CN104022495A - 一种撬棒保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种撬棒保护装置，包括控制及触发单元、构成撬棒通流路径的气体开关、供气至气体开关的气路单元。本发明设计了基于光纤隔离的撬棒保护装置控制及触发单元，增强了系统的抗干扰性，提高了新型撬棒保护装置工作的可靠性，保证撬棒保护装置的稳定触发控制与状态监测，从而更好的融入高压电源系统的协调工作。

Description

一种撬棒保护装置

技术领域

本发明涉及核聚变装置领域，具体为一种撬棒保护装置。

背景技术

随着托卡马克装置实验的不断发展，各类辅助加热系统扮演了越来越重要的角色，主要包括低杂波电流驱动及加热系统、电子回旋共振加热系统、离子回旋共振加热系统以及中性束注入加热系统等。

在上述这些辅助加热系统中，一般都需要高功率直流高压系统为其提供能量，通常要达到正或负30kVDC～90kVDC，系统总电功率一般几MW甚至几十MW。

尽管对于各类辅助加热系统负载有所不同，但是这类负载有一个共性，就是一般要求电源具备在极限故障下（如速调管过流或回旋管极间打火）能够进行微秒级快速检测故障电流并微秒级迅速分离电源能量(通常达到10J以下)以保证主要器件的安全。

目前对于这类快速保护有两种主要处理方式，一是利用高压电源系统自身的快速电流检测与关断电源的能力，另一种是利用外部开关器件旁路负载保护方式——撬棒，而高压电源自身的快速电流检测与关断能力主要用于快速关断电源，其缺点是无法避免线缆的分布参数储能对于负载故障电流的影响，而第二种方式——撬棒保护则正好可以弥补这一缺陷，撬棒装置一般安装于近负载侧，以最大限度的吸收故障电流能量从而减小对于负载的影响。

传统的撬棒保护装置是基于引燃管技术，作为导通大电流的开关，引燃管是一种比较成熟的技术，其通流能力强，触发电压范围宽，使用寿命长，但引燃管在多次导通以后，内部水银汽化逐渐凝固在管壁上无法自恢复，造成引燃管耐压逐渐降低而出现自闪（自导通），性能很不稳定，对于系统的正常运行有很大的影响，无法保证系统工作的可靠性，并且采用了重金属元素汞作为阴极，存在环境污染等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种撬棒保护装置，通过光纤的隔离控制，快速切除在负载打火时施加在负载两端的高压，转移负载故障电流，从而达到保护负载的目的，满足各种负载对于故障时吸收故障电流能量的最低要求。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种撬棒保护装置，其特征在于：包括控制及触发单元、构成撬棒通流路径的气体开关、供气至气体开关的气路单元；其中气体开关动作产生电信号，控制单元将气体开关产生的电信号转换为光信号后，采用光纤隔离传输至外部控制系统，同时控制单元采用光纤隔离接收外部控制系统发送的光复位信号，并将光复位信号转换为电信号以后实现故障复位，接收触发光信号并将其转换为触发电信号后再传送至触发单元，触发单元将控制单元送来的触发电信号进行隔离、放大、驱动后，产生高压触发气体开关导通。

所述的一种撬棒保护装置，其特征在于：还包括与气体开关连接的电流检测与比较单元，当高压电源输出电流超过负载保护阈值时，电流检测与比较单元自动产生触发信号触发撬棒导通，从而保护电源自身和负载。

本发明为EAST核聚变装置上4.6GHz低杂波系统的稳定运行提供了可靠的技术保障。可以有效的转移速调管打火时的故障电流，限制速调管吸收的故障电流能量，从而保障速调管的安全运行。

附图说明

图1为本发明组成结构示意图。

图2为本发明工作示意图。

图3中蓝色CH2为高压电源输出电压信号图。

图4为本发明控制单元原理图。

图5为本发明触发单元原理图。

图6为本发明电流检测与比较单元原理图。

具体实施方式

如图1、图2所示。一种撬棒保护装置，包括控制及触发单元、构成撬棒通流路径的气体开关、供气至气体开关的气路单元；其中气体开关动作产生电信号，控制单元将气体开关产生的电信号转换为光信号后，采用光纤隔离传输至外部控制系统，同时控制单元采用光纤隔离接收外部控制系统发送的光复位信号，并将光复位信号转换为电信号以后实现故障复位，接收触发光信号并将其转换为触发电信号后再传送至触发单元，触发单元将控制单元送来的触发电信号进行隔离、放大、驱动后，产生高压触发气体开关导通。

还包括与气体开关连接的电流检测与比较单元，当高压电源输出电流超过气体开关设置负载保护阈值时，电流检测与比较单元自动产生触发信号触发撬棒导通，从而保护电源自身和负载。

本发明中，气体开关由三个电极构成，分别是阳极（高压端）、阴极（地）和触发极，阳极和阴极之间构成高压通道，关断时承受高压，导通时承受大电流，触发极和阴极之间构成触发通道，控制阳极与阴极之间的开通与关断。

如图4所示。本发明中，控制单元由电光转换电路、光电转换电路构成，电光转换电路输入接收控制信号，并将控制信号转换为光信号后通过光纤输送至光电转换电路，光电转换电路将光信号转换为电信号后输出控制信号，控制单元用于接收光信号实现撬棒装置的控制、复位等操作。

    如图5所示，本发明中，触发单元由依次顺序连接的触发电路、放大及驱动电路、隔离电路构成，触发单元用于接收触发信号，进行放大及驱动以后，经过隔离电路隔离后送至气体开关的触发极，基本结构如下图所示。

如图6所示，本发明中，电流检测与比较单元由电流信号采样电路、比较电路、信号调理电路、电光转换电路构成。比较电路有两路输入，一路输入接入给定电流信号，另一路输入接入采样电流信号，给定电流信号、采样电流信号经过比较电路比较，当实际电流采样值超过给定电流值时，发出保护信号，保护信号经过信号调理电路处理后，由电光转换电路转换成光信号后通过光纤输送至撬棒，以触发撬棒动作。

随着耐烧蚀材料和气体开关技术的发展，出现了新型石墨型高能气体开关，其导通电流大，工作性能稳定，具有比较好的应用前景。本发明撬棒保护装置就是利用高能气体开关作为通流路径，并且设计相应的供气及控制、触发、隔离以及驱动装置等，实现其快速导通控制与状态监测、复位等功能，参与高压电源系统的基本运行与保护，达到快速切除高压、转移负载故障电流从而保护负载的目的。

本发明设计了基于光纤隔离的撬棒保护装置控制及触发单元，增强了系统的抗干扰性，提高了新型撬棒保护装置工作的可靠性，保证撬棒保护装置的稳定触发控制与状态监测，从而更好地融入高压电源系统的协调工作。

本发明设计了基于气体开关的撬棒装置通流路径，这是新型撬棒保护装置的核心所在，保证其电气参数、结构参数等满足高压电源系统的绝缘要求以及保护要求等。

本发明设计了撬棒装置的气路单元，这是保证新型撬棒保护装置稳定工作的重要条件之一，针对不同的工作电压实现气压的调整，以满足气体开关稳定触发导通的基本控制要求。

本发明设计了电流检测与比较单元，实现新型撬棒保护装置的远程自动化控制，当系统发生故障（如高压输出过流或者其他系统故障）时，比较单元自动发出触发信号触发撬棒导通，撬棒动作以后发出故障信号给控制系统，控制系统根据系统的逻辑控制要求实现联锁控制，保证整个系统的协调工作，从而使得撬棒装置的使用更为方便，更好的适应各种不同应用场合的需求。

如图1所述。控制及触发单元用于实现撬棒装置的基本控制功能，控制单元主要包括触发控制、复位操作以及状态返回等，为了保证设备与操作人员的安全，控制信号全部采用光纤隔离传输，控制单元接收外部的光触发信号并将其转换为电信号送至触发单元，气体开关动作以后产生一个故障信号，控制单元将该电信号转换为光信号输出至外部控制系统，用于系统联锁控制，同时控制单元可以接收外部控制系统发来的光复位信号，将其转换为电信号以后用于开关的状态复位，触发单元主要实现气体开关的触发控制，将控制单元送来的触发信号进行隔离、放大及驱动，最终产生约10kV的高压触发气体开关导通。

气体开关为撬棒通流的主要路径，承载负载故障时的短时大电流，从而到达转移负载故障电流的目的。

气路单元为气体开关提供工作气体——干燥空气，并且根据工作电压的变化调整输出气压，保证气体开关的稳定触发导通。

为了适应系统的远程自动化控制需求，还设计了电流检测与比较单元，实现过流保护功能，当高压电源输出电流超过设置阈值时自动触发撬棒导通，从而保护电源自身和负载，如图2所示。

目前这一新型撬棒保护装置已经在EAST核聚变装置4.6GHz低杂波系统中得到应用，高压电源额定输出为50kVDC/75A，利用熔丝（0.125mm/15cm）试验验证了该新型撬棒保护装置的工作性能，高压电源在额定参数工况下保护时熔丝工作正常不熔断，证明在整个故障保护过程中通过熔丝及开关的能量小于10J的要求，可以有效地转移打火时速调管的故障电流从而起到保护负载的作用。

如图3所示。图3中蓝色CH2为高压电源输出电压信号，绿色CH4为高压电源输出电流信号。在正常工作情况下，高压电源输出45kVDC/64A，假负载电阻值为700欧姆；当由于外部故障触发撬棒导通时，高压输出电压在5uS内降到0，输出电流由负载支路转移至撬棒支路，同时电流在6uS内增加至峰值约150A，高压电源具有输出过流保护功能，保护阈值设置为85A，因此当输出电流达到85A时，高压电源已经在执行关闭电源，但是由于电流检测、判断以及执行操作具有约5uS的延时，从波形上看出电流有一个从稳态值约70A上冲至峰值约150A的过程，达到峰值以后输出电流在50uS以内下降到0。从70A上升至峰值150A再下降至0A，整个过程经历了约55uS，在此过程中熔丝承受短时大电流并且没有熔断，经过解析计算其承受的能量不超过为2J，满足速调管对于故障时吸收能量小于10J的要求。

Claims (2)

1.一种撬棒保护装置，其特征在于：包括控制及触发单元、构成撬棒通流路径的气体开关、供气至气体开关的气路单元；其中气体开关动作产生电信号，控制单元将气体开关产生的电信号转换为光信号后，采用光纤隔离传输至外部控制系统，同时控制单元采用光纤隔离接收外部控制系统发送的光复位信号，并将光复位信号转换为电信号以后实现故障复位，接收触发光信号并将其转换为触发电信号后再传送至触发单元，触发单元将控制单元送来的触发电信号进行隔离、放大、驱动后，产生高压触发气体开关导通。

2.根据权利要求1所述的一种撬棒保护装置，其特征在于：还包括与气体开关连接的电流检测与比较单元，当高压电源输出电流超过负载保护阈值时，电流检测与比较单元自动产生触发信号触发撬棒导通，从而保护电源自身和负载。