CN113097026A - 一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，包括爆炸冲击隔离单元和爆破分断单元；所述爆炸冲击隔离单元包括黑索金药柱、隔离盖环和二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构；所述的爆炸分断单元包括黑索金药管、可调多电压等级灭弧栅间和爆破力双弧形反射结构，黑索金药管安装在可调多电压等级灭弧栅间中心，爆破双弧形反射结构位于可调多电压等级灭弧栅间上、下端口处。
Description
技术领域
本发明涉及聚变堆主机关键系统综合研究设施中的超导磁体失超保护技术领域，尤其是作为超导磁体的末级保护断路器，具体是一种电压可调、分断极快，可靠性极高的特种断路器。
背景技术
聚变堆主机关键系统综合研究设施基本思路是通过建设一系列CFETR原型部件和系统，并加以有机集成，建成具有国际领先水平的超导磁体和偏滤器两大研究系统，为聚变堆主机关键系统研究提供粒子流、电、磁、热、力等极端实验条件。该设施建成后可成为国际聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究平台，为我国开展聚变堆设计及核心部件研发、热与粒子排除关键问题研究、大规模低温和超导技术研究、强流粒子束与基础等离子体研究、深空推进探索等提供强大的技术支撑，同时可以将CFETR设计和大规模的工程预研有机结合，极大促进我国聚变能应用的进程。
其中，大型超导磁体研究系统作为国家、地方共同投资的设施主体，其重要性不言而喻。电源系统向超导磁体中流通强直流来产生高强磁场，以实现对等离子体的产生、约束、平衡与控制。超导磁体储存着巨大的磁场能量，磁体一旦发生失超，储存其中的巨大能量必须立即释放出去，否则将会损坏磁体，造成难以估量的损失。因此，失超保护系统，尤其是直流保护开关的设计极为重要。它可以将储存于磁体中的巨大磁场能量迅速转移到耗能电阻上，实现对大功率超导负载的可靠保护，有效防止扩大事故范围，避免磁体在失超后的损坏。
多电压可调爆破断路器是失超保护开关系统的末级保护开关，串联于主回路中，在装置正常运行时处于闭合状态，长期承载最高达100kA直流大电流。同时，可以通过调节爆破断路器结构来应对开关分断后产生的不同等级高电压。爆破断路器是一种黑索金驱动的机械开关,其优点在于结构简单、分断速度快、分断可靠性高并且造价相对较低、维护方便等。此外，它可用于一般开关不能使用的开断大电流、高电压的电路环境中。但是，其主要缺点在于它使用雷管与炸药，有一定的危险性，另外每次分断后都需要更换部分炸坏的部件，增加了造价和维护的复杂性。
发明内容
本发明主要是为了解决现存技术中存在的不足，提出了一种最大电流100kA的多电压可调爆破断路器。该断路器采用主、弧触头双单元爆破分断隔离结构，替代传统的弹簧或气压结构，可以极快速、可靠地分断、隔离导电回路，避免超导磁体的损伤。此外，爆破断路器采用多级可调弧触头和灭弧格栅，有效隔离电压在20kV以内可调。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，包括爆炸冲击隔离单元和爆破分断单元；所述爆炸冲击隔离单元包括黑索金药柱、隔离盖环和二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构；所述的爆炸分断单元包括黑索金药管、可调多电压等级灭弧栅间和爆破力双弧形反射结构，黑索金药管安装在可调多电压等级灭弧栅间中心，爆破双弧形反射结构位于可调多电压等级灭弧栅间上、下端口处。
进一步的，所述的爆炸冲击隔离单元包括黑索金药柱、隔离盖环和二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构，黑索金药柱安装置于隔离盖环上方，通过爆炸冲击迫使隔离盖环运动，切断导体，隔离电流引线。
进一步的，所述的爆炸分断单元包括黑索金药管、可调多电压等级灭弧栅间和爆破双弧形反射结构，黑索金药管位于环形下部电流引线中心，起爆后在可调多电压等级灭弧栅间的辅助作用下环形下部电流引线完成等间距分断，爆破力双弧形反射结构处于黑索金药管的上部和下部位置，对爆破力起反射作用，用于使得环形下部电流引线同时分断。
进一步的，所述的黑索金药柱爆炸冲击主要被隔离盖环的受能环槽吸收，推动隔离盖环切断上部电流引线运动，能有效减小黑索金炸药的使用量，保护断路器结构。
进一步的，所述的二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构，通过二段坡角缓冲拉伸，能够极大程度的减小爆炸反向冲击力对顶部电流引线的拉拽损坏，有效延长断路器的疲劳寿命。
进一步的，所述的黑索金药管由304不锈钢和四氟乙烯采用螺纹结构连接，在不影响爆炸分断的前提下，提升其在高压水中的强度，同时，分断后能够保持进水口的单向通畅，为断路器的灭弧能力提供保障。
进一步的，所述的可调多电压等级灭弧栅间在下部电流引线外圈等距安装，黑索金药管爆炸冲击，下部电流引线多环形分断，吸附于可调多电压等级灭弧栅间上。
进一步的，所述的爆炸力双弧形缓冲反射结构存在于黑索金药管的上部和下部位置，黑索金药管爆炸冲击产生多段冲击轰波，到达上下部位置后反射继续作用于环形下部电流引线上，保证其同时分断。
有益效果：
所述的一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，所述的黑索金药管和黑索金药柱通过直接和间接的爆轰冲击作用时间差，来控制爆破断路器的主、弧触头在微秒级时序分断，有效提升了其分断可靠性与安全性。作为超导磁体失超的末级保护开关，多电压可调爆破断路器需要极快速极可靠地分断回路，故为其采用黑索金炸药作为驱动机构替代传统的弹簧或气压结构以达到微秒级分断的要求。同时，通过可调电压灭弧栅间单一基本结构的组合使用和爆破力双弧形反射结构的坡度调节，达到多种隔离电压等级和分断同步性的要求。此外，采用二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构，有效地增加了爆破断路器使用寿命
附图说明
图1是本发明的断路器总体结构图；
图2是本发明爆炸冲击隔离单元；
图3是本发明二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构；
图4是本发明爆破分断单元；
图5是本发明可调电压灭弧栅间的基本结构；
图6是本发明黑索金药管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，参见图1，本发明的爆炸开关多电压可调爆破断路器包括如下两个部分：爆炸冲击隔离单元A和爆破分断单元B。
所述的爆炸冲击隔离单元包括黑索金药柱1、隔离盖环2和二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构3。
所述的爆炸分断单元B包括黑索金药管、可调多电压等级灭弧栅间4和爆破双弧形反射结构5。
爆炸冲击隔离单元由上部电流引线6和中间电流引线7相连；
爆破分断单元由中间电流引线7和下部电流引线相连8。
黑索金药管安装在可调多电压等级灭弧栅间4中心，爆破双弧形反射结构5位于可调多电压等级灭弧栅间4上、下端口处。
本发明的工作原理如下；
参见图1，根据本发明的实施例，多电压可调爆破断路器是磁体失超的末级保护开关，串联于整个超导磁体回路中。正常工作状态下，多电压可调爆破断路器需长期承受稳态工作电流，磁体失超时，机械开关如未能及时分断超导回路，将触发多电压可调爆破断路器起爆分断超导回路。
多电压可调爆破断路器最大额定电流可达100kA，额定开断电压20kV以内可调。开断时间约200μs，全分时间小于5ms，正常工作下最大温升不允许超过65℃。
参见图2，收到起爆指令后，黑索金药柱1起爆，爆轰冲击波主要通过隔离盖环端盖2上的受能环槽吸收，推动隔离盖环向下方运动，切断上部电流引线6。同时，隔离盖环2继续向下运动，直至完全盖住中间电流引线7。爆炸冲击隔离单元完成分断动作，隔离回路。所述隔离盖环2端盖上设置有圆形凹槽9，所述的圆形凹槽9作为受能环槽，用于吸收黑索金发出的爆轰波，引导其受力直接传递至弧触头位置，促使其分断。
参见图3，黑索金药柱1起爆产生的爆轰冲击波有一部分向上反向传递，经过二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构3减小对断路器结构的破坏，保护断路器。所述二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构3包括拉拽双半圆形弧度缓冲和柱体表面圆环形弧度缓冲，在柱体表面设置有两个圆环形弧度凹槽，爆轰冲击经过层层传递减缓最后作用至开关上，减小其结构破坏。
参见图4，收到起爆指令后，黑索金药管起爆，爆轰冲击波向四周延伸到达环形电流引线11，在灭弧栅间处环形电流引线呈流体状分断，分段包裹于各单元灭弧栅间上。同时，爆轰冲击波向上下传递，到达反射弧面12后折返入侧面，帮助分断单元在灭弧栅间的同时分断。
参见图5，可调电压灭弧栅间4的单一基本结构可以在分断状态下隔离几千伏特的高压，通过不同数量的调节来达到系统所需的电压要求，可调电压灭弧栅间的正确选择可以有效减小开关的欧姆损耗。
参见图6，黑索金药管由304不锈钢和四氟乙烯采用螺纹结构13连接，在不影响爆炸分断的前提下，提升其在高压水中的强度。同时，在分断后保持进水口的单向通畅，迫使去离子水沿分断单元喷出，保持断路器的灭弧能力。
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 (8)
1.一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，其特征在于：
包括爆炸冲击隔离单元和爆破分断单元；所述爆炸冲击隔离单元包括黑索金药柱、隔离盖环和二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构；所述的爆炸分断单元包括黑索金药管、可调多电压等级灭弧栅间和爆破力双弧形反射结构，黑索金药管安装在可调多电压等级灭弧栅间中心，爆破双弧形反射结构位于可调多电压等级灭弧栅间上、下端口处。
2.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，其特征在于：
所述的爆炸冲击隔离单元包括黑索金药柱、隔离盖环和二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构，黑索金药柱安装置于隔离盖环上方，通过爆炸冲击迫使隔离盖环运动，切断导体，隔离电流引线。
3.根据权利要求1所述的一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，其特征在于：
所述的爆炸分断单元包括黑索金药管、可调多电压等级灭弧栅间和爆破双弧形反射结构，黑索金药管位于环形下部电流引线中心，起爆后在可调多电压等级灭弧栅间的辅助作用下环形下部电流引线完成等间距分断，爆破力双弧形反射结构处于黑索金药管的上部和下部位置，对爆破力起反射作用，用于使得环形下部电流引线同时分断。
4.根据权利要求2所述的一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，其特征在于：
所述的黑索金药柱爆炸冲击主要被隔离盖环的受能环槽吸收，推动隔离盖环切断上部电流引线运动，能有效减小黑索金炸药的使用量，保护断路器结构。
5.根据权利要求2所述的一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，其特征在于：
所述的二段式爆炸冲击拉伸缓冲结构，通过二段坡角缓冲拉伸，能够极大程度的减小爆炸反向冲击力对顶部电流引线的拉拽损坏，有效延长断路器的疲劳寿命。
6.根据权利要求3所述的一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，其特征在于：
所述的黑索金药管由304不锈钢和四氟乙烯采用螺纹结构连接，在不影响爆炸分断的前提下，提升其在高压水中的强度，同时，分断后能够保持进水口的单向通畅，为断路器的灭弧能力提供保障。
7.根据权利要求3所述的一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，其特征在于：
所述的可调多电压等级灭弧栅间在下部电流引线外圈等距安装，黑索金药管爆炸冲击，下部电流引线多环形分断，吸附于可调多电压等级灭弧栅间上。
8.根据权利要求3所述的一种用于聚变堆主机的多电压可调式爆破断路器，其特征在于：
所述的爆炸力双弧形缓冲反射结构存在于黑索金药管的上部和下部位置，黑索金药管爆炸冲击产生多段冲击轰波，到达上下部位置后反射继续作用于环形下部电流引线上，保证其同时分断。
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| 宋执权，傅鹏: "爆炸开关系统的研制", 《高压电器》, vol. 41, no. 4 * |
| 李华，宋执权: "中国聚变工程实验堆大功率混合直流开关概念设计", 《强激光与粒子束》, vol. 31, no. 4 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114551187B (zh) * | 2022-01-28 | 2023-10-13 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种聚变装置失超保护系统直流断路器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113097026B (zh) | 2023-12-19 |
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