JP6918112B2

JP6918112B2 - 高電圧パルスシステムを動作させる方法

Info

Publication number: JP6918112B2
Application number: JP2019531497A
Authority: JP
Inventors: カルケユルゲン; ミュラー−ズィーベアトラインハート
Original assignee: Selfrag AG
Current assignee: Selfrag AG
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: EP3481556A1; ZA201901503B; CN109661275A; TW201813226A; RU2710432C1; AU2016422180B2; AU2016422180A1; CA3034620A1; US20210291195A1; WO2018039807A1; KR102531485B1; TWI723202B; CN109661275B; EP3481556B1; KR20190046812A; US11351556B2; JP2019527028A

Description

本発明は、独立請求項の上位概念による、高電圧パルスシステムを動作させる方法、特に、高電圧放電を用いた材料の破砕および／または脆弱化のために、高電圧パルスシステムを動作させる方法、当該方法を実施するシステム、ならびに、当該システムの使用方法に関する。

背景技術
高電圧パルスシステム、例えば、高電圧放電を用いた材料の電気力学的破砕のために使用されるような高電圧パルスシステムでは、動作中に高電圧の流れる部品の近傍に人が近づく可能性がある場合、安全上の理由から、エネルギー蓄積器、大抵の場合コンデンサが放電され、短絡または接地される必要がある。このことは、特に、そのようなシステムにおける、例えば、電気力学的破砕システムの作用電極の定期的な交換などの定期的な保守作業にも当てはまる。

エネルギー蓄積器の短絡または接地は、典型的には、エネルギー蓄積器も同時に放電する短絡または接地スイッチを介して行われる。スイッチが短期間の極めて大きな電流による損傷を受けないようにするために、スイッチに直列に接続された抵抗によって電流が制限される。

２つのスイッチ接点が近接した場合、必然的にアークが発生する。アークの強さと持続時間とは、エネルギー蓄積器内の電圧に依存する。絶縁の理由から、エネルギー蓄積器は、オイルに浸されている。短絡または接地スイッチも同様にオイル内に配置されていると、アーク放電は、オイル内で発生する。これらは、オイルを燃焼させる。燃焼生成物は、時間と共にオイルの絶縁特性を劣化させ、このことは最終的には電気的絶縁性の不良につながりかねない。

このことを回避するために、短絡または接地スイッチの接点は、通常はガス容積内に存在し、このガス容積もオイル内に配置されている。しかしながら、この構想は、約５０ｋＶの電圧レベルまでにしか使用することができない。なぜなら、この電圧を超えると、スイッチの構造サイズも直列に接続された抵抗の構造サイズも過度に増大するからである。このことは、高いコストと非常に大量の絶縁油の必要性につながるだけでなく、特定の当該電圧範囲に好ましいシステム幾何形状も事実上不可能にさせる。

発明の提示
それゆえ、ここでの課題は、前述した従来技術の欠点を持たないかあるいはこの欠点を少なくとも部分的に回避する支援となる技術的解決手段を提供することにある。

この課題は、独立請求項による方法およびシステムによって解決される。

これにより本発明の第１の態様は、
高電圧パルス用のエネルギーを供給する１つ以上のエネルギー蓄積器と、当該１つ以上のエネルギー蓄積器を充電する１つ以上の充電器とを備えた高電圧パルスシステムを、好ましくは、高電圧放電を用いた材料の破砕および／または脆弱化のために、動作させる方法に関する。

意図された高電圧パルス動作中に、システムにより、高電圧パルスのシーケンスが生成される。ここで１つ以上のエネルギー蓄積器は、各高電圧パルスのもとで実質的に完全に放電され、充電休止期間の経過後に初めて、次の高電圧パルスのための１つ以上の充電器による充電エネルギーの供給によって再充電される。

本発明に係る動作方法によれば、それぞれ順次連続する２つの高電圧パルスの間で、１つ以上のエネルギー蓄積器が事実上完全に空となり、充電電圧が印加されない時間窓が達成される。

これにより、本願方法の好ましい実施形態によって想定されているように、システムを、意図された高電圧パルス動作から、高電圧パルスシステムの１つ以上のエネルギー蓄積器が放電され、短絡または接地により、意図しない充電から保護される非動作状態に移行させるために、そのような無電圧時間窓（充電休止期間）中に、１つ以上のエネルギー蓄積器を、その際に短絡または接地電流を流すことなく短絡または接地させることが可能になる。

このようにして、１つ以上のエネルギー蓄積器の短絡または接地の際のアークの形成を完全に防止することができ、このことは、これに関して事実上摩耗のないシステムの構造を可能にする。それに応じて、本願方法の好ましい実施形態によって想定されているように、１つ以上のエネルギー蓄積器の短絡または接地の際の短絡または接地抵抗の使用も省くことができる。

さらに、本発明に係る動作方法によって、５０ｋＶを大幅に超える電圧範囲においても、実証済みのコンパクトなシステム構想を用いることが可能になる。

有利には、１つ以上のエネルギー蓄積器の短絡または接地の後で、１つ以上の充電器による充電エネルギーは、１つ以上の短絡および／または接地されたエネルギー蓄積器にもはや供給されることはない。これにより、１つ以上の充電器の相応の負担と、それに結び付くエネルギー損失とを伴った１つ以上の充電器の短絡または接地には至らないという利点が生じる。

好ましくは、１つ以上のエネルギー蓄積器の短絡または接地は、短絡または接地スイッチを用いて行われる。これにより、この短絡または接地を簡単な方法で自動化できるという利点が生じる。この場合、安全上の理由から、さらに好ましくは、この短絡または接地は、エネルギー蓄積器毎に少なくとも２つの短絡または接地スイッチを用いて行われる。

好ましくは、１つ以上の短絡または接地スイッチの接点は、オイル内に配置され、有利には、オイルで満たされた共通の容器内に１つ以上のエネルギー蓄積器と共に配置されている。それにより、特にコンパクトなシステムが可能になる。

さらに、好ましくは、各短絡または接地スイッチの切り替え状態は、センサおよび／または光学的切り替え状態表示器を用いて監視される。これにより安全性をさらに向上させることができる。

また、有利には、各短絡または接地スイッチは、閉成状態において、すなわち、当該スイッチが、１つ以上のエネルギー蓄積器を短絡または接地している場合に、機械的にロックおよび／または固定される。これにより、短絡や接地の意図しない解除を確実に防止することができる。

有利には、本発明に係る方法では、意図された高電圧パルス動作において、５０ｋＶを超える、好ましくは１００ｋＶを超える電圧を有する高電圧パルスが、特に好ましくは１Ｈｚを超える、さらに好ましくは５Ｈｚを超えるシーケンス周波数で生成される。

そのような電圧およびシーケンス周波数において、本発明の利点は、特に明白である。

本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による方法を実施する高電圧パルスシステムに関する。

このシステムは、高電圧パルス用のエネルギーを供給する１つ以上のエネルギー蓄積器と、１つ以上のエネルギー蓄積器を充電する１つ以上の充電器とを備える。

さらに、このシステムは、短絡または接地により、意図しない充電から１つ以上のエネルギー蓄積器を保護する１つ以上の短絡または接地スイッチを備える。

また、このシステムは、システムを制御する装置も備え、当該システムを制御する装置を用いて、このシステムは、次のように制御可能である。すなわち、当該システムにより、意図された高電圧パルス動作中に、高電圧パルスのシーケンスが生成され、その際に１つ以上のエネルギー蓄積器は、各高電圧パルスのもとで実質的に完全に放電され、充電休止期間の経過後に初めて、次の高電圧パルスのための１つ以上の充電器による充電エネルギーの供給によって再充電されるように制御可能である。

本発明に係るシステムは、それぞれ順次連続する２つの高電圧パルスの間に、１つ以上のエネルギー蓄積器が事実上完全に空になり、充電電圧がそこに印加されない時間窓が存在する、意図された高電圧パルス動作を可能にする。

これにより、１つ以上のエネルギー蓄積器を、そのような無電圧時間窓（充電休止期間）中に短絡または接地させ、その際に短絡または接地電流を流すことなくシステムを、意図された高電圧パルス動作から、高電圧パルスシステムの１つ以上のエネルギー蓄積器が放電され、短絡または接地により、意図しない充電から保護される非動作状態に移行させることが可能になる。

この目的のために、システムの好ましい実施形態では、システムを制御する装置は、次のように構成されている。すなわち、停止命令に対して、当該システムが、１つ以上の短絡または接地スイッチの閉成により、停止命令に続く充電休止期間中に、高電圧パルスシステムの１つ以上のエネルギー蓄積器が放電および短絡または接地され、それによって意図しない充電から保護される非動作状態に移行可能であるように構成されている。

それに応じて、本発明の第１の態様のもとで既に述べた利点を伴って、１つ以上のエネルギー蓄積器の短絡または接地の際のアークの形成が完全に防止され得る。

有利には、システムを制御する装置は、ここでは、１つ以上のエネルギー蓄積器の短絡または接地の後で、１つ以上の充電器による充電エネルギーが、短絡または接地された１つ以上のエネルギー蓄積器にもはや供給されないように構成されている。これにより、１つ以上の充電器の相応の負担と、それに結び付くエネルギー損失とを伴った１つ以上の充電器の短絡または接地には至らないという利点が生じる。

安全上の理由から、さらに好ましくは、システムは、１つ以上のエネルギー蓄積器の短絡または接地のために、エネルギー蓄積器毎に少なくとも２つの短絡または接地スイッチを有する。

また好ましくは、１つ以上の短絡または接地スイッチの接点は、オイル内に、好ましくは、オイルで満たされた共通の容器内に１つ以上のエネルギー蓄積器と共に配置されている。このようにして、特にコンパクトなシステムが可能になる。

さらに、好ましくは、システムを制御する装置は、短絡または接地スイッチの切り替え状態を監視するセンサを有し、および／または、短絡または接地スイッチの切り替え状態を視覚的に監視する光学的切り替え状態表示器が存在している。これにより、システムの安全性をさらに向上させることができる。

さらに、有利には、システムは、各短絡または接地スイッチを、閉成状態において、すなわち、当該スイッチが、１つ以上のエネルギー蓄積器を短絡または接地している場合に、機械的にロックおよび／または固定することができる装置を有する。これにより、短絡や接地の意図しない解除を確実に防止することができる。

同様に好ましくは、システムの１つ以上の短絡または接地スイッチは、非操作状態または操作エネルギーなしの状態において閉成されている。これにより、システムの安全性をさらに向上させることができる。なぜなら、システムの１つ以上のエネルギー蓄積器は、短絡または接地スイッチ用の操作エネルギー（例えば電流または圧縮空気）にエラーが生じた場合に、自動的に短絡または接地されるからである。

有利には、本発明に係る高電圧パルスシステムは、自身により、意図された高電圧パルス動作において、５０ｋＶを超える、好ましくは１００ｋＶを超える電圧を有する高電圧パルスが、特に好ましくは１Ｈｚを超える、さらに好ましくは５Ｈｚを超えるシーケンス周波数で生成され得るように構成されている。

そのようなシステムにおいて、本発明の利点は特に明白である。

本発明のさらなる実施形態、利点および用途は、従属請求項および図面に基づく以下の説明から明らかになるであろう。

高電圧パルスを用いて材料を破砕する本発明に係る第１の高電圧パルスシステムの回路図。意図された高電圧パルス動作における図１からのシステムのエネルギー蓄積器の電圧経過を示した図。高電圧パルスを用いて材料を破砕する本発明に係る第２の高電圧パルスシステムの回路図。

発明の実施形態
図１は、高電圧放電を用いた岩石材料２の電気力学的破砕のための本発明に係る高電圧パルスシステム１のシステム回路図を示す。

システム１は、高電圧パルス用のエネルギーを供給するコンデンサ３の形態のエネルギー蓄積器と、コンデンサ３を充電する充電器４と、スパークギャップ８の形態の出力スイッチと、処理液（水）で満たされた処理容器内で、処理容器底部によって形成され接地された対向電極１０に距離をおいて対向している高電圧電極９とを備える。高電圧電極９と対向電極１０との間には、処理液中に浸漬された破砕すべき材料２が次のように配置されている。すなわち、システムの意図された高電圧パルス動作において、２つの電極９，１０の間に生成された高電圧放電（要求されているような高電圧パルス）が、可変負荷抵抗として示されている材料２を貫通するように配置されている。

さらに、システム１は、電圧測定装置７を有するシステムコントローラ６と、コンデンサ３用の接地スイッチ５とを備える。

意図された破砕動作（要求された高電圧パルス動作）において、システム１は、電極９，１０間で材料２を貫通する高電圧放電のシーケンスを生成する。その際に、コンデンサ３は、各高電圧放電のもとで完全に放電される。

意図された破砕動作における時間ｔにわたるコンデンサ３の電圧Ｕの経過は、図２において、特に、２つの充電サイクルにわたって示されている。この場合、放電開始時点の電圧Ｕは、ほぼ１００ｋＶであり、各充電サイクルは、対応する充電休止期間ＬＰを含めてほぼ３００ｍｓ持続する。

システムコントローラ６は、その電圧測定装置７を用いて、各高電圧放電の際のコンデンサ３の電圧Ｕの降下を検出し、各放電に続いて、充電器４が充電エネルギーを供給しない充電休止期間（ＬＰ）が追従するように充電器４を制御する。充電休止期間ＬＰの終了後に初めて、コンデンサ３は、充電器４を介して再充電され、それによって、コンデンサ３は、次の高電圧放電用のエネルギーを供給することができる。

システム１が、意図された破砕動作から、コンデンサ３が放電され、短絡または接地により、意図しない充電から保護される非動作状態へ移行すべき場合には、システムコントローラ６は、停止命令に対して、当該停止命令に続く充電休止期間ＬＰ中に接地スイッチ５を閉成し、エネルギー蓄積器３の接地後にエネルギー蓄積器３用の充電エネルギーをもはや供給しないように、充電器４を制御する。

図３は、高電圧パルスを用いて材料を破砕する本発明に係る第２の高電圧パルスシステムの回路図を示す。この第２の高電圧パルスシステムは、図１に示されているシステムと次の点のみが異なっている。すなわち、このシステムが、コンデンサ３用の２つの接地スイッチ５を有し、各接地スイッチ５の切り替え状態が、センサ１１を用いてシステムコントローラ６によって監視される点である。

本願には、本発明の好ましい実施形態が記載されているが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、以下に続く特許請求の範囲内の他の手法でも実施され得ることを明確に指摘しておく。

Claims

高電圧パルス用のエネルギーを供給するエネルギー蓄積器（３）と、前記エネルギー蓄積器（３）を充電する充電器（４）とを備えた高電圧パルスシステム（１）を、特に、高電圧放電を用いた材料（２）の破砕および／または脆弱化のために、動作させる方法であって、
前記システム（１）により、意図された高電圧パルス動作中に、高電圧パルスのシーケンスが生成され、前記エネルギー蓄積器（３）は、各高電圧パルスのもとで完全に放電され、充電休止期間（ＬＰ）の経過後に初めて、次の高電圧パルスのための前記充電器（４）による充電エネルギーの供給によって再充電され、
前記エネルギー蓄積器（３）は、前記システム（１）を、意図された高電圧パルス動作から、前記高電圧パルスシステム（１）の前記エネルギー蓄積器（３）が放電され、意図しない充電から保護される非動作状態に移行させる際に、充電休止期間（ＬＰ）において、短絡および／または接地され、
前記エネルギー蓄積器（３）の短絡および／または接地は、短絡または接地スイッチ（５）を用いて、特に少なくとも２つの短絡または接地スイッチ（５）を用いて行われ、
１つ以上の前記短絡または接地スイッチ（５）の接点は、オイル内に、特に、オイルで満たされた共通の容器内に前記エネルギー蓄積器（３）と共に配置されている、
方法。
前記エネルギー蓄積器（３）の短絡および／または接地の後で、前記充電器（４）による充電エネルギーは、短絡および／または接地された前記エネルギー蓄積器（３）にもはや供給されない、請求項１記載の方法。
１つ以上の前記短絡または接地スイッチ（５）の切り替え状態は、１つ以上のセンサ（１１）を用いて監視される、請求項１または２記載の方法。
１つ以上の前記短絡または接地スイッチ（５）の切り替え状態は、光学的切り替え状態表示器を用いて監視される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
１つ以上の前記短絡または接地スイッチ（５）は、閉成状態において、機械的にロックおよび／または固定される、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
意図された高電圧パルス動作において、５０ｋＶを超える、特に１００ｋＶを超える電圧を有する高電圧パルスが生成される、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
意図された高電圧パルス動作において、１Ｈｚを超える、特に５Ｈｚを超えるシーケンス周波数で高電圧パルスが生成される、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
前記エネルギー蓄積器（３）の短絡および／または接地は、短絡または接地抵抗の使用なしで行われる、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
請求項１から８までのいずれか１項記載の方法を実施する高電圧パルスシステム（１）であって、
ａ）高電圧パルス用のエネルギーを供給するエネルギー蓄積器（３）と、
ｂ）前記エネルギー蓄積器（３）を充電する充電器（４）と、
ｃ）短絡および／または接地により、意図しない充電から前記エネルギー蓄積器（３）を保護する１つ以上の短絡または接地スイッチ（５）と、
ｄ）前記システム（１）を制御する装置（６，７）と、を備え、
前記システム（１）は、当該システム（１）を制御する前記装置（６，７）を用いて、
前記システム（１）により、意図された高電圧パルス動作中に、高電圧パルスのシーケンスが生成され、その際に前記エネルギー蓄積器（３）は、各高電圧パルスのもとで完全に放電され、充電休止期間（ＬＰ）の経過後に初めて、次の高電圧パルスのための前記充電器（４）による充電エネルギーの供給によって再充電されるように制御可能であり、
１つ以上の前記短絡または接地スイッチ（５）の接点は、オイル内に、特に、オイルで満たされた共通の容器内に前記エネルギー蓄積器（３）と共に配置されている、
高電圧パルスシステム（１）。
前記システム（１）を制御する前記装置（６，７）は、停止命令に対して、当該システム（１）が、１つ以上の前記短絡または接地スイッチ（５）の閉成により、前記停止命令に続く充電休止期間（ＬＰ）中に、当該高電圧パルスシステム（１）の前記エネルギー蓄積器（３）が放電され、短絡または接地により、意図しない充電から保護される非動作状態に移行可能であるように構成されている、請求項９記載のシステム（１）。
前記システム（１）を制御する前記装置（６，７）は、前記エネルギー蓄積器（３）の短絡および／または接地の後で、前記充電器（４）による充電エネルギーが、短絡および／または接地された前記エネルギー蓄積器（３）にもはや供給されないように構成されている、請求項１０記載のシステム（１）。
前記システム（１）は、少なくとも２つの短絡または接地スイッチを有している、請求項９から１１までのいずれか１項記載のシステム（１）。
前記システム（１）は、１つ以上の前記短絡または接地スイッチ（５）の切り替え状態を監視する１つ以上のセンサ（１１）を有している、請求項９から１２までのいずれか１項記載のシステム（１）。
前記システム（１）は、１つ以上の前記短絡または接地スイッチ（５）の切り替え状態を視覚的に監視する光学的切り替え状態表示器を有している、請求項９から１３までのいずれか１項記載のシステム（１）。
前記システム（１）は、１つ以上の前記短絡または接地スイッチ（５）を、閉成状態において、機械的にロックおよび／または固定する装置を有している、請求項９から１４までのいずれか１項記載のシステム（１）。
１つ以上の前記短絡または接地スイッチ（５）は、非操作状態または操作エネルギーなしの状態において閉成されている、請求項９から１５までのいずれか１項記載のシステム（１）。
前記システム（１）は、自身により、意図された高電圧パルス動作において、５０ｋＶを超える、特に１００ｋＶを超える電圧を有する高電圧パルスが生成され得るように構成されている、請求項９から１６までのいずれか１項記載のシステム（１）。
前記システム（１）は、自身により、意図された高電圧パルス動作において、１Ｈｚを超える、特に５Ｈｚを超えるシーケンス周波数で高電圧パルスが生成され得るように構成されている、請求項９から１７までのいずれか１項記載のシステム（１）。
システム（１）によって生成された高電圧パルスを用いて、特に、導電性の低い材料（２）または複合材料、特に、コンクリート、岩石、鉱石またはスラグを破砕する、請求項９から１８までのいずれか１項記載の高電圧パルスシステム（１）の使用方法。