向储能模块进行双极性充电；
所述测量控制模块分别与所述充电模块、储能模块、放电电极连接，用于检测充电过程中的电压和电流并进行反馈控制，并在检测到所述储能模块充电至设定电压时，控制所述储能模块将储存的能量瞬间施加至所述放电电极，实现对岩石的破碎。
具体地，所述驱动源包括充电模块、储能模块及测量控制模块。
通过交流输入给充电模块提供电能，充电模块将交流输入经过电力电子变换后与储能模块电连接，用于为储能模块提供电能。
进一步地，通过电缆为充电模块101提供低压交流输入，可采用220V/50Hz、380V/50Hz或其它交流电源；充电模块将低压交流整流、滤波、逆变、升压、整流为两路极性相反的高压输出，对储能模块102进行恒流双极性充电，测量控制模块104检测充电过程中的电压、电流并进行反馈控制，确保充电模块101工作于恒流输出模式，提高充电的精度和效率；当检测到储能模块充电至设定电压，测量控制模块104发出一个电脉冲信号使储能模块放电，脉冲高压迅速施加至放电电极103两侧，将储存能量瞬间施加至放电电极，放电电极迅速击穿，实现对岩石的破碎，测量控制模块测量放电电极击穿电压和通道电流波形，判断放电形式。
放电电极103的间隙距离及高度可调，与待破碎岩石表面良好接触，击穿实现固体破碎
进一步地，所述充电模块101包括依次连接的输入整流逆变单元201、谐振升压模块202及高压整流双极性输出单元203。
其中，输入整流逆变单元用于将交流输入整流，再通过高频开关器件逆变为高频电压。
谐振升压单元确定回路的电流谐振频率，与开关频率配合使充电回路工作于合适的状态，谐振升压单元采用升压变压器将回路电压升高。
高压整流双极性输出单元将高频高压整流为正负极性的两路直流输出，对储能模块进行正负双极性充电。
也即，试电经动力母线给充电模块提供交流输入，充电模块将交流电整流、滤波后，经过高频开关器件和变压器谐振升压，变压器副边输出经整流后输出两路极性相反的高压，对储能模块进行充电。
所述输入整流逆变单元包括整流硅堆和高频开关器件，交流输入经所述整流硅堆整流后，通过高频开关器件逆变为高频电压。
具体地，如图2所示，充电模块包括输入整流逆变单元201、谐振升压模块202、高压整流双极性输出单元203。
输入整流逆变单元201包括整流硅堆(即整流桥模块)及高频开关器件，交流输入后经输入整流桥模块整流为直流高压，后通过高频开关器件逆变为高频电压。
高频开关器件可采用IGBT、MOSFET或其他高频全控开关，并配套有对应的驱动装置。
所述谐振升压模块包括谐振模块及变压器，用于提高回路谐振频率并进行升压。
具体地，谐振升压模块202使回路电流工作于谐振状态，可采用串联谐振、并联谐振或串并联谐振模式。
本发明实施例采用串联谐振模式，电路的谐振频率由公式
Figure BDA0003531774480000071
确定，回路工作于断续电流模式，开断频率fs＜0.5fr，使开关器件零电流、零电压开通或关断，本发明实施例中fr＝31kHz，fs＝15kHz。采用高频高压变压器进行升压，原副边匝数比根据充电需求确定。
所述高压整流双极性输出单元203包括n个串联的整流硅堆及n-2个高压瓷介电容，任意相邻的两个整流硅堆均与一个高压瓷介电容并联，用于将变压器输出的高频高压整流为正负双极性输出，向储能模块102充电。
需要说明的是，在实际运用中，如图2所示的高压整流双极性输出单元203中的任一高压瓷介电容和整流硅堆可以由多个电容串并联组成，以满足不同工况。
具体地，高压整流双极性输出单元采用硅堆和均压电容(即高压瓷介电容)组成，将变压器输出的高频高压整流为两路极性相反的直流高压输出。
所述高压整流双极性输出单元实现反压自动隔离，避免储能模块残压对充电模块造成损坏。
本发明实施例中，充电模块101输出直流高压30kV，对储能模块102进行正负双极性充电。
进一步地，如图3所示，所述储能模块包括储能电容301、隔离开关302、充电隔离电感303及陡化装置305；
具体地，如图4所示，所述陡化装置包括电容Cd和开关gd，所述电容的一端接地，另一端分别与开关的一端、充电隔离电感L15及储能电容C10连接，所述开关的另一端与放电电极连接；
充电时，如图4所示，储能电容C1-C10由充电模块输出的双极性高压，经过充电隔离电感L1-L14并联充电，气体开关g1-g5断开，起到隔离各级储能电容的作用；放电时，如图5所示，气体开关g1-g5被击穿导通，各储能电容串联。也即，在充电过程中和气体开关击穿前，气体开关起到了将电容隔离的作用。
各级储能电容采用正负双极性恒流充电，储能电容采用并联充电，串联放电的形式，将储存能量释放给放电电极，实现岩石破碎；其中，储能电容采用寿命高的脉冲电容器。
隔离开关在充电时隔离各级电容，当电容充电至设定电压，触发第一级隔离开关击穿导通，后级开关自击穿导通，各级电容串联放电，放电电压等于各级电容电压乘级数。
充电隔离电感限制各级电容充电电感，并实现各级电容隔离，电感隔离减小了回路电阻，缩短脉冲高压上升沿时间。
具体地，如图3-5所示，储能模块包括储能电容301、隔离开关302、充电隔离电感303、绝缘杆304及陡化装置305。
各储能电容分别由充电模块正负双极性充电，存储充电模块输出的能量；优选地，储能电容301为金属化膜电容器，电容量为300nF，额定电压50kV，寿命大于10000次，级数为10级，电容充电过程中由开关隔离。
隔离开关用于对各级储能电容隔离，实现电容并联充电，再控制开关顺序击穿，实现储能电容串联放电；优选地，隔离开关302采用触发真空开关，额定电压30kV，最大峰值电流45kA，电荷转移量大于100kC。
充电隔离电感限制电容充电电流大小，并隔离每组电容器；优选地，充电隔离电感采用线圈绕制电感。
绝缘支撑杆304采用环氧树脂或其他绝缘性能优良的材料，直径不小于5cm。
陡化装置305包含电容和开关，电容为无感电容，用于吸收前级电容放电能量并滤去波前的杂散振荡波；开关为压缩气体开关或动作时间短、分散性小的开关。
优选地，电容采用200pF的无感电容，开关为压缩气体开关。
陡化装置用于缩短输出脉冲的波前时间，即减小脉冲高压上升沿时间。
进一步地，所述储能模块还包括绝缘杆304，所述充电隔离电感303绕设于绝缘杆上。
具体地，绝缘杆起支撑作用，方便储能模块同轴结构设计，使系统同轴结构布置，充电隔离电感可直接绕于绝缘杆上，减小储能模块体积。
进一步地，所述隔离开关302采用气体开关、真空开关或固体开关中的任一种。
具体地，所述隔离开关采用气体开关、真空开关或固体开关，触发模式包含自触发和外触发。
如图4所示，充电模块101输出的高压分成两路经限流电感对各级电容充电，由于采用正负输入，隔离开关的数量减少一半。十极电容采用并联充电，当充电至设定电压，触发第一级开关g1击穿，后级开关自击穿，十极电容串联放电，输出高压幅值为各级电容电压乘以级数。陡化装置为并接电容Cd和开关gd，前级电容输出向Cd脉冲充电，然后gd放电，出现在负载上电压的波前抖度只取决于Cd-gd-负载所组成的回路。
储能模块的各级储能电容并联充电，由于采用正负双极性充电，隔离开关数量减少一半，当电容充电至设定电压，触发第一级隔离开关导通，后级开关依次击穿导通，各级电容串联放电，放电电压等于各级电容电压乘级数；在电容输出端设置陡化装置，包含电容和开关，陡化电容吸收前级电容能量，缩短输出高压波前时间，提高岩石破碎效率。
进一步地，所述测量控制模块104包括：依次连接的充电控制单元401、开关触发单元402及放电测量模块403；
所述充电控制单元用于检测储能电容充电过程中的电压电流，控制充电启停，并对充电进行反馈控制，提高充电精度和效率；
所述开关触发单元用于在各级储能电容充电至设定电压后触发第一级开关，此后各级开关依次自触发，储能模块存储高压施加至放电电极，间隙击穿形成电弧通道，实现对岩石的破碎。
所述放电测量模块用于测量放电电压及电流波形，判断放电通道形成于岩石内部还是水中。
具体地，如图6所示，充电控制单元401控制充电模块对储能模块的充电过程，通过分压器、电流霍尔或互感器等测量元件测量充电电压、电流，当采样到储能电容电压升高至设定电压即停止充电。
本发明实施例中采用恒流充电模式，电流设定为2A，通过PWM变频控制实现恒流。
开关触发单元402发出高压脉冲电信号触发第一级隔离开关导通，测量控制模块输出的开关触发脉冲信号幅值为15kV，上升沿小于0.5μs。
放电测量单元403采用高性能分压器、电流互感器测量放电间隙的电压、电流，判断放电电弧通道是否形成于岩石内部。
测量控制模块测量电容充电过程中的电压、电流并对开关器件进行反馈控制，使系统工作于恒流充电状态，当储能电容充电至设定电压，给出触发信号使第一级开关击穿，使后级开关依次导通，试验各级电容并联放电，放电电极击穿实现对岩石的破碎；测量模块测量放电间隙的电压、电流，判断电弧通道是否走岩石内部。
本发明实施例提供的高压脉冲破岩驱动源拓扑及系统的具体工作过程为：
为充电模块101提供交流输入，测量控制模块104控制充电模块101对储能模块102充电，并监测充电过程中的电压、电流，实时反馈，确保充电模块101工作于恒流模式；
当监测到储能模块各级电容充电至额定电压，立即停止充电过程，利用测量控制模块104触发第一级隔离开关击穿，后级开关自击穿，使储能模块102各级电容串联放电，脉冲高压经陡化后迅速施加至放电电极，放电电极击穿实现岩石破碎；
测量控制模块104测量放电间隙的电压、电流，判断放电形式，当放电结束后，可根据设定的重频次数开始另一轮高压脉冲放电岩石破碎。
进一步地，所述放电电极103为单电极或多电极。
具体地，所述放电电极与储能电容输出端连接，高压、低压电极可为单电极或多电极形式。
进一步地，所述充电模块101、储能模块102、放电电极103及测量控制模块104采用同轴结构布置。
具体地，本发明实施例提供的高压脉冲放电破岩驱动源系统采用同轴结构设计，适用于地下环境作业，充电模块位于顶部，如图1所示。
本发明提供的高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统，充电电源模块对储能电容进行双极性充电；储能模块采用电容并联充电，各级电容采用开关隔离，串联放电；放电电极与被破碎岩石良好接触，对岩石进行电脉冲破碎；测量控制模块获取放电的电压、电流波形，并对充电电源模块进行反馈控制。本发明对当前高压电脉冲破岩驱动源的电路结构进行了优化改进，对储能电容采用恒流双极性充电，并对电容放电的残余反压自动隔离，双极性电压充电减少了开关数量，方便于圆柱性整体结构设计，在储能电容输出端设置了陡化装置，缩短高压脉冲的波前时间，测量控制模块对驱动源进行反馈控制，提高了充电精度和效率。较传统的驱动源而言，改进了充电精度和充电效率、提升了系统的重频特性，同时具有便于安装、操作简便、安全节能、可重复作业、可控性高、破碎效率高、结构简单、能耗低等优点。
图7为本发明实施例提供的高压脉冲破岩驱动源系统中放电电极测量的岩石中放电与水中放电的典型电压、电流波形，如图7所示，在充电模块101输出直流高压为30kV，即各级电容充电电压为30kV，并联放电电压为300kV，放电电极距离为30mm条件下，测量到岩石中及水中的放电电压、电流波形如图，当发生岩石击穿时，电压峰值约为247.46kV，10％-90％上升时间约为286ns，第1个电流峰值为11.12kA，无明显的预击穿时间。水中击穿存在明显的预击穿过程，约为254ns，电压峰值约为250.49kV。水中击穿的电流波形滞后于岩石中击穿电流，第1个峰值约为10.53kA。
图8是本发明实例提供的高压脉冲破岩驱动源系统的岩石破碎实际效果图，其中，n为放电次数。如图8所示，经过多次放电，在坚硬的花岗岩表面形成破碎坑。
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。

Claims (8)

1.一种高压脉冲放电破岩驱动源拓扑系统，其特征在于，包括：充电模块(101)、储能模块(102)、放电电极(103)及测量控制模块(104)；
所述充电模块(101)、储能模块(102)、放电电极(103)依次连接；所述充电模块用于向储能模块(102)进行双极性充电；
所述测量控制模块(104)分别与所述充电模块(101)、储能模块(102)、放电电极(103)连接，用于检测充电过程中的电压和电流并进行反馈控制，并在检测到所述储能模块(102)充电至设定电压时，控制所述储能模块(102)将储存的能量瞬间施加至所述放电电极(103)以对岩石进行破碎。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电模块(101)包括依次连接的输入整流逆变单元(201)、谐振升压模块(202)及高压整流双极性输出单元(203)；
所述输入整流逆变单元(201)包括整流硅堆和高频开关器件，交流输入经所述整流硅堆整流后，通过高频开关器件逆变为高频电压；
所述谐振升压模块(202)包括谐振模块及变压器，用于提高回路谐振频率并进行升压；
所述高压整流双极性输出单元(203)包括n个串联的整流硅堆及n-2个高压瓷介电容，任意相邻的两个整流硅堆均与一个高压瓷介电容并联，用于将变压器输出的高频高压整流为正负双极性输出，向储能模块(102)充电。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述储能模块包括多个储能电容(301)、隔离开关(302)、充电隔离电感(303)及陡化装置(305)；
充电时，各储能电容由充电模块输出的双极性高压，经过充电隔离电感并联充电，气体开关用于隔离各级储能电容的作用；放电时，气体开关被击穿，各储能电容串联；
所述陡化装置(305)包括电容和开关，设置于储能电容的输出端。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述储能模块还包括绝缘杆(304)，所述充电隔离电感(303)绕设于绝缘杆上。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述隔离开关(302)采用气体开关、真空开关或固体开关中的任一种。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量控制模块(104)包括：充电控制单元(401)、开关触发单元(402)及放电测量模块(403)；
所述充电控制单元(401)用于检测储能电容充电过程中的电压电流，控制充电启停，并对充电进行反馈控制；
所述开关触发单元(402)用于在各级储能电容充电至设定电压后触发第一级开关；
所述放电测量模块(403)用于测量放电电压及电流波形，判断放电通道形成于岩石内部还是水中。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述放电电极(103)为单电极或多电极。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电模块(101)、储能模块(102)、放电电极(103)及测量控制模块(104)采用同轴结构布置。
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