[發明專利]一種高壓脈沖放電破巖裝置及其控制方法

在審

• 申請號: 202211428323.1
• 申請日: 2022-11-15
• 公開（公告）號: CN115864890A
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 劉毅;黃仕杰;趙勇;徐尤來;林福昌;張欽
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02M9/04
• 分類號: H02M9/04;H03K3/57;E21B7/15
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 夏倩

本發明公開了一種高壓脈沖放電破巖裝置及其控制方法，屬于高壓電技術領域，其中，脈沖變壓器的一次側繞組分別連接有與M個第一電容器一一對應相連的M個晶閘管，二次側繞組上連接有第二電容器；通過控制晶閘管的開閉可以將對應第一電容器中的能量經脈沖變壓器傳遞給第二電容器，與此同時，與第二電容相連的多電極放電模塊中的各放電電極均設置有對應的陡化開關，通過控制陡化開關的開閉可對第二電容器輸出的高壓脈沖進行陡化，并輸入至對應的放電電極中，從而控制各放電電極在陡化后的高壓脈沖的作用下依次被擊穿，實現多電極破巖；本發明結構簡單、可控性強，可驅動多電極依次放電，提升破巖效果，使巖石破碎地更加充分。

技術領域

本發明屬于高壓電技術領域，更具體地，涉及一種高壓脈沖放電破巖裝置及其控制方法。

背景技術

在油氣開采、地熱資源開發和基建中的樁基建設等領域需要對硬巖進行破碎，傳統的機械旋轉鉆進破巖設備遇到硬巖存在損耗大、鉆進慢等缺點，亟需研究高效破巖鉆進技術。目前比較新穎的破巖技術包括射流破巖、激光破巖和微波鉆孔等，但是這些技術存在一定缺陷，破巖效率較低，射流破巖主要用于切割巖石，激光破巖和微波鉆孔對驅動源的功率提出了較大要求。

高電壓脈沖放電破巖是一種新型破巖技術，根據破巖形式的不同，可以分為液電破巖和電脈沖破巖。液電破巖利用液中放電形成的沖擊波和空腔膨脹對巖石進行破碎，而電脈沖破巖通過創造條件使電弧通道直接形成于巖石內部，利用電弧通道的急劇膨脹和高溫高壓環境使巖石破碎。液電破巖主要對巖石造成壓縮破壞，而電脈沖破巖主要對巖石形成張拉破壞，具有更高的破碎效率。電脈沖破巖具有破碎效率高、能耗低、操作簡單、安全環保等優勢，具有極大的破巖潛力。

在現有的一些電脈沖破巖裝置中，通常采用一對電極或同軸電極進行破巖，由于電弧通道的隨機性，放電間隙距離受放電電壓限制，且電弧通道直徑較小，巖石表面各位置破碎的并不充分。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供一種高壓脈沖放電破巖裝置及其控制方法，用以解決現有技術的電脈沖破巖裝置破巖不充分的技術問題。

為了實現上述目的，第一方面，本發明提供了一種高壓脈沖放電破巖裝置，包括：

低壓蓄能模塊，包括M個并聯的第一電容器，用于實現低壓蓄能；

脈沖變壓器，其一次側繞組連接有M個并聯的晶閘管；M個晶閘管與M個第一電容器一一對應相連；脈沖變壓器用于在晶閘管的控制下將對應的第一電容器輸出的低壓轉換為高壓；

連接在脈沖變壓器二次側繞組上的第二電容器，用于存儲脈沖變壓器二次側輸出的高壓，并輸出高壓脈沖；

與第二電容器輸出端相連的多電極放電模塊，包括N個并聯的放電支路；2≤N≤M；放電支路包括串聯的陡化開關和放電電極；陡化開關用于控制高壓脈沖的輸入，并對高壓脈沖進行陡化；各放電電極分布在巖石的表面，并和巖石一同浸沒在液體介質中；

控制模塊，用于通過對晶閘管和陡化開關的開閉進行控制，使得N個放電電極在陡化后的高壓脈沖的作用下依次被擊穿，以實現充分破巖。

進一步優選地，上述控制模塊用于執行破巖操作：將N個已實現低壓蓄能的第一電容器作為一組放電電容器；通過對晶閘管和陡化開關的開閉進行控制，重復執行單次破巖操作，直至N個放電電容器均放電完畢，此時，N個放電電極在陡化后的高壓脈沖的作用下依次被擊穿；

其中，單次破巖操作包括：針對某一還未進行放電的放電電容器，觸發其對應的晶閘管，使其經脈沖變壓器向第二電容器進行放電；完成放電后，進一步觸發某一未經觸發的陡化開關，以對第二電容器輸出的高壓脈沖進行陡化，并輸入至對應的放電電極中，從而使得該放電電極在陡化后的高壓脈沖的作用下被擊穿，以使巖石表面破碎。

進一步優選地，上述高壓脈沖放電破巖裝置，還包括：