RU2035231C1

RU2035231C1 - Device and technique of destroying dielectrics and semiconductors

Info

Publication number: RU2035231C1
Authority: RU
Inventors: Т.И. Алексеева; В.И. Курец; Э.Н. Таракановский; Г.П. Филатов
Original assignee: Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете
Priority date: 1992-03-19
Filing date: 1992-03-19
Publication date: 1995-05-20

Abstract

FIELD: destruction of dielectrics and semiconductors. SUBSTANCE: with the object exposed to a combined action of varying frequency current and its pulses, the high- voltage pulse is sent at the moment when the speed of the change of amplitude of a.c. exceeds 0. The device under review has a source of varying frequency current, current sensor, comparator, switching device, high-voltage pulses generator, electronic system with high-voltage and earthed electrodes. The device is supplemented with inductive filter whose isolation is equal to the value of the high-voltage pulse. EFFECT: higher efficiency and reliability. 2 cl, 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, в том числе горных пород и бетонов, и может быть использовано при разрушении негабаритов на карьерах, фундаментов, оголовков свай, изделий из бетона при их утилизации и т.д. The invention relates to the field of destruction of dielectric and semiconducting materials, including rocks and concrete, and can be used in the destruction of oversized quarries, foundations, pile heads, concrete products during their disposal, etc.

Известны способ [1] разрушения скальных горных пород электрическим током, при котором разрушение осуществляется электрическим током, и устройство для его осуществления. A known method [1] of destruction of rock by electric current, in which the destruction is carried out by electric current, and a device for its implementation.

Импульс тока к разрушаемому объекту подается через два расположенных в отдельных шпурах, заполненных диэлектрическим материалом, электрода, находящихся на расстоянии, достаточном для образования в породе канала электрического пробоя. A current pulse is supplied to the object to be destroyed through two electrodes located in separate holes filled with dielectric material and located at a distance sufficient to form an electrical breakdown in the rock.

Недостаток этого способа и устройства для его реализации низкая эффективность процесса разрушения, т.к. от монолита горной породы откалывается кусок. Кроме того, требуются дополнительное оборудование и приспособления для бурения шпуров, что создает определенные сложности в эксплуатации устройства. Эффективность процесса также снижается за счет дополнительных затрат на диэлектрические материалы, необходимые для осуществления способа. The disadvantage of this method and device for its implementation is the low efficiency of the destruction process, because a piece breaks off a rock monolith. In addition, additional equipment and devices for drilling holes are required, which creates certain difficulties in the operation of the device. The efficiency of the process is also reduced due to the additional costs of dielectric materials necessary for the implementation of the method.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ [2] разрушения, выбранный прототип, в котором разрушение материалов осуществляется электрическим током. К материалу через электрод подводят ток высокой частоты, служащий для образования в разрушаемом материале токопроводящего канала. Затем через этот канал пропускают ток (переменный ток любой частоты, постоянный ток, импульсный ток разряда конденсатора) в один или более порядков больше. При воздействии тока высокой частоты на материал не исключается образование канала электротеплового пробоя и последующее направление в образовавшийся канал электрической энергии источника импульсного тока не приведет к эффективному разрушению, отсутствие согласования момента подачи тока большей амплитуды снижает КПД использования энергии на разрушение материала. The closest in technical essence and the achieved result to the claimed method is the method [2] of destruction, the selected prototype, in which the destruction of materials is carried out by electric current. A high-frequency current is supplied to the material through the electrode, which serves to form a conductive channel in the material to be destroyed. Then a current is passed through this channel (alternating current of any frequency, direct current, pulse current of the discharge of the capacitor) in one or more orders of magnitude more. Under the influence of a high-frequency current on the material, the formation of an electrothermal breakdown channel is not ruled out and the subsequent direction of the pulse current source into the formed channel of electric energy will not lead to effective destruction, the lack of coordination of the moment of supply of a larger amplitude current reduces the energy efficiency for material destruction.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное за прототип устройство [3] содержащее электродную систему, соединенную с источником переменного тока и генератором импульсов высокого напряжения, и переключающее устройство. В устройстве существует возможность образования путей протекания тока по поверхности разрушаемых объектов, что приводит к дополнительным потерям энергии, а следовательно, и КПД устройства. Использование электродов с одной степенью свободы создает трудности обеспечения плотного контакта электрод разрушаемый объект, особенно при неровной поверхности разрушаемого объекта. The closest in technical essence to the claimed device is the device selected for the prototype [3] containing an electrode system connected to an AC source and a high voltage pulse generator, and a switching device. In the device, it is possible to form current paths on the surface of destructible objects, which leads to additional energy losses, and consequently, the efficiency of the device. The use of electrodes with one degree of freedom creates difficulties in ensuring close contact between the electrode of the destructible object, especially with an uneven surface of the destructible object.

Отмеченные недостатки приводят к низкой эффективности процесса разрушения. Кроме того, при эксплуатации устройства возникают трудности в управлении работой, связанные с переключением источника тока в один или более порядков выше. The noted disadvantages lead to low efficiency of the destruction process. In addition, when operating the device, difficulties arise in controlling the operation associated with switching the current source one or more orders of magnitude higher.

Цель изобретения повышение эффективности разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, повышение КПД использования энергии, потребляемой из сети, простота эксплуатации. The purpose of the invention is to increase the destruction efficiency of dielectric and semiconducting materials, increase the efficiency of use of energy consumed from the network, ease of operation.

Как показали результаты экспериментальных исследований, при использовании предлагаемых способа и реализующего его устройства образцы гранита размером 100 х 100 х 100 мм разрушаются на 6 кусков, а при использовании способа-прототипа на 2 куска, что подтверждает большую эффективность разрушения предлагаемым способом. В ходе экспериментальных исследований установлено повышение КПД использования энергии в предлагаемом устройстве на 20% по сравнению с прототипом. As shown by the results of experimental studies, when using the proposed method and the device that implements it, granite samples with a size of 100 x 100 x 100 mm are destroyed into 6 pieces, and when using the prototype method into 2 pieces, which confirms the high destruction efficiency of the proposed method. In the course of experimental studies, an increase in the efficiency of energy use in the proposed device by 20% was established in comparison with the prototype.

Поставленная цель достигается тем, что разрушение диэлектрических и полупроводящих материалов осуществляется последовательным комбинированным воздействием тока переменной частоты и импульсного тока высокого напряжения. Импульс тока высокого напряжения подается на объект в то время, когда скорость изменения амплитуды переменного тока становится больше нуля. This goal is achieved in that the destruction of dielectric and semiconducting materials is carried out by a sequential combined effect of a variable frequency current and a high voltage pulse current. A high voltage current pulse is applied to the object at a time when the rate of change in the amplitude of the alternating current becomes greater than zero.

Для повышения КПД использования энергии, потребляемой из сети, простоты эксплуатации устройство, содержащее электродную систему, соединенную с источником переменного тока и генератором импульсов, и переключающее устройство, снабжено датчиком тока, подключенным через компаратор к переключающему устройству. To increase the efficiency of using energy consumed from the network, ease of operation, a device containing an electrode system connected to an alternating current source and a pulse generator and a switching device is equipped with a current sensor connected via a comparator to the switching device.

Целесообразно использование на выходе источника переменного тока индуктивного фильтра с уровнем изоляции на величину амплитуды высоковольтного импульса. Целесообразно, чтобы каждый из электродов, установленный на изоляторе с гидрофобной поверхностью, имел не менее трех степеней свободы. It is advisable to use an inductive filter with an isolation level by the amplitude of the high-voltage pulse at the output of the AC source. It is advisable that each of the electrodes mounted on an insulator with a hydrophobic surface have at least three degrees of freedom.

За счет того, что на объект подается ток переменной частоты, происходит разогрев локальной области материала, что приводит к снижению его электрической прочности. Последующее воздействие импульсами тока высокого напряжения на электрически ослабленную область приводит к более эффективному разрушению материала и требуется значительно меньшая амплитуда импульса для создания канала электрического пробоя. Due to the fact that a variable frequency current is supplied to the object, the local area of the material is heated, which leads to a decrease in its electric strength. The subsequent action of high voltage current pulses on the electrically weakened region leads to a more efficient destruction of the material and a much smaller pulse amplitude is required to create an electrical breakdown channel.

Применение датчика тока позволяет передавать импульсную энергию, когда электрическая прочность снизится до определенного предела, но еще не образуется канал электротеплового пробоя, что приводит к повышению эффективности разрушения и снижению затрат энергии на этот процесс. The use of a current sensor makes it possible to transmit pulsed energy when the electric strength decreases to a certain limit, but an electric thermal breakdown channel is not yet formed, which leads to an increase in fracture efficiency and a reduction in energy costs for this process.

Эффективность использования энергии повышается при использовании изоляторов с гидрофобной поверхностью, т.к. исключается растекание токов между электродами. Потери энергии уменьшаются и при создании плотного контакта объект-электрод, что достигается тремя степенями свободы электродов это дополнительно повышает эффективность использования энергии, т.е. КПД процесса. Energy efficiency is improved when using insulators with a hydrophobic surface, because current spreading between electrodes is excluded. Energy losses are reduced when creating an object-electrode tight contact, which is achieved by three degrees of freedom of the electrodes, which further increases the energy efficiency, i.e. Process efficiency.

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства; на фиг.2 и 3 изменение переменного тока через объект. Figure 1 shows the structural diagram of the inventive device; figure 2 and 3 change of alternating current through the object.

Устройство содержит источник 1 переменной частоты (ИОМ-100/100), датчик 2 тока, компаратор 3, переключающее приспособление 4, генератор 5 импульсов высокого напряжения, электродную систему, состоящую из высоковольтного электрода 6 и заземленного (зануленного) электрода 7, разрушаемый объект 8. The device contains a variable frequency source 1 (IOM-100/100), a current sensor 2, a comparator 3, a switching device 4, a high-voltage pulse generator 5, an electrode system consisting of a high-voltage electrode 6 and a grounded (nullified) electrode 7, a destructible object 8 .

Устройство для сглаживания амплитуды высоковольтного импульса дополняется индуктивным фильтром 9 с уровнем изоляции на величину амплитуды высоковольтного импульса. A device for smoothing the amplitude of a high voltage pulse is supplemented by an inductive filter 9 with an insulation level by the magnitude of the amplitude of the high voltage pulse.

Устройство также содержит электродную систему, каждый из электродов который установлен на изоляторе с гидрофобной поверхностью и имеет не менее трех степеней свободы. The device also contains an electrode system, each of the electrodes which is mounted on an insulator with a hydrophobic surface and has at least three degrees of freedom.

Способ разрушения объекта и работа устройства осуществляется следующим образом. The method of destruction of the object and the operation of the device is as follows.

На поверхности разрушаемого объекта 8 благодаря трем степеням свободы фиксируются высоковольтный 6 и низковольтный 7 электроды. При включении источника 1 переменного тока в контуре 1, 9, 6, 8, 7 протекает переменный ток, под действием которого объект 8 прогревается и его электрическая прочность уменьшается. В то время, когда скорость изменения амплитуды тока в контуре 1, 9, 6, 8, 7 становится больше нуля, датчик 2, отстроенный на эту величину, подает сигнал через компаратор 3 на переключающее приспособление 4. Через переключающее устройство, замыкающее контур 5, 4. 6, 8, 7, от генератора 5 высокого напряжения протекает в контуре импульсный ток, Индуктивный фильтр 9 сглаживает амплитуду импульса и выполняет защитную функцию для контура переменного тока. Thanks to three degrees of freedom, the high-voltage 6 and low-voltage 7 electrodes are fixed on the surface of the destroyed object 8. When you turn on the source 1 of the alternating current in the circuit 1, 9, 6, 8, 7, an alternating current flows, under the influence of which the object 8 warms up and its electric strength decreases. At a time when the rate of change in the amplitude of the current in circuit 1, 9, 6, 8, 7 becomes greater than zero, the sensor 2, tuned to this value, sends a signal through the comparator 3 to the switching device 4. Through the switching device closing the circuit 5, 4. 6, 8, 7, a pulsed current flows from the high-voltage generator 5, the inductive filter 9 smooths the amplitude of the pulse and performs a protective function for the alternating current circuit.

Благодаря использованию изоляторов с гидрофобной поверхностью, на которых установлены электроды, исключаются пути утечки тока. При протекании импульсного тока через объект 8 в нем образуется канал пробоя и выделяется импульсная энергия, под действием которой материал объекта 8 разрушается. Thanks to the use of insulators with a hydrophobic surface on which electrodes are mounted, current leakage paths are eliminated. When a pulsed current flows through object 8, a breakdown channel is formed in it and pulsed energy is released, under the influence of which the material of object 8 is destroyed.

На фиг.2 и 3 показано изменение амплитуды переменного тока в контуре 1, 9, 6, 8, 7 при использовании в качестве объектов образцов из бетона толщиной 200 мм (фиг. 2) и гранита толщиной 65 мм (фиг.3). Для различных моментов включения датчиком 2 (фиг. 1) генератора 5 импульсов высокого напряжения (точки 1, 2, 3) проведен анализ характера разрушения образцов бетона и гранита. Результаты анализа характера разрушения при комбинированном воздействии приведены в таблице. Из таблицы следует, что при подаче сигнала датчиком на включение импульса тока высокого напряжения в то время, когда скорость изменения амплитуды переменного тока меньше нуля (точка 1), то разрушение объекта не наблюдается. Figure 2 and 3 shows the change in the amplitude of the alternating current in the circuit 1, 9, 6, 8, 7 when using samples of concrete made of 200 mm thick (Fig. 2) and granite 65 mm thick (Fig. 3). For various moments when the sensor 2 (Fig. 1) turned on the generator 5 of high-voltage pulses (points 1, 2, 3), an analysis was made of the nature of the destruction of concrete and granite samples. The results of the analysis of the nature of the destruction under combined exposure are shown in the table. It follows from the table that when a sensor feeds a signal to turn on a pulse of a high voltage current at a time when the rate of change of the amplitude of the alternating current is less than zero (point 1), then the destruction of the object is not observed.

Если в материале объекта при воздействии тока переменной частоты образуется канал электротеплового пробоя (точка 3), то последующее воздействие импульса тока высокого напряжения также не эффективно. Наибольшая эффективность процесса разрушения наблюдается тогда, когда импульс тока высокого напряжения подают на разрушаемый объект, когда скорость изменения переменного тока становится больше нуля (точка 2). If an electrothermal breakdown channel is formed in the material of an object when exposed to a variable frequency current (point 3), then the subsequent exposure to a high voltage current pulse is also not effective. The greatest efficiency of the destruction process is observed when a high voltage current pulse is applied to the object to be destroyed, when the rate of change of the alternating current becomes greater than zero (point 2).

Следовательно, наибольшая эффективность при комбинированном воздействии тока переменной частоты и импульсами тока высокого напряжения соответствует такому способу, когда импульс тока высокого напряжения подают на разрушаемый объект в то время, когда скорость изменения амплитуды тока становится больше нуля. Этот способ реализуется в устройстве, состоящем из источников тока переменной частоты и импульсов тока высокого напряжения, датчика тока, подключенного через компаратор к переключающему устройству, индуктивного фильтра с уровнем изоляции на величину амплитуды высоковольтного импульса, электродного устройства, каждый электрод которого устанавливается на изоляторе с гидрофобной поверхностью и имеет не менее трех степеней свободы. Therefore, the greatest efficiency with the combined action of a variable frequency current and high voltage current pulses corresponds to such a method when a high voltage current pulse is applied to a destructible object at a time when the rate of change of the current amplitude becomes greater than zero. This method is implemented in a device consisting of variable frequency current sources and high voltage current pulses, a current sensor connected through a comparator to a switching device, an inductive filter with an insulation level by the magnitude of the amplitude of the high voltage pulse, an electrode device, each electrode of which is mounted on a hydrophobic insulator surface and has at least three degrees of freedom.

Claims

1. Способ разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, преимущественно горных пород и бетонов, включающий последовательное воздействие переменного тока и импульсов тока высокого напряжения на материал, отличающийся тем, что импульс тока высокого напряжения подают на материал после превышения нуля скорости изменения амплитуды переменного тока. 1. The method of destruction of dielectric and semiconducting materials, mainly rocks and concrete, comprising the sequential action of alternating current and high voltage current pulses on a material, characterized in that a high voltage current pulse is applied to the material after exceeding zero the rate of change of the amplitude of the alternating current.

2. Устройство для разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, преимущественно горных пород и бетонов, содержащее электродную систему, высоковольтный электрод которой соединен с источником переменного тока и генератором высокого напряжения, и переключающее приспособление, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком тока с компонатором, подключенным к переключающему приспособлению. 2. A device for the destruction of dielectric and semiconducting materials, mainly rocks and concrete, containing an electrode system, a high voltage electrode of which is connected to an alternating current source and a high voltage generator, and a switching device, characterized in that it is equipped with a current sensor with a component connected to switching device.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено индивидуальным фильтром с уровнем изоляции на величину амплитуды высокольтного импульса, установленным на выходе источника переменного тока. 3. The device according to claim 2, characterized in that it is equipped with an individual filter with an insulation level by the magnitude of the amplitude of the high-voltage pulse installed at the output of the AC source.