一种便携式高压脉冲发生装置、冲击波破岩装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种便携式高压脉冲发生装置、冲击波破岩装置及方法，采用的网状金属丝阵能够显著降低钝感含能材料起爆所需的储能(降低30％以上)，从而降低了高压脉冲电容器的体积与质量，实现冲击波破岩装置的小型化与轻量化。内回流式结构使得负载爆炸向外传播冲击波时不会受到外回流柱的干扰，从而损失部分能量且降低致裂岩石的效率。负载结构的制作原料为同轴电缆、硅胶管(或其他管状材料)和钨金属丝，成本低廉，制作工艺简单。负载填充的含能材料不含有危险品条目中的爆炸物，安全性极高。内回流式网状金属丝阵含能材料负载在特定参数脉冲源的驱动下能够产生固定幅值、冲量与能量的冲击波，同时具有极好的可重复性，具有极大的工程应用前景。大的工程应用前景。大的工程应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种便携式高压脉冲发生装置、冲击波破岩装置及方法


[0001]本专利技术属于脉冲功率破岩
，涉及一种内回流式网状金属丝阵含能材料负载及基于其的便携式高压脉冲发生装置。

技术介绍

[0002]随着工业化水平不断提升，资源开采深度和广度不断拓展，在油气工程、采矿工程、隧道工程等领域中面临越来越多硬岩和极硬岩的挑战。传统开凿设备无法安全、高效得破碎硬度极高的岩石，因此亟待开发新的岩石破碎技术以解决存在的问题。近年来，脉冲功率技术在岩石破碎
逐渐受到重视，该技术通过特定形式的负载，例如水间隙、金属丝等，将脉冲电容器中的电能转化为机械能(冲击波)后致裂岩石。相比于传统破岩技术，该技术具备可控、安全、重复性好等优点。但是脉冲功率破岩技术受到脉冲电容器的储能以及负载能量转化效率(＜20％)的限制，当装置体积受制于复杂、狭小的工作环境时，脉冲功率破岩技术无法产生足够能量的冲击波致裂高硬度岩石。
[0003]基于这种背景，人们提出钝感含能材料包覆于金属丝外的负载构型，进一步利用金属丝电爆炸点燃外层钝感含能材料，将含能材料爆轰波和金属丝电爆炸冲击波耦合从而提升单次作业负载所能产生的冲击波能量。但是出于安全性考虑，所采用的钝感含能材料往往不含有危险品条目中的爆炸物，常见的配方为包含硝基甲烷、铝粉、金属氧化物的混合物。目前来说，点燃钝感含能材料所需单次输入能量仍较大，这导致其需要大体积的高压脉冲电容器储存能量，质量往往在百公斤以上，给移动、安装、使用都造成了不便。因此，设计新负载结构以降低单次起爆所需的电容器储能是亟待解决的关键问题，从而实现装置小型化、轻量化以应对复杂、狭小的作业地形。此外还需要解决以下关键问题：负载构型目前使用外回流柱结构，这不仅使得冲击波致裂岩石的效率降低，同时会在致裂过程中对外回流柱造成损伤，降低设备使用寿命；目前的整体装置结构无法支持多负载同时爆炸，难以完成定向致裂岩石等工程目标。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种内回流式网状金属丝阵含能材料负载结构及基于其的便携式高压脉冲发生装置。
[0005]第一方面，本专利技术提供一种便携式高压脉冲发生装置，包括：
[0006]装置外壳，所述装置外壳内设置有装置内部绝缘，所述装置内部绝缘将装置外壳的内部分隔为两个独立且绝缘的腔体；其中一个腔体内设置有高压电源模块，另一个腔体内设置有高压脉冲源模块；
[0007]高压脉冲源模块，所述高压脉冲源模块的高压极与高压电源模块相连，地电极与装置外壳均接地；
[0008]开关模块，所述开关模块与高压脉冲模块位于装置外壳的同一侧腔体内，且具有一密闭绝缘的内腔，所述内腔中设置有开关上电极和开关下电极，开关下电极与高压极相
连，开关上电极和开关下电极之间形成放电间隙；所述开关上电极上连接有若干电缆接口相连，用于连接外接电缆传递电能；
[0009]开关充放气模块，所述开关充放气模块与开关模块的内腔相连通，用于向内腔中充气或排气，调整内腔气压以改变放电间隙的耐受电压。
[0010]进一步的，所述高压电源模块包括高压电源，所述高压电源上连接有高压电源控制面板和电源高压输出线，高压电源通过电源高压输出线与高压脉冲源模块相连。
[0011]进一步的，所述高压脉冲源模块包括高压脉冲电容器，高压极和地电极设置在高压脉冲电容器一侧，所述地电极为2个，分别位于高压极的两侧，高压极与地电极之间通过电容绝缘隔离。
[0012]进一步的，所述开关模块包括一端开口的开关金属外壳，所述开关金属外壳开口侧与高压脉冲电容器的两地电极相抵，使高压极处于开关金属外壳的内部，并形成密闭内腔；开关上电极设在开关金属外壳内远离高压极的一侧，开关下电极安装在高压极的末端；开关上电极通过开关上绝缘与开关金属外壳绝缘；开关上绝缘内设置有电极一转多装置，所述电极一转多装置与开关上电极相连；所述开关金属外壳开口对侧与装置外壳相连，地电极通过开关金属外壳与装置外壳相连。
[0013]进一步的，所述开关金属外壳上设置有充电口，所述充电口内设置有密封连接件，所述密封连接件一端连接电源高压输出线，另一端连接高压极。
[0014]进一步的，所述开关充放气模块包括气瓶，所述气瓶通过充气气管与所述内腔相连通，所述内腔通过放气气管与外部空间相连通；所述充气气管上设置有充气阀，放气气管上设置有放气阀。
[0015]第二方面，本专利技术提供一种冲击波破岩装置，包括上述的便携式高压脉冲发生装置、若干可插拔式电缆和含能材料负载；所述便携式高压脉冲发生装置的电缆接口上连接有若干可插拔式电缆，所述含能材料负载设置于岩石内，可插拔式电缆经岩石的孔洞伸入与含能材料负载相连。
[0016]进一步的，所述可插拔式电缆包括装置端和负载端，所述装置端包括由内到外依次设置的电缆装置端高压内芯、电缆装置端内绝缘、电缆装置端网状接地线和电缆装置端绝缘外皮；所述负载端包括由外到内依次设置的电缆负载端绝缘外皮、电缆负载端网状接地线、电缆负载端内绝缘和电缆负载端高压内芯；所述电缆负载端内绝缘上安装有负载接地插口，所述负载接地插口与电缆负载端网状接地线相连，负载接地插口的外侧设置有负载接地端子；
[0017]装置端插入便携式高压脉冲发生装置的电缆接口时，所述电缆装置端高压内芯与电极一转多装置相接触，电缆装置端内绝缘与开关上绝缘相接触，形成绝缘结构；电缆装置端网状接地线与开关金属外壳相接触，使电缆形成回路。
[0018]进一步的，所述含能材料负载包括负载高压内芯，所述负载高压内芯上套设有负载内绝缘，所述负载内绝缘的中部套设负载网状接地线，负载网状接地线上套设负载绝缘外皮；所述负载内绝缘的末端安装负载外壳，负载外壳内填充有含能材料；所述负载网状接地线的一端引出多根金属丝，所述多根金属丝旋转缠绕在负载外壳内的负载内绝缘上形成网状结构，并与负载高压内芯连接；
[0019]含能材料负载插入可插拔式电缆的负载端时，所述负载高压内芯与电缆负载端高
压内芯相接触传输电能，负载内绝缘与电缆负载端内绝缘相接触，形成绝缘结构；负载网状接地线通过负载接地线与负载接地端子相接触，形成回路。
[0020]第三方面，本专利技术提供一种冲击波破岩方法，包括以下步骤：
[0021]步骤1，将可插拔式电缆插入便携式高压脉冲发生装置中；
[0022]步骤2，将相同数量的含能材料负载插入可插拔式电缆的负载端；
[0023]步骤3，将含能材料负载安装在岩石的孔洞中，所述孔洞为天然形成的缝隙或人工开凿的孔洞；
[0024]步骤4，向开关模块的内腔充气至指定气压；
[0025]步骤5，通过高压电源控制面板远程控制高压电源向高压脉冲电容器充电直至指定电压；
[0026]步骤6，通过放气阀使开关模块的内腔气压降低，从而使其耐压水平降低，发生击穿；
[0027]步骤7，发生击穿后，电能传输至含能材料负载中使其爆炸从而致裂岩石；
[0028]步骤8，对致裂效果进行评估，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种便携式高压脉冲发生装置，其特征在于，包括：装置外壳(120)，所述装置外壳(120)内设置有装置内部绝缘(104)，所述装置内部绝缘(104)将装置外壳(120)的内部分隔为两个独立且绝缘的腔体；其中一个腔体内设置有高压电源模块，另一个腔体内设置有高压脉冲源模块；高压脉冲源模块，所述高压脉冲源模块的高压极(113)与高压电源模块相连，地电极(111)与装置外壳(120)均接地；开关模块，所述开关模块与高压脉冲模块位于装置外壳(120)的同一侧腔体内，且具有一密闭绝缘的内腔，所述内腔中设置有开关上电极(107)和开关下电极(114)，开关下电极(114)与高压极(113)相连，开关上电极(107)和开关下电极(114)之间形成放电间隙；所述开关上电极(107)上连接有若干电缆接口相连，用于连接外接电缆传递电能；开关充放气模块，所述开关充放气模块与开关模块的内腔相连通，用于向内腔中充气或排气，调整内腔气压以改变放电间隙的耐受电压。2.根据权利要求1所述的便携式高压脉冲发生装置，其特征在于，所述高压电源模块包括高压电源(102)，所述高压电源(102)上连接有高压电源控制面板(101)和电源高压输出线(103)，高压电源(102)通过电源高压输出线(103)与高压脉冲源模块相连。3.根据权利要求2所述的便携式高压脉冲发生装置，其特征在于，所述高压脉冲源模块包括高压脉冲电容器(105)，高压极(113)和地电极(111)设置在高压脉冲电容器(105)一侧，所述地电极(111)为2个，分别位于高压极(113)的两侧，高压极(113)与地电极(111)之间通过电容绝缘(112)隔离。4.根据权利要求3所述的便携式高压脉冲发生装置，其特征在于，所述开关模块包括一端开口的开关金属外壳(106)，所述开关金属外壳(106)开口侧与高压脉冲电容器(105)的两地电极(111)相抵，使高压极(113)处于开关金属外壳(106)的内部，并形成密闭内腔；开关上电极(107)设在开关金属外壳(106)内远离高压极(113)的一侧，开关下电极(114)安装在高压极(113)的末端；开关上电极(107)通过开关上绝缘(109)与开关金属外壳(106)绝缘；开关上绝缘(109)内设置有电极一转多装置(108)，所述电极一转多装置(108)与开关上电极(107)相连；所述开关金属外壳(106)开口对侧与装置外壳(120)相连，地电极(111)通过开关金属外壳(106)与装置外壳(120)相连。5.根据权利要求4所述的便携式高压脉冲发生装置，其特征在于，所述开关金属外壳(106)上设置有充电口(110)，所述充电口(110)内设置有密封连接件，所述密封连接件一端连接电源高压输出线(103)，另一端连接高压极(113)。6.根据权利要求1或4所述的便携式高压脉冲发生装置，其特征在于，所述开关充放气模块包括气瓶(115)，所述气瓶(115)通过充气气管(117)与所述内腔相连通，所述内腔通过放气气管(119)与外部空间相连通；所述充气气管(117)上设置有充气阀(116)，放气气管(119)上设置有放气阀(118)。7.一种冲击波破岩装置，其特征在于，包括权利要求3
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5任一项所述的便携式高压脉冲发生装置(1)、若干可插拔式电缆(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：石桓通，胡于家，胡津梁，陶站平，李团，李兴文，吴坚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：