TWI723202B - 高電壓脈衝系統、用於操作高電壓脈衝系統之方法及該高電壓脈衝系統之使用 - Google Patents

高電壓脈衝系統、用於操作高電壓脈衝系統之方法及該高電壓脈衝系統之使用 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種用於操作一高電壓脈衝系統(1)，較佳係用於藉由高電壓放電而分割及/或弱化材料(2)之一系統(1)之方法，該系統(1)具有用於為該等高電壓脈衝提供能量之一能量儲存裝置(3)及用於為該能量儲存裝置(3)充電之一充電裝置(4)。根據該方法，在預期高電壓脈衝操作中，利用該系統(1)產生高電壓脈衝之一序列且藉此該能量儲存裝置(3)在各高電壓脈衝處完全經放電且僅在一充電暫停(LP)結束之後藉由利用該充電裝置(4)供應充電能量而再次針對下一高電壓脈衝重新充電。
藉由操作根據本發明之方法，在兩個連續高電壓脈衝之間產生一時間窗，在該時間窗中(若干)能量儲存裝置實質上完全經放電且不施加充電電壓。藉此，有可能分別使得能量儲存裝置(3)短路或接地而不致發生一短路或接地電流流經該處。

Description

高電壓脈衝系統、用於操作高電壓脈衝系統之方法及該高電壓脈衝系統之使用
本發明係關於一種用於操作一高電壓脈衝系統，特定而言係用於藉由高電壓放電而分割及/或弱化材料之一高電壓脈衝系統之方法，一種用於實施該方法之系統以及根據獨立專利請求項之前文之該系統之一使用。
在高電壓脈衝系統之情況中，由於其(例如)藉由高電壓放電而用於電動力分割材料，所以為了安全理由，當人們在操作期間靠近高電壓攜載部件時，能量儲存裝置(通常係電容器)必須經放電且分別經短路或接地。特定言之，此亦應用於此等系統上之常規維修工作，如(例如)在電動力分割系統中工作電極之常規交換。
通常分別藉由一短路或接地開關分別達成能量儲存裝置之短路或接地，此同時亦使得該能量儲存裝置放電。由與該開關串聯連接之一電阻器限制電流，使得該開關不受短期而係高電流之損壞。
在兩個開關接觸件靠近期間不可避免地形成一電弧。該電弧之強度及持續時間取決於能量儲存裝置中之電壓。為了絕緣之理由，將能量儲存裝置浸入油中。若亦分別將短路或接地開關置於油中，則在該油中產生電弧。此等電弧使得油燃燒。隨著時間之推移，火烘產物使得油之絕緣性質 降級，此最終可導致電絕緣之一失效。
為了避免此發生，短路或接地開關之接觸件通常分別位於一氣體體積中，繼而置於油中。然而，此概念僅可用於大約50kV之一電壓位準，因為若超過此電壓，則該開關以及串聯連接之電阻器之尺寸不相稱地增加，此不僅導致高成本且需要大量絕緣油，亦使得較佳用於此電壓範圍之某些系統幾何形狀在實際中不可行。
因此，目標係提供不展示先前技術之以上缺陷或至少幫助部分避免此等缺陷之一技術解決方案。
根據獨立專利請求項，藉由該方法及該系統達成此目的。
根據此等獨立專利請求項，本發明之一第一態樣係關於一種用於操作較佳用於藉由高電壓放電而分割及/或弱化材料之一高電壓脈衝系統之方法。此系統包括用於為該等高電壓脈衝提供能量之一或多個能量儲存裝置以及用於為(若干)能量儲存裝置充電之一或多個充電裝置。
在預期高電壓脈衝操作中，利用該系統產生高電壓脈衝之一序列。藉此，(若干)能量儲存裝置實質上在各高電壓脈衝處完全經放電，且唯有在一充電暫停結束之後才藉由利用(若干)充電裝置供應充電能量而再次針對下一高電壓脈衝重新充電。
藉由操作根據本發明之方法，在各情況中，於兩個連續高電壓脈衝之間產生一時間窗，在該時間窗中(若干)能量儲存裝置實質上完全經放電且未經施加充電電壓。
如根據該方法之一較佳實施例可預見，藉此可能在此一無電壓時間窗(充電暫停)中分別使得(若干)能量儲存裝置短路或接地且無流動之一短 路或接地電流，以將該系統自預期高電壓脈衝操作切換至一非操作狀態，在該非操作狀態中，高電壓脈衝系統之(若干)能量儲存裝置經放電且分別藉由短路或接地而受保護免受一非刻意充電。
依此方式，可完全防止分別在(若干)能量儲存裝置之短路或接地期間形成一電弧，就此而言，其允許建構實際上無損耗之系統。對應地，如根據該方法之一較佳實施例可預見，亦可能分別在(若干)能量儲存裝置之短路或接地期間藉助於一短路或接地電阻器實施。
此外，根據本發明，該操作使得可能即使在高於50kV之電壓範圍中亦返回至經驗證且緊密的系統概念。
有利地，分別在(若干)能量儲存裝置之短路或接地之後，不再利用(若干)充電裝置將任何充電能量供應至短路及/或接地之(若干)能量儲存裝置。此導致不分別出現(若干)充電裝置之短路或接地以及(若干)充電裝置上之一對應負載及一對應能量損失之優勢。
較佳藉由短路或接地開關分別實現(若干)能量儲存裝置之短路或接地。此導致可以一簡單方式自動化之優勢。為了安全理由，短路或接地進一步較佳藉由每能量儲存裝置至少兩個短路或接地開關分別發生。
若(若干)短路或接地開關之接觸件配置於油中，較佳有利地配置於一共同填充油之容器以及(若干)能量儲存裝置中，則特定言之，緻密系統變得可能。
此外，較佳藉由一感測器及/或一光學切換狀態顯示器監測各自短路或接地開關之切換狀態。藉此，可進一步改良安全性。
各自短路或接地開關亦有利地在閉合狀態中(即，當該開關分別使得(若干)能量儲存裝置短路或接地時)經機械保全及/或鎖定。依此方式，可 安全地防止短路或接地之一非刻意移除。
有利地，在根據本發明之方法中，在預期高電壓脈衝操作中，高電壓脈衝經產生大於50kV(較佳大於100kV)之一電壓且較佳具有大於1Hz(甚至較佳大於5Hz)之一序列頻率。
在此等電壓及序列頻率之情況下，本發明之優勢變得極其明顯。
本發明之一第二態樣係關於一種用於實施根據本發明之第一態樣之方法之高電壓脈衝系統。
此系統包括用於為該等高電壓脈衝提供能量之一或多個能量儲存裝置以及用於為(若干)能量儲存裝置充電之一或多個充電裝置。
此外，該系統包括用於分別藉由短路或接地保全(若干)能量儲存裝置以抵抗一非刻意充電之一或多個短路或接地開關。
該系統亦包括用於控制該系統之裝置，該系統可受控之方式為：利用該裝置以在預期高電壓脈衝操作中產生高電壓脈衝之一序列，其中(若干)能量儲存裝置實質上在各高電壓脈衝處完全經放電，且僅在一充電暫停結束之後藉由利用(若干)充電裝置供應充電能量而再次針對下一高電壓脈衝重新充電。
根據本發明，該系統啟用其中在各情況中之兩個連續高電壓脈衝之間呈現一時間窗之一預期高電壓脈衝操作，在該時間窗中(若干)能量儲存裝置實質上完全經放電且無充電電壓施加至(若干)能量儲存裝置。
藉此，有可能在此一無電壓時間窗(充電暫停)中分別使得(若干)能量儲存裝置短路或接地，且因此將該系統自預期高電壓脈衝操作切換至一非操作狀態而不致發生一短路或接地電流流經該處，在該非操作狀態中，該高電壓脈衝系統之(若干)能量儲存裝置經放電且分別藉由短路或接地而經 保全抵抗一非刻意充電。
為了此目的，在該系統之一較佳實施例中，設計用於控制該系統之裝置之方式為：一旦出現一停止命令，則該系統即藉由在該停止命令之後之一充電暫停中閉合(若干)短路或接地開關而可切換至一非操作狀態，在該非操作狀態中，該高電壓脈衝系統之(若干)能量儲存裝置經放電且分別經短路或接地，且藉此經保全抵抗一非刻意充電。
對應地，可完全防止分別在(若干)能量儲存裝置之一短路或接地之情況中形成一電弧，其中包含已相對於本發明之第一態樣提及之優勢。
利用一優勢，藉此設計用於控制該系統之裝置之方式為：分別在(若干)能量儲存裝置之短路或接地之後不再利用(若干)充電裝置將任何充電能量分別供應至(若干)短路或接地之能量儲存裝置。藉此，該優勢導致不分別發生(若干)充電裝置之短路或接地以及(若干)充電裝置之一對應負載及一對應能量損失。
為了安全理由，該系統進一步較佳分別包括每能量儲存裝置至少兩個短路或接地開關以用於分別使得(若干)能量儲存裝置短路或接地。
(若干)短路或接地開關之接觸件亦較佳分別配置於油中，較佳與(若干)能量儲存裝置一起配置於一共同填充油之容器中。依此方式，尤其是緻密系統亦變得可能。
此外，用於控制該系統之裝置較佳包括用於監測短路或接地開關之切換狀態之一感測器，且/或存在一光學切換狀態顯示器用於視覺監測短路或接地開關之切換狀態。因此，可進一步改良該系統之安全性。
此外，若該系統包括在閉合狀態(即，當該開關分別使得(若干)能量儲存裝置短路或接地時)中可機械保全及/或鎖定各自短路或接地開關之裝 置則係一優勢。依此方式，可可靠地防止短路或接地之一非刻意移除。
若該系統之(若干)短路或接地開關分別在非致動或無致動能量狀態中閉合則亦係較佳的。藉此，可進一步改良該系統之安全性，因為該系統之(若干)能量儲存裝置在如果發生短路或接地開關之致動能量(例如電流或壓縮空氣)之一失效時分別自動短路或接地。
根據本發明，該高電壓脈衝系統有利地經設計使得在預期高電壓脈衝操作中可利用該高電壓脈衝系統產生大於50kV(較佳大於100kV)之一電壓且較佳具有大於1Hz(甚至較佳大於5Hz)之一序列頻率之高電壓脈衝。
在此等系統中，本發明之優勢極其明顯。
1:高電壓脈衝系統
2:岩石材料
3:電容器/能量儲存裝置
4:充電裝置
5:接地開關/短路或接地開關
6:系統控制器
7:電壓量測裝置
8:火花隙
9:高電壓電極
10:相對電極
11:感測器
LP:充電暫停
本發明之進一步實施例、優勢及應用係由於附屬申請專利範圍及參考圖之以下描述。藉此展示：圖1係根據本發明之用於藉由高電壓脈衝分割材料之一第一高電壓脈衝系統之電路圖；圖2係預期高電壓脈衝操作中之圖1之系統之能量儲存裝置之電壓過程；及圖3係根據本發明之用於藉由高電壓脈衝分割材料之一第二高電壓脈衝系統之電路圖。
圖1展示根據本發明之用於藉由高電壓放電而電動力分割岩石材料2之一高電壓脈衝系統1之系統圖式。
系統1包括：為一電容器3之形式之一能量儲存裝置，其用於為該等 高電壓脈衝提供能量；以及一充電裝置4，其用於為電容器3充電；為一火花隙8之形式之一輸出開關；以及一高電壓電極9，其面對一距離且位於填充有一處理液體(水)之一處理容器中；一相對電極(counter-electrode)10，其由該處理容器之底部形成且接地。浸入該處理液體中之待分割之材料2配置於高電壓電極9與相對電極10之間之方式為：在該系統之預期高電壓脈衝操作中，在兩個電極9、10之間產生之高電壓放電(主張之高電壓脈衝)通過材料2(展示為一可變負載電阻器)而發生。
此外，系統1包括具有一電壓量測裝置7之一系統控制器6及用於電容器3之一接地開關5。
在預期分割操作(主張之高電壓脈衝操作)中，系統1在電極9、10之間產生通過材料2之高電壓放電之一序列。藉此，電容器3在各高電壓放電處完全經放電。
在圖2中展示預期分割操作中(即在兩個充電循環中)隨著時間t之推移之電容器3之電壓U之過程。藉此，電壓U在放電開始時為大約100kV，且包含相關聯之充電暫停LP之各充電循環花費大約300ms。
系統控制器6利用其電壓量測裝置7在各自高電壓放電處偵測電容器3之電壓U之崩潰且控制充電裝置4之方式為：一充電暫停(LP)跟隨在各自放電之後，其中充電裝置4不提供任何充電能量。僅在充電暫停LP結束之後藉由充電裝置4為電容器3再次重新充電，使得電容器3可為下一高電壓放電提供能量。
若系統1將自預期分割操作切換為在其中電容器3經放電且分別藉由短路或接地而受保護免於一非刻意充電之一非操作狀態，則一旦出現一停止命令，系統控制器6即在該停止命令後之一充電暫停LP中閉合接地開關 5且控制充電裝置4使：在將能量儲存裝置3接地之後不再為能量儲存裝置3提供充電能量。
圖3展示根據本發明之用於藉由高電壓脈衝分割材料之一第二高電壓脈衝系統之電路圖，其不同於圖1中展示之系統僅在於其包括用於電容器3之兩個接地開關5且由系統控制器6藉由一感測器11監測各接地開關5之切換狀態。
儘管在本申請案中存在本發明之描述之較佳實施例，但應清楚地指出本發明不限制於此且亦可在以下申請專利範圍之範疇內以另一方式實施。
1:高電壓脈衝系統
2:岩石材料
3:電容器/能量儲存裝置
4:充電裝置
5:接地開關/短路或接地開關
6:系統控制器
7:電壓量測裝置
8:火花隙
9:高電壓電極
10:相對電極

Claims (22)

  1. 一種用於操作一高電壓脈衝系統(1)之方法，特定言之用於藉由高電壓放電而分割及/或弱化材料(2)，該系統(1)包括用於為該等高電壓脈衝提供能量之一能量儲存裝置(3)及用於為該能量儲存裝置(3)充電之一充電裝置(4)，其中在該預期高電壓脈衝操作中利用該系統(1)產生高電壓脈衝之一序列，且藉此該能量儲存裝置(3)實質上在各高電壓脈衝處完全經放電，且僅在一充電暫停(LP)結束之後藉由利用該充電裝置(4)供應充電能量而再次針對下一高電壓脈衝重新充電，其中當該系統(1)自該預期高電壓脈衝操作切換至該高電壓脈衝系統(1)之該能量儲存裝置(3)經放電且經保護免受一非刻意充電之一非操作狀態時，該能量儲存裝置(3)在一充電暫停(LP)中短路及/或接地。
  2. 如請求項1之方法，其中在該能量儲存裝置(3)之該短路及/或接地之後，不再利用該充電裝置(4)將任何充電能量供應至該短路及/或接地之能量儲存裝置(3)。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該能量儲存裝置(3)之該短路及/或接地係藉由一短路或接地開關(5)，特定言之藉由至少兩個短路或接地開關發生。
  4. 如請求項3之方法，其中該(該等)短路或接地開關之接觸件配置於油 中，特定言之與該能量儲存裝置(3)一起配置於一共同填充油之容器中。
  5. 如請求項3之方法，其中藉由一或多個感測器(11)監測該(該等)短路或接地開關(5)之切換狀態。
  6. 如請求項3之方法，其中藉由一光學切換狀態顯示器監測該(該等)短路或接地開關(5)之該切換狀態。
  7. 如請求項3之方法，其中該(該等)短路或接地開關(5)在閉合狀態中經機械保全及/或鎖定。
  8. 如請求項1或2之方法，其中在該預期高電壓脈衝操作中產生大於50kV之一電壓之高電壓脈衝。
  9. 如請求項1或2之方法，其中在該預期高電壓脈衝操作中產生大於1Hz之一序列頻率之高電壓脈衝。
  10. 如請求項1或2之方法，其中該能量儲存裝置(3)之該短路及/或接地在不使用一短路或接地電阻器之情況下發生。
  11. 一種用於實施如請求項1至10之任一項之方法之高電壓脈衝系統(1)，其包括：a)一能量儲存裝置(3)，其用於為該等高電壓脈衝提供能量， b)一充電裝置(4)，其用於為該能量儲存裝置(3)充電，c)一或多個短路或接地開關(5)，其用於藉由短路及/或接地保全該能量儲存裝置(3)以抵抗一非刻意充電，及d)系統控制器(6)及電壓量測裝置(7)，其用於控制該系統(1)，其中該系統(1)可受控於用於控制該系統(1)之該系統控制器(6)及該電壓量測裝置(7)之方式為：在該預期高電壓脈衝操作中其產生高電壓脈衝之一序列且藉此該能量儲存裝置(3)在各高電壓脈衝處完全經放電，且僅在一充電暫停(LP)結束之後藉由利用該充電裝置(4)供應充電能量而再次針對下一高電壓脈衝重新充電。
  12. 如請求項11之系統(1)，其中用於控制該系統(1)之該系統控制器(6)及該電壓量測裝置(7)經設計使得一旦出現一停止命令，則該系統(1)即藉由在該停止命令之後之一充電暫停(LP)中閉合該(該等)短路或接地開關(5)而可切換至該高電壓脈衝系統(1)之該能量儲存裝置(3)經放電且分別藉由短路或接地而經保護免受一非刻意充電之一非操作狀態。
  13. 如請求項12之系統(1)，其中用於控制該系統(1)之該系統控制器(6)及該電壓量測裝置(7)經設計使得在該能量儲存裝置(3)之該短路及/或接地之後不再利用該充電裝置(4)將任何充電能量供應至該短路及/或接地之能量儲存裝置(3)。
  14. 如請求項11至13之任一項之系統(1)，其中該系統(1)包括至少兩個短路或接地開關。
  15. 如請求項11至13之任一項之系統，其中該(該等)短路或接地開關(5)之接觸件配置於油中，特定言之與該能量儲存裝置(3)一起配置於一共同填充油之容器中。
  16. 如請求項11至13之任一項之系統(1)，其中該系統(1)包括用於監測該(該等)短路或接地開關(5)之切換狀態之一或多個感測器(11)。
  17. 如請求項11至13之任一項之系統，其中該系統(1)包括用於視覺監測該(該等)短路或接地開關(5)之該切換狀態之一光學切換狀態顯示器。
  18. 如請求項11至13之任一項之系統，其中該系統(1)包括用於在閉合狀態中機械保全及/或鎖定該(該等)短路或接地開關(5)之裝置。
  19. 如請求項11至13之任一項之系統(1)，其中該(該等)短路或接地開關(5)在非致動或無致動能量狀態中係閉合的。
  20. 如請求項11至13之任一項之系統(1)，其中設計該系統(1)之方式為：在該預期高電壓脈衝操作中可利用該系統(1)產生大於50kV之一電壓之高電壓脈衝。
  21. 如請求項11至13之任一項之系統(1)，其中設計該系統(1)之方式為：在該預期高電壓脈衝操作中可利用該系統(1)產生大於1Hz之一序列頻率 之高電壓脈衝。
  22. 一種如請求項11至21之任一項之高電壓脈衝系統(1)之使用，其藉由該系統(1)產生之高電壓脈衝分割特定言之導電較差之材料(2)或特定言之混凝土、岩石、含礦岩或熔渣之複合材料。
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