用于模拟室内诱发地震的超高压放电开关的制作方法

1.本发明涉及放电开关技术领域，具体涉及用于模拟室内诱发地震的超高压放电开关。


背景技术：

2.人类活动引起的局部地区异常地震活动等非天然地震称为诱发地震。目前已发现的能诱发地震的活动包括水库蓄水、注水抽水，采矿和地下核爆炸等。一般情况下，对于2-4级天然地震，人们通常不会感觉到，但是对于震级相当的诱发地震而言，其往往会造成比较严重的后果。目前，在诱发地震当中，矿震占据的比例最大约为38％，而且矿震的危害也往往比较大。采矿过程中的岩爆、岩崩、瓦斯突出、矿井塌陷，包括开采过后留下的采空区发生塌陷，都能引发矿震，这会对在矿区作业的工人造成严重的人身危害。在非天然地震等诱发地震中，占据第二的是水库地震；而在世界范围内，危害最严重的水库地震事件是1967年12月11日印度的柯伊纳水库6.3级地震导致180人死亡和2000多人受伤。此外，水库地震的实际发生率会随着水库大坝的增高而逐渐增加，也会严重危害水库坝体的安全运营。危化品是石化、医药、日化等行业不可或缺的原料，这些危险材料在运输过程中均存在发生化学爆炸的风险，继而引起非天然地震的诱发地震事件。除了以上诱发地震外，地热和油气开采、废水注入、二氧化碳储存等工程都可能诱发一定级别的诱发地震，特别是近年来四川等地的油气开采造成的人工诱发地震，虽然地震等级较小，但其也造成了开采区地面沉降等问题，影响了矿区人民的生活。
3.相较于与地壳构造活动有关的天然地震而言，诱发地震都直接或者间接地与人类活动有关，二者在发震规律等方面也有明显差别。目前，关于天然地震的发震机理、地震波传播规律、地震预警等方面研究比较多，但是对于诱发地震而言，这方面的研究比较少。比如在水库诱发地震方面，水力压裂诱发地震的触发机理、构造环境与水力压裂诱发地震的关系、以及水力压裂诱发地震能否被预测等研究尚待进一步做深，而为了进一步揭示诱发地震的发震规律等，就需要在实验室条件下建立一套可以模拟人工诱发地震的实验装置。其中，近年来比较新颖的一种触发岩石断层滑动继而模拟实验室条件下的人工诱发地震的手段是利用电爆炸法，其原理是用超高压电脉冲流过金属丝的瞬间，使得金属丝高温等离子化爆炸，继而产生局部的冲击波去触发岩石断层滑动，但在这个过程中，如何去控制超高压电脉冲在金属丝上的加载点时间和过程等往往不可控。为详细研究不同种类的岩石断层在不同应力加载条件下的的不同滑动失稳模拟人工诱发地震的过程，就需要一种可控的超高压放电开关从而可以去控制何时加载高压电脉冲在放电金属丝上去触发岩石断层滑动。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种用于模拟室内诱发地震的超高压放电开关，采用如下技术方案：
5.包括用于将用户输入的放电开关使能信号隔离的电压隔离控制部分、接收经电压
隔离控制部分隔离后的使能信号的电压脉冲点火触发装置、接收电压脉冲点火触发装置输出的电压脉冲的隔离变压开关以及接收经隔离变压开关隔离变送后的电压的真空放电管。
6.进一步地，所述电压隔离控制部分包括由输入端口p4、光耦u2、电容c2、电阻r19、电阻r21组成的隔离电压触发电路和由输出端口p3、光耦u1、三极管q4、电容c1、电阻r14、电阻r15、二极管d7、二极管d8、二极管d9、电阻r12、电阻r20、电容c14组成的电压脉冲点火触发装置的状态监控隔离输出电路，其中，输入端口p4连接电阻r21，电阻r21连接光耦u2，光耦u2连接电容c2、电阻r19和电源；输出端口p3连接电源和光耦u1，光耦u1 连接电阻r20，电阻r20连接电源、电容c1和三极管q4，三极管q4连接电阻r15、电阻r14、电源和电容c1，电阻r14连接电阻r15、电容c14和电阻r12，电容c14连接电阻r12，电阻 r12连接二极管d7，二极管d7连接二极管d8和二极管d9，二极管d9连接电源和二极管d8。
7.进一步地，所述电阻r12和电容c14组成滤波电路以将电阻r12上电平中的高频噪声滤除，所述电阻r14和电阻r15组成分压电路以将滤波后的电平分压并作用于三极管q4的基极进而触发三极管q4导通。
8.进一步地，所述电压脉冲点火触发装置包括变压器t4、电阻r16、三极管q5、电容c17、电容c18、二极管d10、二极管d12、电阻r17、单向可控硅q6、电容c15、二极管d11、电阻r18和变压器t5，其中，三极管q5连接电源、电阻r16和变压器t4，电阻r16连接变压器t4，变压器t4连接电容c17、二极管d12、电容c18、电阻r17、单向可控硅q6、电阻r18、二极管d11和变压器t5，电容c17连接二极管d10和二极管d12，二极管d12连接二极管d10、电容c18、电阻r17、单向可控硅q6、电阻r18、二极管d11和变压器t5，二极管d10连接二极管d8、电容c18、电阻r17、单向可控硅q6、二极管d11和电容c15，电容c18连接二极管d8、电阻r17、单向可控硅q6、电阻r18、二极管d11、电容c15和变压器t5，电阻r17 连接二极管d8、单向可控硅q6、电阻r18、二极管d11、电容c15和变压器t5，单向可控硅 q6连接电阻r18、二极管d11、电容c15、电阻r19和变压器t5，电阻r18连接电阻r19、二极管d11和变压器t5，二极管d11连接电容c15和变压器t5，电容c15连接变压器t5。
9.进一步地，所述变压器t4、三极管q5和电阻r16组成振荡升压电路，二极管d10、二极管d12、电容c17和电容c18组成倍压整流电路以将变压器t4的副边输出的交流电压抬升并整流为直流电压。
10.进一步地，所述电阻r17并联于电容c18两端组成滤波电路以滤除直流电压中的高频噪声，单向可控硅q6、电容c15、二极管d11和变压器t5组成脉冲点火装置，电容c15为交流耦合电容。
11.进一步地，所述真空放电管包括真空放电管ds1和真空放电管ds3。
12.进一步地，所述隔离变压开关包括真空放电管ds3、电容c19、电容c16和变压器t6，其中，真空放电管ds3连接变压器t5、电容c19和电容c16，电容c19和电容c16均连接变压器t5和变压器t6。
13.进一步地，所述所述变压器t6为超微晶磁环隔离变压器，其由超微晶磁环和4平方单股绝缘铜线绕制而成，所述变压器t6的原边和副边绕制比例为1:1。
14.进一步地，所述真空放电管ds1与储能电容hvc1、金属丝w1组成电压脉冲放电回路，其中，真空放电管ds1、变压器t6、储能电容hvc1和金属丝w1串联连接。
15.该超高压放电开关的工作原理为：
16.电压脉冲点火使能输入端口p4、光耦u2、电容c2、电阻r19、电阻r21组成隔离低压触发电路，p4端作为高压脉冲点火使能输入端口，其通常输入为高电平(cmos或者ttl电平) 当其输入一个低电平并通过电阻r21作用于光耦u2内部的发光二极管使其关断进而触发光耦 u2输出端晶体管断开，之后光耦u2输出端的直流电源vcc_low会通过电阻r19、电阻r18进行分压(分压电平能够使单向可控硅q6可靠导通)，电阻r21为限流电阻；电压脉冲点火触发装置的状态输出端口p3、光耦u1、三极管q4、电容c1、电阻r14、电阻r15、二极管d7、二极管d8、二极管d9、电阻r12、电容c14组成高压脉冲点火触发装置的状态监控隔离输出电路，二极管d8为双向瞬态抑制二极管(tvs管)，其将电阻r17两端的高压抑制到二极管d8 的钳位电压水平左右，二极管d7和二极管d9进一步将二极管d8两端的高压限制到直流电源 vcc_low水平(电阻r12两端电压)，指示前端的振荡升压电路和倍压整流电路充电完毕；电阻r12和电容c14组成低通滤波电路将电阻r12上的直流电源vcc_low电平中的高频噪声滤除，电阻r14和电阻r15组成分压电路将滤波后的直流电源vcc_low电平分压到能够饱和导通三极管q4的电压水平促使三极管q4导通，三极管q4导通后，电阻r20端的电平为低使得光耦u1内部的发光二极管关断继而光耦u1输出端的晶体管关断，从而输出端口p3输出高电平(电平幅值等于电源vcc_low)，即完成指示前端的振荡升压电路和倍压整流电路充电完毕的功能，同时也和前端的振荡升压电路和倍压整流电路的高压部分隔离开来；输出端口p3 是高压脉冲点火触发装置的状态输出端口，电阻r20为光耦芯片的外部限流电阻，将输入光耦芯片内部的电流限制在合适范围内，防止光耦烧毁，电阻r21功能同电阻r20，电容c1为三极管q4的电源旁路电容；
17.高压脉冲点火触发装置由变压器t4、电阻r16、三极管q5、电容c17、电容c18、二极管d10、二极管d12、电阻r17、单向可控硅q6、电容c15、电阻d11和变压器t5组成，变压器t4、三极管q5和电阻r16组成振荡升压电路，直流电源vcc_low经振动升压后耦合至变压器t4副边并输出一个交流高压，二极管d10、二极管d12、电容c17和电容c18组成倍压整流电路将变压器t4副边输出的交流高压电平抬升为2倍并整流为直流高压(电阻r17两端)；电阻r17并联于高压电容c18两端组成低通滤波电路滤除直流高压中的高频噪声，同时也限制后续放电点火时的放电电流；单向可控硅q6、电容c15、二极管d11和变压器t5组成脉冲点火装置，当单向可控硅q6导通后，电阻r17两端的直流高压通过电容c15、变压器t5 的原边和二极管d6组成一个放电回路，进而在放电回路中出现一个由直流高压至0v的放电脉冲，脉冲宽度与单向可控硅q6导通时间有关，快速恢复二极管d11为续流二极管，防止因变压器t5原边为感性负载而引起的反向电动势击穿单向可控硅q6，电容c15为交流耦合电容，防止电阻r17两端的直流高压串扰至变压器t5副边；
18.真空放电管ds3、电容c19、电容c16和变压器t6组成超微晶磁环隔离变压开关，变压器t5原边的放电脉冲在耦合至变压器t5副边后，由于变压器t5副边输出的变压后的放电脉冲瞬时电流较小并不足以去触发真空放电管ds1导通，故电路在变压器t5的副边并联一个真空放电管ds3，让其作为变压器t5副边输出的高压放电脉冲的一个放电回路，并提供一个较高的瞬时电流叠加在变压器t6原边上保证每次用户给出的低压使能脉冲信号都能使真空放电管ds1导通，电容c19和电容c16为交流耦合电容，滤除直流高压，变压器t6为超微晶磁环隔离变压器，超微晶磁环隔离变压开关副边输出高压触发脉冲触发真空放电管ds1导通后使得真空放电管ds1、金属丝w1和储能电容hvc1组成一个超高压脉冲放电回路，回路
中的超高压放电脉冲会击爆金属丝w1。
19.有益效果
20.与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
21.1.本发明的超高压放电开关，其可以控制电爆炸法中的金属丝在何时爆炸，使其具备可控性，继而可以在精确到ms级别的时间精度，可以精确地控制动态冲击的触发时间，这为详细研究不同工况下诱发地震的发生机制提供了一种相对便捷且环保的技术手段，比以往使用炸药触发更具可可控性和操作安全性。
22.2.本发明的超高压放电开关具备全隔离设计，可重复使用，而且使用的安全性和使用寿命都有极大的保障。全隔离的低压输入触发和低压状态信号输出设计不仅可以为用户提供实时监控整个放电开关的放电状态，而且可以方便用户采用通用的低压控制设备去控制放电开关的闭合和断开，通用性强，使用便捷。
附图说明
23.下面结合附图对本发明进行详细的说明。
24.图1为根据本发明的超高压放电开关电路示意图；
25.图2为根据本发明的实施例的超高压放电开关电路示意图；
26.图3为根据本发明的实施例的超微晶磁环隔离变压器绕制方式示意图。
具体实施方式
27.现结合附图详细描述根据本发明的实施例。
28.参照图1-3，图2为图1的具体实施电路图，图2中，三极管q5为bc489，电阻r16为 1k欧姆电阻，直流电源vcc_low为5v，变压器t4为通用中心抽头变压器ee19，其2个原边和1个副边变压比为35:9:1700，因此三极管q5、电阻r16和变压器t4组成的振荡升压电路输出的副边高压电约为193.2v。变压器t4副边高压电经2个高压整流二极管1n4007(二极管d10、二极管d12)和2个高压瓷片电容0.1uf/1kv(电容c17、电容c18)组成的倍压整流电路进一步电压提升至386.4v并整形为高压直流。电阻r17为1m欧姆，其与1n4007高压二极管 d7、d9和双向瞬态抑制二极管d8(p6ke300ca)将电阻r12(30k电阻)上电压限制在5v，再经电阻r14(4.7k)、电阻r15(1k)分压为0.8v低压直流电去控制三极管q4(s9013c)的导通。电容c14为0.1uf/1kv高压瓷片电容，其与电阻r12组成低通滤波电路，滤除分压电路中的电压纹波，稳定三极管q4基极电压，电容c1为0.1uf/1kv高压瓷片电容，作为光耦u1(tlp116a) 的5v电源的旁路电容，光耦u1导通后会输出一个大约5v的高电平信号指示此放电开关的高压触发源已准备好，放电开关可以接收来自用户端的cmos或者ttl电压水平的开关闭合使能信号。
29.此外，图2中输入端口p4作为用户端的开关闭合使能信号的输入端口接收cmos或者ttl 电压水平的使能脉冲信号(0v低电平有效)去关闭光耦u2(tlp116a)内部的发光二极管，从而使得其输出端的晶体管关断，这样5v电源和10k电阻r19、4.7k电阻r18组成完整的分压通路将5v直流电分压约为1.6v，输入q6单向可控硅mcr100-8的控制极将其打开，二极管d11 为快速恢复二极管us1m，c15为0.1uf/1kv高压瓷片电容，它们组成的续流电路将快速吸收单向可控硅q6、电容c15、变压器t5原边组成的高压放电回路中的放电电流，促使q6单向可控硅快速关断为下一次用户输入的低压使能脉冲信号做好准备。变压器t5为ee19变
压器，其2个原边串联，使得变压器的原副边变压为44:1700，当单向可控硅q6导通后，单向可控硅q6、电容c15、变压器t5原边组成的高压放电回路中存在的300v高压放电脉冲经电容c15 和变压器t5原边交流耦合至变压器t5的副边并电压抬升为11.59kv的超高压放电脉冲，此超高压放电脉冲再经2个超高压瓷片电容150pf/30kv输出耦合至超微晶隔离变压器t6的原边，由于变压后的11.59kv高压的瞬时电流较小并不足以去触发真空放电管ds1(y08sv-602b) 导通，故电路在变压器t5的副边并联一个真空放电管ds3 y08sv-602b，让其作为11.59kv 高压的一个放电回路，并提供一个较高的瞬时电流叠加在超微晶隔离变压器t6原边上保证每次用户给出的低压使能脉冲命令都能使真空放电管ds1导通。超微晶隔离变压器t6的原副边比为1:1，11.59kv的超高压放电脉冲按1:1比例输出耦合至超微晶隔离变压器t6副边(此超高压放电脉冲的电流经过真空放电管ds3的放大，足够迫使真空放电管ds1导通)，超微晶隔离变压器t6副边、真空放电管ds1和金属丝w1以及高压储能电容hvc1串联作为金属丝w1 放电爆炸回路，高压储能电容hvc1为0.1uf/5kv，其平时储存从外部高压直流电源(最高5kv 直流电，外部高压直流电电压水平不能超过高压储能电容hvc1最高可以承受的储能电压水平 5kv)来的电能作为金属丝w1的爆炸能量源，真空放电管ds1在受到超微晶隔离变压器t6副边输出的瞬时大电流高压电脉冲(脉冲电压幅度为11.59kv)的影响而导通从而使高压储能电容hvc1中存储的电能通过超微晶隔离变压器t6副边、真空放电管ds1作用于金属丝w1上并迫使金属丝w1等离子化爆炸，此等离子化爆炸过程中真空放电管ds1两端通过的放电电压大约为几kv～十几kv，放电电流大约为几ka～十几ka，金属丝w1上的等离子化爆炸放电过程持续时间大约为us级别。金属丝w1以使用直径0.025mm的镍丝或者其他直径相当的金属丝，在每次爆炸后都应当更换。
30.图3中的超微晶隔离变压器采用40mm
×
60mm
×
20mm的环形超微晶磁环和4平方单股绝缘铜线组成，该环形超微晶磁环的内圆半径为40mm，外圆半径为60mm，高为20mm，其绕制方式为单股分布式绕制，原边和副边的绕制圈数都为10圈，比例为1:1。
31.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
32.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。