CN109378251B - 用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关 - Google Patents

用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关 Download PDF

Info

Publication number
CN109378251B
CN109378251B CN201811078865.4A CN201811078865A CN109378251B CN 109378251 B CN109378251 B CN 109378251B CN 201811078865 A CN201811078865 A CN 201811078865A CN 109378251 B CN109378251 B CN 109378251B
Authority
CN
China
Prior art keywords
explosive
conductive
circular copper
copper ring
power supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811078865.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109378251A (zh
Inventor
汤存文
宋执权
李华
何鋆
张�杰
汤伦军
郑志云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Original Assignee
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei Institutes of Physical Science of CAS filed Critical Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority to CN201811078865.4A priority Critical patent/CN109378251B/zh
Publication of CN109378251A publication Critical patent/CN109378251A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109378251B publication Critical patent/CN109378251B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/62—Heating or cooling of contacts

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关，包括有主触头系统和弧触头系统，所述的主触头系统包括有切割环氧筒、炸药一和导电圆铜盘，所述的炸药一安装在切割环氧筒的上面，切割环氧筒位于导电圆铜盘的上面；所述的弧触头系统包括有多层切割环氧片、炸药二和导电圆铜环，所述的炸药二安装在导电圆铜环内部中心，多层切割环氧片上下等距安装排列在导电圆铜环的外侧，所述的导电圆铜盘和导电圆铜环之间通过导电柱连接。本发明采用特制结构的黑索金炸药爆轰驱动，能够有效应用于主、弧触头分断受结构设计影响的场合。同时，使用新型触发引爆装置，确保开关在复杂磁场和恶劣辐照工作条件下能够安全可靠触发分断。

Description

用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关
技术领域
本发明涉及全超导托卡马克核聚变实验装置磁体电源系统技术领域，尤其涉及一种用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关。
背景技术
全超导托卡马克核聚变实验装置磁体电源系统主要包括纵场电源系统(TF)和极向场电源系统(PF)。随着托克马克工程技术的发展和对等离子体控制要求的提升，对超导磁体电源系统的要求也越来越高。超导磁体电源系统的工作特点可总结如下：为超导线圈提供任意波形的电流，满足等离子体快速控制要求以及多扰动场控制需求；为超导磁体提供可靠的大电流传输路径，并能够实现长时间甚至稳态运行；具有高重复性的SNU开关网络激发、建立等离子体；故障下可提供稳定可靠的磁体能量泄放回路，隔离电源系统；失超时可快速释放高储能磁体能量的FDU失超保护单元。
失超保护系统的主要作用是当磁体发生失超时，迅速断开主回路，将超导线圈储存的巨大磁场能量快速转移出来，避免超导线圈损坏。随着现代极向场电源系统的参数提升，磁体失超的危害性也越来越大，新型失超保护系统的研制迫在眉睫。新型大功率爆炸开关是用于全超导托卡马克核聚变实验装置磁体电源系统失超保护开关单元的主要设备之一，作为最后一极磁体失超保护动作开关，其重要性不言而喻。
新型大功率爆炸开关是一种黑索金炸药驱动的特种机械开关，其优点在于分断响应速度极快、分断可靠性高并且造价成本相对较低、维护方便等。此外，炸药爆炸分断的特点使其能够应用于一般直流快速断路器不能应用的特殊环境中。但是其存在的主要问题是它使用炸药与雷管分断，虽然黑索金炸药的化学性质非常稳定，但依然存在一定的危险性。另外爆炸分断后需要一定时间更换部分炸坏的配件，增加了使用的麻烦和时间的限制。因此，爆炸开关常应用在全超导托卡马克核聚变实验装置磁体电源系统的后备保护开关系统和大型储能脉冲电源系统中。
新型大功率爆炸开关的主要特点包括：额定电流稳态工作下，爆炸开关温升满足设计要求，且不发生误动作；具有快速可靠的分断能力，并能够承受断口恢复电压，使电源系统和超导线圈安全可靠的隔离。由于受控核聚变装置超导磁体电源系统的大功率爆炸开关属于非标特种设备，与传统的机械短路器存在着很大的差别，因此需要自行设计，并制作样机测试，完成爆炸开关的产品化。为中国全超导托卡马克核聚变实验装置磁体电源系统的顺利运行提供重要的技术保障。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关，包括有主触头系统和弧触头系统，所述的主触头系统包括有切割环氧筒、炸药一和导电圆铜盘，所述的炸药一安装在切割环氧筒的上面，切割环氧筒位于导电圆铜盘的上面；所述的弧触头系统包括有多层切割环氧片、炸药二和导电圆铜环，所述的炸药二安装在导电圆铜环内部中心，多层切割环氧片上下等距安装排列在导电圆铜环的外侧，所述的导电圆铜盘和导电圆铜环之间通过导电柱连接。
在所述的导电圆铜盘的下面设置有圆环形冷却水槽，冷却水槽内有去离子水。
所述的炸药一为压缩圆饼状黑索金炸药，水平安装在切割环氧筒的上方。这一结构和安装方法在引爆后可以产生非常大的径向爆轰力，推动切割环氧筒向下运动切断导电回路。
在所述的导电圆铜环的里面开有多个螺纹状引水通道，在导电圆铜环的下面安装有去离子水引导装置，去离子水引导装置将去离子水引到多个螺纹状引水通道内。
所述的炸药二采用压缩的非等线密度圆柱状炸药结构的黑索金炸药，两端的直径大于中间部分的直径，竖直的安装在导电圆铜环的中心。引爆后炸药二中间位置爆轰力向水平方向推动铜环向外运动，二端则在经过上下爆轰波反射弧后同样推动铜环向外运动。并在外部切割环氧片作用下断裂。
本发明的优点是：本发明采用特制结构的黑索金炸药爆轰驱动，能够有效应用于主、弧触头分断受结构设计影响的场合。同时，使用新型触发引爆装置，确保开关在复杂磁场和恶劣辐照工作条件下能够安全可靠触发分断。此外，去离子水经引流装置和圆环形散热结构提升散热功率，提升开关工作状态下的通流密度。
附图说明
图1为本发明应用在电源系统主回路中电路图。
图2为主触头系统左半部分结构图。
图3为冷却水槽结构图。
图4为导电圆铜环与切割环氧片的结构图。
图5为导电圆铜环与离子水引导装置安装结构图。
图6为炸药二结构图。
图7为不锈钢电阻结构图。
具体实施方式
如图2、4所示，一种用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关，包括有主触头系统和弧触头系统，所述的主触头系统包括有切割环氧筒1、炸药一和导电圆铜盘2，所述的炸药一安装在切割环氧筒1的上面，切割环氧筒1位于导电圆铜盘2的上面；所述的弧触头系统包括有多层切割环氧片3、炸药二4和导电圆铜环5，所述的炸药二4安装在导电圆铜环5内部中心，多层切割环氧片3上下等距安装排列在导电圆铜环5的外侧，所述的导电圆铜盘2和导电圆铜环5之间通过导电柱连接。
如图3所示，在所述的导电圆铜盘2的下面设置有圆环形冷却水槽6，冷却水槽6内有去离子水。
所述的炸药一为压缩圆饼状黑索金炸药，水平安装在切割环氧筒的1上方。这一结构和安装方法在引爆后可以产生非常大的径向爆轰力，推动切割环氧筒向下运动切断导电回路。
如图5所示，在所述的导电圆铜环5的里面开有多个螺纹状引水通道7，在导电圆铜环5的下面安装有去离子水引导装置8，去离子水引导装置8将去离子水引到多个螺纹状引水通道7内。
如图6所示，所述的炸药二4采用压缩的非等线密度圆柱状炸药结构的黑索金炸药，两端的直径大于中间部分的直径，竖直的安装在导电圆铜环5的中心。引爆后炸药二4中间位置爆轰力向水平方向推动铜环向外运动，二端则在经过上下爆轰波反射弧后同样推动铜环向外运动。并在外部切割环氧片作用下断裂。
主触头与上导电回路相连，弧触头与下导电回路相连。主触头与弧触头串联，中间以导电柱连接。爆炸开关与机械式快速断路器串联在回路中，并与其共用换流泄放回路，换流泄放回路并联在开关系统上。
本发明的工作原理如下：
参见图1，爆炸开关安装在电源系统主回路中，换流泄放回路并联于失超保护开关系统回路。正常工作状态下，爆炸开关承受额定工作电流，一旦发生失超事故，且机械式快速断路器未能及时分断回路时，爆炸开关发生分断动作，电流向并联的换流泄放回路转移，磁体能量在移能电阻上消耗，保护磁体的安全。
考虑到炸药爆轰冲击力分断切隔离开关回路的物理特性，主触头采用圆形结构。正常工作状态下，主触头需承受稳态工作电流，分断时，切割环氧筒1将圆形触头切割出一圆环形空隙，分断开关主触头。主触头主要用于承受端口恢复电压，根据电压等级的不同，选用不同尺寸的绝缘筒。主触头采用圆饼型黑索金炸药结构，并水平安装在切割环氧筒的上方。起爆时，黑索金炸药产生非常大的径向爆轰冲击压力，向下推动切割环氧筒分断爆炸开关主触头。主触头采用圆环形冷却水槽结构，因爆炸开关分断要求冷却水系统不能与主触头直接对流散热，主触头以及主触头与上导电回路接触电阻产生的焦耳热通量只能通过热传导传递至水冷系统，因此采用圆环形水路覆盖增加其散热能力。
与常规的机械式直流快速断路器不同，爆炸开关弧触头同样需要承受稳态工作电流，考虑炸药爆轰冲击力分断开关的物理特性，和起弧熄灭的需要，弧触头采用圆筒型结构。分断时，炸药爆轰力推在弧触头在外围切割环氧片作用下多段同时拉开，并开始燃弧。弧触头采用非等线密度圆柱状炸药结构，中间较细，二端稍粗。竖直安装在导电圆铜环的中心。引爆后炸药中间位置爆轰力向水平方向推动铜环向外运动，二端则在经过上下爆轰波反射弧后同样推动铜环向外运动，分断弧触头。弧触头的焦耳热功率非常高，故将其整体作为开关的水冷管道，去离子水经弧触头下端的底部进入，并在进入弧触头前通过去离子水引流装置引导，使去离子水进入螺纹状引水通道后，通过弧触头内表面流入弧触头，且在弧触头内部形成旋转涡流，极大的提升了去离子水与弧触头的接触速率，开关的通流能力大大增加。而且在开关分断时，去离子水随炸药爆轰波一起高速向外喷洒，熄灭电弧。此外，通过调整切割环氧片的个数、间距以及其弧形结构以适用于不同的电流等级。
参见图7，换流泄放回路有二种材料结构，一种是不锈钢电阻结构9，一种是陶瓷电阻结构。二种电阻结构均多次串并联以适应系统需求。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关，其特征在于：包括有主触头系统和弧触头系统，所述的主触头系统包括有切割环氧筒、炸药一和导电圆铜盘，所述的炸药一安装在切割环氧筒的上面，切割环氧筒位于导电圆铜盘的上面；所述的弧触头系统包括有多层切割环氧片、炸药二和导电圆铜环，所述的炸药二安装在导电圆铜环内部中心，多层切割环氧片上下等距安装排列在导电圆铜环的外侧，所述的导电圆铜盘和导电圆铜环之间通过导电柱连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关，其特征在于：在所述的导电圆铜盘的下面设置有圆环形冷却水槽，冷却水槽内有去离子水。
3.根据权利要求2所述的一种用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关，其特征在于：所述的炸药一为压缩圆饼状黑索金炸药，水平安装在切割环氧筒的上方。
4.根据权利要求1所述的一种用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关，其特征在于：在所述的导电圆铜环的里面开有多个螺纹状引水通道，在导电圆铜环的下面安装有去离子水引导装置，去离子水引导装置将去离子水引到多个螺纹状引水通道内。
5.根据权利要求4所述的一种用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关，其特征在于：所述的炸药二采用压缩的非等线密度圆柱状炸药结构的黑索金炸药，两端的直径大于中间部分的直径，竖直的安装在导电圆铜环的中心。
CN201811078865.4A 2018-09-17 2018-09-17 用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关 Active CN109378251B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811078865.4A CN109378251B (zh) 2018-09-17 2018-09-17 用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811078865.4A CN109378251B (zh) 2018-09-17 2018-09-17 用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109378251A CN109378251A (zh) 2019-02-22
CN109378251B true CN109378251B (zh) 2020-04-24

Family

ID=65404645

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811078865.4A Active CN109378251B (zh) 2018-09-17 2018-09-17 用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109378251B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111541222B (zh) * 2020-06-05 2022-06-17 南京工程学院 一种大功率托卡马克装置磁体电源系统失超保护开关
CN113097026B (zh) * 2021-04-06 2023-12-19 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103618043A (zh) * 2012-12-12 2014-03-05 西南交通大学 一种用于超导线圈的超导开关
CN105977088A (zh) * 2016-03-08 2016-09-28 中国科学院等离子体物理研究所 一种用于开断大电流的爆炸式高压断路器
CN106169395A (zh) * 2016-07-29 2016-11-30 中国科学技术大学 一种基于环向聚能射流的爆炸开关
CN106298363A (zh) * 2016-09-30 2017-01-04 华中科技大学 一种基于脉冲电磁力的爆炸型直流断路器
CN206209084U (zh) * 2016-12-05 2017-05-31 潍坊新力超导磁电科技有限公司 一种用于超导磁共振磁体的真空封堵组件
CN106767182A (zh) * 2017-03-23 2017-05-31 中国科学技术大学 一种基于多面聚能射流的爆炸开关

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9884788B2 (en) * 2014-01-31 2018-02-06 Rutgers, The State University Of New Jersey Method for producing low porosity nonoxide ceramics

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103618043A (zh) * 2012-12-12 2014-03-05 西南交通大学 一种用于超导线圈的超导开关
CN105977088A (zh) * 2016-03-08 2016-09-28 中国科学院等离子体物理研究所 一种用于开断大电流的爆炸式高压断路器
CN106169395A (zh) * 2016-07-29 2016-11-30 中国科学技术大学 一种基于环向聚能射流的爆炸开关
CN106298363A (zh) * 2016-09-30 2017-01-04 华中科技大学 一种基于脉冲电磁力的爆炸型直流断路器
CN206209084U (zh) * 2016-12-05 2017-05-31 潍坊新力超导磁电科技有限公司 一种用于超导磁共振磁体的真空封堵组件
CN106767182A (zh) * 2017-03-23 2017-05-31 中国科学技术大学 一种基于多面聚能射流的爆炸开关

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
失超保护开关;宋执权等;《电气开关》;20061231;P1-P3 *
爆炸开关系统的研制;宋执权等;《高压电器》;20050831;第41卷(第4期);P245-P248 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109378251A (zh) 2019-02-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106026059B (zh) 一种基于绝缘挡板的液态金属限流装置和方法
CN101651323B (zh) 一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置、方法及应用
CN109378251B (zh) 用于全超导托卡马克核聚变实验磁体电源系统的爆炸开关
CN107507746B (zh) 一种液态金属限流装置及方法
CN102881493B (zh) 电磁涡流斥力快速灭弧开关
WO2022121232A1 (zh) 一种机械打断及熔断组合多断口激励熔断器
CN106716591B (zh) 一种用于被保护装置的熔断器
CN201426033Y (zh) 一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置
EP4033510A1 (en) Mechanical breaking and fusing combined multi-fracture excitation fuse
CN203056371U (zh) 喷气式并联间隙装置
EP0210778B1 (en) Fuse for an alternating current power circuit
CN114629001A (zh) 一种反冲结构固电和液电效应灭弧装置及其方法
CN105405707A (zh) 气体绝缘负荷开关及其灭弧装置
CN201868836U (zh) 一种利用组合磁铁的双流体自恢复断路装置
CN100501895C (zh) 新型爆炸断路器
CN108448551B (zh) 一种交流限流器及其限流方法
Milani et al. Fusion applications of large DC-current interruption units
CN201936802U (zh) 固封极柱专用散热出线座
CN110311354A (zh) 一种中压大容量混合直流断路器及限流分断方法
CN105071363A (zh) Spd后备保护器
CN201425916Y (zh) 一种纵向磁场息弧装置及气体绝缘负荷开关
CN107993889B (zh) 70kA/20kV失超保护系统中的双级式爆炸开关
CN112614735B (zh) 一种户外高压真空断路器
CN217719273U (zh) 一种牵引变压器保护装置
CN204271031U (zh) 一种自储能高压跌落式熔断开关

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant