CN112736841A - 一种用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关 - Google Patents

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周蒙恩
林平
秦宇
宋国辉
张喜东
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Abstract

一种用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，载流单元由快速分断开关K1构成；换流回路单元由第一转移支路和第二转移支路构成，第一转移支路不需要快速机械开关K1提供较高弧压即可导通且开断产生的电压可使第二转移支路可靠导通，第二转移支路可以承受换流时的瞬间大电流和将电流转移到耗能单元时的反向恢复电压；耗能单元由移能电阻DR构成；后备保护单元由爆炸开关PB构成。本发明采用3级换流技术，降低了机械开关的要求的同时提高了固态开关换流的可靠性，通过减小固态开关导通的时间，提高了功率器件的限制电流从而降低了并联数量。本发明控制简单，系统可靠性高，是实现大功率直流开断的有效途径。

Description

一种用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关
技术领域
本发明属于直流保护开关领域，更具体的是一种用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关。
背景技术
目前，主流托卡马克均采用超导线圈来实现稳态磁场，以达到约束高温等离子体的目的。虽然在超导磁体的工程建设当中加入了各种监控和防范措施，但在托卡马克正常运行过程中，失超现象并不能完全避免。一旦发生失超现象，线圈超导体就会出现正常状态转变，所储存的巨大电磁能将向热能转化，产生大量的焦耳热。由于大型超导磁体失超传播速度慢，会造成明显的温度梯度，这将导致导体绝缘的损坏，造成不可估量的损失。由于失超保护开关可以迅速将储存在磁体中的巨大磁场能量转移到移能电阻中，因此它对整个超导托卡马克装置的运行至关重要。
目前，全超导托卡马克失超保护开关主要存在以下几个问题：
1、机械开关分断大电流时存在触头烧蚀严重、灭弧困难和绝缘恢复时间长等问题，导致机械开关可靠动作次数低，寿命短。
2、固态开关需串联大量的电力电子器件才可承受由于关断时产生的高电压，而机械开关分闸时较低的弧压不足以有效导通电力电子器件串联的固态开关。
发明内容
本发明提供了一种用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，采用3级换流技术，降低了机械开关要求的同时提高了固态开关换流的可靠性，通过减小固态开关导通的时间，提高了功率器件的限制电流从而降低了并联数量，克服了失超保护开关已有技术的不足，具备切除故障快，耐受高电压、大电流、控制简单的特点。
本发明的技术方案如下：
一种用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其特征在于，包括载流单元、换流单元、耗能单元和后备保护单元；
载流单元与换流单元并联；并与后备保护单元串联；耗能单元与载流单元、换流单元和后备保护单元构成的串并联支路并联。
优选的是，本发明的载流单元包括快速分断开关K1，用于承载线路正常工作时额定负荷电流。
优选的是，本发明的换流单元包括第一转移支路和第二转移支路，第一转移支路和第二转移支路共用二极管阀组D3、D4。
优选的是，本发明的第一转移支路包括：低压固态开关T1、快速隔离开关K2和二极管阀组D1、D2、D3、D4；二极管阀组D1与二极管阀组D2串联，并与二极管阀组D3与二极管阀组D4串联支路并联；快速隔离开关K1的一端与二极管阀组D3和二极管阀组D4共连接点连接，快速隔离开关K1的另一端与低压固态开关T1的一端连接，低压固态开关T1的另一端与二极管阀组D1和二极管阀组D2共连接点连接。
优选的是，本发明的低压固态开关T1由若干电力电子器件并联组成，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路和过电压限制器。
优选的是，本发明的第二转移支路包括：高压固态开关T2和二极管阀组D3、D4、D5、D6；二极管阀组D3与二极管阀组D4串联，并与二极管阀组D5与二极管阀组D6串联支路并联；高压固态开关T2的一端与二极管阀组D3和二极管阀组D4共连接点连接，高压固态开关T2的另一端与二极管阀组D5和二极管阀组D6共连接点连接。
优选的是，本发明的高压固态开关T2由若干电力电子器件支路并联组成，每个电力电子器件支路分别由若干电力电子器件串联组成，每个电力电子器件支路分别串联有均流电感，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路、均压电路和过电压限制器。
优选的是，本发明的耗能单元包括移能电阻DR。
优选的是，本发明的后备保护单元包括爆炸开关PB。
本发明的用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其工作过程如下：当系统正常运行时，直流电流从载流单元和后备保护单元流过，通态损耗较小；换流单元低压固态开关T1和高压固态开关T2处于关断状态；当系统发生故障时，断开快速分断开关K1和导通低压固态开关T1，电流向第一转移支路换流。第一转移支路换流完成后，给高压固态开关T2发送导通信号。当快速分断开关K1恢复电压阻断能力时，给低压固态开关T1发送关断信号，故障电流开始从第一转移支路向第二转移支路转移；第二转移支路换流完成后，断开第一转移支路中快速隔离开关K2；待快速隔离开关K2满足承受高压阻断能力后，关断高压固态开关T2，将故障电流从第二转移支路换流到耗能单元的移能电阻DR；如果载流单元中快速分断开关K1或转移支路中固态开关失效时，断开爆炸开关PB，迅速将故障电流转移到耗能单元。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明在分断直流大电流时，由于低压固态开关导通电压低，快速分断开关关断时无需提供较高的弧压来迫使固态开关导通；换流单元中第一转移支路和第二转移支路共用二极管阀组D3、D4构成双桥式结构，无需判断电流方向即可实现双向通断，同时减少了换流单元IGBT使用量，第一转移支路中快速隔离开关可实现无弧断开且具有较快的绝缘恢复速度；本发明采用3级换流技术，降低了机械开关设计要求的同时实现了固态开关的可靠导通，且控制简单，是实现托卡马克失超保护的有效途径。
附图说明
图1为本发明电路的结构示意图；
图2为本发明低压固态开关的电路结构示意图；
图3为本发明高压固态开关的电路结构示意图；
图4为本发明电路工作时序图。
具体实施方式
参见附图1所示，本发明实施例公开了一种用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，包括载流单元、换流单元、耗能单元和后备保护单元；载流单元与换流单元并联；后备保护单元与载流单元与换流单元构成的并联支路串联；耗能单元与载流单元、换流单元和后备保护单元构成的串并联支路并联。
在一个具体实施例中，参照附图1，载流单元包括快速分断开关K1，用于承载线路正常工作时额定负荷电流。
在一个具体实施例中，参照附图1，换流单元包括第一转移支路和第二转移支路，第一转移支路和第二转移支路共用二极管阀组D3、D4。
在一个具体实施例中，参照附图1、2，第一转移支路包括：低压固态开关T1、快速隔离开关K2和二极管阀组D1、D2、D3、D4。
二极管阀组D1与二极管阀组D2串联，并与二极管阀组D3与二极管阀组D4串联支路并联；快速隔离开关K1一端与二极管阀组D3和二极管阀组D4共连接点连接，快速机械开关K1另一端与低压固态开关T1的一端连接，低压固态开关T1另一端与二极管阀组D1和二极管阀组D2共连接点连接。
低压固态开关T1由若干电力电子器件并联组成，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路和过电压限制器。
在一个具体实施例中，参照附图1、3，第二转移支路包括：高压固态开关T2和二极管阀组D3、D4、D5、D6。
二极管阀组D3与二极管阀组D4串联，并与二极管阀组D5与二极管阀组D6串联支路并联；高压固态开关T2一端与二极管阀组D3和二极管阀组D4共连接点连接，高压固态开关T2的另一端与二极管阀组D5和二极管阀组D6共连接点连接。
高压固态开关T2由若干电力电子器件支路并联组成，每个电力电子器件支路分别由若干电力电子器件串联组成，每个电力电子器件支路分别串联有均流电感，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路、均压电路和过电压限制器。
在一个具体实施例中，参照附图1，耗能单元包括移能电阻DR，移能电阻可以吸收储能达GJ的直流系统能量。
在一个具体实施例中，参照附图1，后备保护单元包括爆炸开关PB，爆炸开关PB是在载流单元和换流单元失效的情况下，引爆雷管和炸药，使爆炸开关开断，迅速将电流转移到耗能单元，避免系统故障扩大化。
在一个具体实施例中，参照附图4，一种用于托卡马克失超保护的混合式直流开关，其工作过程如下：
当系统正常运行时，直流电流从载流单元和后备保护单元流过，通态损耗较小；换流单元低压固态开关T1和高压固态开关T2处于关断状态。
在t1时刻系统发生故障时，立刻向载流单元快速分断开关K1发出分断命令，向换流单元低压固态开关T1发出导通命令，快速分断开关机械触头固有动作延时后，在t2时刻，触头打开并产生电弧，迫使电流向第一转移支路换流。t3时刻，电流完全转移到第一转移支路，给高压固态开关T2发送导通信号。t4时刻，快速分断开关K1恢复电压阻断能力时，给低压固态开关T1发送关断信号，故障电流开始从第一转移支路向第二转移支路转移；t5时刻，电流完全从第一转移支路转移到第二转移支路后，断开快速隔离开关K2，快速隔离开关K2在零电流的情况下无弧断开；待快速隔离开关K2满足承受高压阻断能力后，t6时刻，关断高压固态开关T2，将故障电流从第二转移支路换流到耗能单元的移能电阻DR；t7时刻，故障电流完全从第二转移支路转换到移能电阻DR，磁体电流快速衰减，使得磁体能量迅速转移并消耗在耗能电阻上。

Claims (9)

1.一种用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其特征在于，包括载流单元、换流单元、耗能单元和后备保护单元；
载流单元与换流单元并联；并与后备保护单元串联；耗能单元与载流单元、换流单元和后备保护单元构成的串并联支路并联。
2.根据权利要求1所述的用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其特征在于：上述载流单元包括快速分断开关K1。
3.根据权利要求2所述的用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其特征在于：上述换流单元包括第一转移支路和第二转移支路，第一转移支路和第二转移支路共用二极管阀组D3、D4。
4.根据权利要求3所述的用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其特征在于：上述第一转移支路包括：低压固态开关T1、快速隔离开关K2和二极管阀组D1、D2、D3、D4；
二极管阀组D1与二极管阀组D2串联，并与二极管阀组D3与二极管阀组D4串联支路并联；快速隔离开关K1的一端与二极管阀组D3和二极管阀组D4共连接点连接，快速隔离开关K1的另一端与低压固态开关T1的一端连接，低压固态开关T1的另一端与二极管阀组D1和二极管阀组D2共连接点连接。
5.根据权利要求4所述的用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其特征在于：低压固态开关T1由若干电力电子器件并联组成，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路和过电压限制器。
6.根据权利要求3所述的用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其特征在于：第二转移支路包括：高压固态开关T2和二极管阀组D3、D4、D5、D6；
二极管阀组D3与二极管阀组D4串联，并与二极管阀组D5与二极管阀组D6串联支路并联；高压固态开关T2的一端与二极管阀组D3和二极管阀组D4共连接点连接，高压固态开关T2的另一端与二极管阀组D5和二极管阀组D6共连接点连接。
7.根据权利要求6所述的用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其特征在于：高压固态开关T2由若干电力电子器件支路并联组成，每个电力电子器件支路分别由若干电力电子器件串联组成，每个电力电子器件支路分别串联有均流电感，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路、均压电路和过电压限制器。
8.根据权利要求1所述的用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其特征在于：上述耗能单元包括移能电阻DR。
9.根据权利要求1所述的用于全超导托卡马克失超保护的混合式直流开关，其特征在于：上述后备保护单元包括爆炸开关PB。
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