CN115014139A - 一种电磁脉冲爆破系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁脉冲爆破系统及方法，属于非化学炸药爆破技术领域，包括高压直流电源、脉冲电容器组、充电电阻、自击穿气隙开关、爆破结构。本发明利用瞬态强电磁脉冲电流使金属气化形成等离子体并瞬间释放能量产生爆轰波达到对待爆破物体的摧毁与破碎的效果；利用液体介质的易形变的特性，使用软质易形变的塑料包裹液体与爆丝，传输该爆轰能量，提高爆轰效率；通过对现场气压和温湿度参数的和数据库查询技术确定自击穿气隙开关的间距与最高充电电压，值得被推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及非化学炸药爆破技术领域，具体涉及一种电磁脉冲爆破系统及方法。
背景技术
在道路、桥梁、建筑以及采矿等工程中，使用化学炸药对障碍物或矿石进行爆破是传统的技术与作业方式，由于炸药存在可能的早爆、拒爆(哑炮)等情况，造成现场操作危险性增加，如对于拒爆，排除拒爆点炸药存在较大的风险，同时运输、保存过程中不仅需要使用专用运输工具，同时必须建立专门的使用场地，尽管如此，在运输与储存的过程中仍然会发生由于操作不当或其它不可抗拒的意外(如雷击、静电火花等)而导致的炸药伤人毁物事故，无疑大大增加了炸药的使用成本。为此，提出一种电磁脉冲爆破系统及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决以往使用化学炸药的使用、运输与储存不便和爆炸现场滞留有害气体的问题，提供了一种电磁脉冲爆破系统，本系统利用瞬态强电磁脉冲电流使金属气化形成等离子体，并瞬间释放能量产生爆轰波，从而达到对待爆破物体的摧毁与破碎的效果，具备操作简单、运输方便的特点，适用于建筑、路桥工程、矿业等各个领域的小型爆破。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括高压直流电源、脉冲电容器组、充电电阻、自击穿气隙开关、爆破结构，所述高压直流电源通过所述充电电阻与所述脉冲电容器组电性连接，所述电容器组通过所述自击穿气隙开关与所述爆破结构电性连接，所述电容器组的一端与大地电性连接，所述高压直流电源、脉冲电容器组、充电电阻形成充电回路，所述脉冲电容器组、充电电阻、自击穿气隙开关、爆破结构、大地形成放电回路。
更进一步地，所述高压直流电源包括信号处理器、状态参数检测电路、LED显示电路、高压变换电路；所述状态参数检测电路、所述LED显示电路、所述高压变换电路均与所述信号处理器电性连接，所述状态参数检测电路并与现场的气压、温度、湿度传感器电性连接。
更进一步地，所述系统还包括数据库，所述数据库与所述信号处理器通信连接。
更进一步地，脉冲电容器组包括六个电容，分为三组，三组串联后接入充电回路/放电回路，每组两个，同组中的两个电容并联。
更进一步地，所述爆破结构包括软质壳体、能量传输介质、金属爆丝，所述金属爆丝位于所述能量传输介质中，所述能量传输介质填充在所述软质壳体内部，所述软质壳体安装在待爆破物中，所述金属爆丝串联至放电回路中。
本发明还提供了一种电磁脉冲爆破方法，采用上述的系统进行非化学炸药式爆破工作，包括以下步骤：
S1：启动高压直流电源，开启现场参数检测，但不开启高压输出，通过气压、温度、湿度传感器测量，经状态参数检测电路处理后得到现场的气压与温湿度数据，同时通过LED显示电路显示拟调节的自击穿气隙开关的气隙间距，按显示数字调节气隙间距；
S2：在待爆破物选择指定的位置并开孔，安装爆破结构并连入放电回路；
S3：连接充电回路，开启高压输出，高压直流电源通过充电电阻给脉冲电容器组充电，当脉冲电容器组的电容上的电压值到达自击穿气隙开关的击穿电压后，自击穿气隙开关击穿，电容上的储能瞬间通过脉冲电容器到达自击穿气隙开关再到达金属爆丝以及大地构成的放电回路瞬间释放，该电流流过金属爆丝，使金属爆丝瞬间气化成等离子体同时释放能量产生爆轰波，爆轰波通过包裹在软质壳体之中的能量传输介质向待爆破物传输，待爆破物在瞬间的爆轰波的轰击之下碎裂或被摧毁。
更进一步地，在所述步骤S1中，信号处理器通过读取现场检测到的气压与温湿度的数值并与数据库比较，获得自击穿开关间隙的最佳气隙间距和控制高压直流电源输出的充电电压。
更进一步地，获得自击穿开关间隙的最佳气隙间距的步骤具体如下：
S11：在读取到气压、温湿度数据后，信号处理器查询数据库中是否存在对应的自击穿开关间隙的最佳气隙间距数据；
S12：存在则获取对应的最佳气隙间距数据，否则在数据库中添加新的气压、温度、湿度数据，并通过数据库算法计算最佳气隙间距数据，并保存新的气压、温度、湿度数据与通过数据库算法计算的最佳气隙间距数据之间的对应关系。
更进一步地，在所述S12中，数据库算法以标准参考大气条件为基准，测量工作场地的大气值，大气值包括气压与温湿度数据，求得此时的空气相对密度和湿度的偏差值，然后根据空气击穿电压校正公式确定实时工作电压，再根据均匀电场中空气间隙的击穿电压经验公式计算得到空气击穿时开关间隙距离，即最佳气隙间距。
更进一步地，控制高压直流电源输出的充电电压的过程如下：检测气压、温湿度参数并返回气隙开关间距值，手动调节开关间距；通过高压输出指令输出高压开始对脉冲电容器组充电。
本发明相比现有技术具有以下优点：该电磁脉冲爆破系统及方法，利用瞬态强电磁脉冲电流使金属气化形成等离子体并瞬间释放能量产生爆轰波达到对待爆破物体的摧毁与破碎的效果；利用液体介质的易形变的特性，使用软质易形变的塑料包裹液体与爆丝，传输该爆轰能量，提高爆轰效率；通过对现场气压和温湿度参数的和数据库查询技术确定自击穿气隙开关的间距与最高充电电压，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例中电磁脉冲爆破系统的结构框图；
图2是本发明实施例中电磁脉冲爆破系统的电路原理图；
图3是本发明实施例中爆丝的安装示意图；
图4a是本发明实施例中的通孔安装示例；
图4b是本发明实施例中的窝穴安装示例；
图5是本发明实施例中自击穿气隙开关的气隙间距调节流程示意图；
图6是本发明实施例中高压电源的结构示意图；
图7是本发明实施例中脉冲电容器组的连接结构示意图。
图3中：1、塑胶袋；2、爆丝；3、填充液；4、回路导线；5、扎带；
图4a、4b中：1、待爆破物；2、塑胶袋；3、爆丝；4、填充液；5、回路导线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种技术方案：一种电磁脉冲爆破系统，包括一台高压电源(直流)、脉冲电容器组(即充电电容器组，该电容器组的容量与耐压值与现场待爆破物的体积和性质有关)、充电电阻、自击穿气隙开关、能量传输介质和爆丝以及必要的相关的结构。
其中，高压电源包括状态参数检测电路、LED显示电路、信号处理器(如CPU、MCU等)、高压变换电路等(见如图6)；状态参数检测电路通过A/D转换，将温湿度和气压传感器采集到的信息传输给CPU，CPU将实时信息通过数据库算法计算空气击穿电压和空气间隙距离(具体数值关系见下述的数据库算法)，并将采集的温湿度气压信息和拟调节的间隙距离通过LED屏显示。
在本实施例中，自击穿气隙开关是接入放电回路的两个间距可调的金属棒或金属球。当放电电压未达到空气击穿电压，两金属棒(球)之间处于开路状态；当放电电压达到空气击穿电压，两金属棒(球)间的空气被击穿，形成导通状态。
在本实施例中，脉冲电容器组使用六个电容，采用三串两并结构，来提高脉冲电容器组的储能容量和耐压值，脉冲电容器组的连接结构示意图如图7所示。
在本实施例中，所述系统还包括数据库，所述数据库与所述信号处理器通信连接。
如图5所示，在本实施例中，通过读取现场检测到的气压与温湿度的数值并与数据库比较，可以获得自击穿开关间隙的最佳气隙间距和自动控制充电电压，保证设备安全、可靠与有效地工作；
具体地，在读取到气压、温湿度数据后，CPU查询数据库中是否存在对应的自击穿开关间隙的最佳气隙间距数据，有则获取对应的最佳气隙间距数据，否则在数据库中添加新的气压、温湿度数据，并通过数据库算法计算最佳气隙间距数据，并保存新的气压、温湿度数据与通过数据库算法计算的最佳气隙间距数据之间的对应关系，然后再由操作人员在LED显示屏上对自击穿开关间隙的气隙间距进行调节；
更具体的，在大气条件下自击穿气隙开关的空气击穿电压的影响因素是空气相对密度和湿度；数据库算法以标准参考大气条件(气压为P0＝101.3kPa,温度为t0＝20℃或T0＝293k,绝对湿度为h0＝11g/m3)为基准，测量工作场地的实时气压温度值，根据空气相对密度公式：
式中：δ为空气相对密度；P为气压，kPa；t为温度，℃。
在大气条件下，空气击穿电压随δ的增大而升高；
实验表明，空气击穿电压Ub和标准参考大气条件下的击穿电压Ubs的关系为：
Ub＝δnUbs
式中：n为与间隙长度有关的指数；湿度偏差值对空气击穿电压的校正公式为：
式中：n为与间隙长度有关的指数；H为空气湿度校正系数；综合气压、温度、湿度的影响，在实验或运行条件下的空气击穿电压Ub和标准参考大气条件下的击穿电压Ubs表示为：
此时就可以得到适应于工作场地的空气击穿电压，再根据均匀电场中空气间隙的击穿电压经验公式：
式中：d为间隙距离，cm；δ为空气相对密度；
进而计算得到空气击穿的开关间隙距离，即最佳气隙间距。
在本实施例中，启动高压电源，开启现场参数检测，但不开启高压输出(如图6高压直流电源系统框图所示)，测量现场的气压与温湿度(由气压、温湿度传感器测量，经状态参数检测电路处理后得到)，同时LED显示屏显示拟调节的自击穿气隙开关的间距，按显示数字调节好间距；然后在待爆破物选择合适的位置并开孔，安装好爆丝(如图3所示安装示例)、电极(与高压直流源极性相同)及能量传输介质等必要的附属结构(如图4a、4b安装示例)；再连接电路，开启高压输出功能(如图6高压电源系统框图所示)，高压电源通过充电电阻给脉冲电容器组充电，其充电电压由状态参数检测电路依据现场温湿度、气压确定的自击穿气隙开关的耐压与电容器组的最高耐压值确定，其中自击穿气隙开关的耐压值由现场温湿度、气压的测量结合数据库通过LED显示屏再由人工调节，高压电源输出的充电电压则由现场温湿度、气压通过上述数据库算法公式可以求解得到；电容上的电压值到达自击穿气隙开关的击穿电压后，自击穿气隙开关击穿，电容器的储能瞬间通过由电容器组——自击穿气隙开关——爆丝以及大地构成的放电回路瞬间(小于1微秒)释放，该电流流过金属爆丝，使金属爆丝瞬间气化成等离子体同时释放能量产生爆轰波，爆轰波通过包裹在软质塑性材料之中的液态物质(例如液态水)向待爆破的物体传输，待爆破物在瞬间巨大的爆轰波的轰击之下碎裂或被摧毁。
综上所述，上述实施例的电磁脉冲爆破系统，利用瞬态强电磁脉冲电流使金属气化形成等离子体并瞬间释放能量产生爆轰波达到对待爆破物体的摧毁与破碎的效果；利用液体介质的易形变的特性，使用软质易形变的塑料包裹液体与爆丝，传输该爆轰能量，提高爆轰效率；通过对现场气压和温湿度参数的和数据库查询技术确定自击穿气隙开关的间距与最高充电电压，值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种电磁脉冲爆破系统，其特征在于，包括：高压直流电源、脉冲电容器组、充电电阻、自击穿气隙开关、爆破结构，所述高压直流电源通过所述充电电阻与所述脉冲电容器组电性连接，所述电容器组通过所述自击穿气隙开关与所述爆破结构电性连接，所述电容器组的一端与大地电性连接，所述高压直流电源、脉冲电容器组、充电电阻形成充电回路，所述脉冲电容器组、充电电阻、自击穿气隙开关、爆破结构、大地形成放电回路。
2.根据权利要求1所述的一种电磁脉冲爆破系统，其特征在于：所述高压直流电源包括信号处理器、状态参数检测电路、LED显示电路、高压变换电路；所述状态参数检测电路、所述LED显示电路、所述高压变换电路均与所述信号处理器电性连接，所述状态参数检测电路并与现场的气压、温度、湿度传感器电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种电磁脉冲爆破系统，其特征在于：所述系统还包括数据库，所述数据库与所述信号处理器通信连接。
4.根据权利要求3所述的一种电磁脉冲爆破系统，其特征在于：脉冲电容器组包括六个电容，分为三组，三组串联后接入充电回路/放电回路，每组两个，同组中的两个电容并联。
5.根据权利要求4所述的一种电磁脉冲爆破系统，其特征在于：所述爆破结构包括软质壳体、能量传输介质、金属爆丝，所述金属爆丝位于所述能量传输介质中，所述能量传输介质填充在所述软质壳体内部，所述软质壳体安装在待爆破物中，所述金属爆丝串联至放电回路中。
6.一种电磁脉冲爆破方法，其特征在于，采用如权利要求5所述的系统进行非化学炸药式爆破工作，包括以下步骤：
S1：启动高压直流电源，开启现场参数检测，但不开启高压输出，通过气压、温度、湿度传感器测量，经状态参数检测电路处理后得到现场的气压与温湿度数据，同时通过LED显示电路显示拟调节的自击穿气隙开关的气隙间距，按显示数字调节气隙间距；
S2：在待爆破物选择指定的位置并开孔，安装爆破结构并连入放电回路；
S3：连接充电回路，开启高压输出，高压直流电源通过充电电阻给脉冲电容器组充电，当脉冲电容器组的电容上的电压值到达自击穿气隙开关的击穿电压后，自击穿气隙开关击穿，电容上的储能瞬间通过脉冲电容器到达自击穿气隙开关再到达金属爆丝以及大地构成的放电回路瞬间释放，该电流流过金属爆丝，使金属爆丝瞬间气化成等离子体同时释放能量产生爆轰波，爆轰波通过包裹在软质壳体之中的能量传输介质向待爆破物传输，待爆破物在瞬间的爆轰波的轰击之下碎裂或被摧毁。
7.根据权利要求6所述的一种电磁脉冲爆破方法，其特征在于：在所述步骤S1中，信号处理器通过读取现场检测到的气压与温湿度的数值并与数据库比较，获得自击穿开关间隙的最佳气隙间距和控制高压直流电源输出的充电电压。
8.根据权利要求7所述的一种电磁脉冲爆破方法，其特征在于：获得自击穿开关间隙的最佳气隙间距的步骤具体如下：
S11：在读取到气压、温湿度数据后，信号处理器查询数据库中是否存在对应的自击穿开关间隙的最佳气隙间距数据；
S12：存在则获取对应的最佳气隙间距数据，否则在数据库中添加新的气压、温度、湿度数据，并通过数据库算法计算最佳气隙间距数据，并保存新的气压、温度、湿度数据与通过数据库算法计算的最佳气隙间距数据之间的对应关系。
9.根据权利要求8所述的一种电磁脉冲爆破方法，其特征在于：在所述S12中，数据库算法以标准参考大气条件为基准，测量工作场地的大气值，大气值包括气压与温湿度数据，求得此时的空气相对密度和湿度的偏差值，然后根据空气击穿电压校正公式确定实时工作电压，再根据均匀电场中空气间隙的击穿电压经验公式计算得到空气击穿时开关间隙距离，即最佳气隙间距。
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