专利名称：直流开关并联熔丝二次换流装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工业电子设备，具体的说是一种直流开关并联熔丝二次换流装置。
背景技术：
在需要开断大电流电感负载的直流回路中，一般采用直流断路器直接对回路电流进行开断，由于回路电流大、电感储能大(有的电感储能可达到数百兆焦)，在开断过程中，直流开关弧触头消耗的能量也大，使直流开关的弧触头烧蚀严重，严重地影响开关的寿命。另外，在要求开关分断可靠的场合(例如，负载为超导磁体)，由于负载价格昂贵，如果一旦出现不能及时分断回路电流，则会带来灾难性的后果。因此，在此种场合直接用直流开关来分断直流电流，可靠性难以得到保证。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种直流开关并联熔丝二次换流装置，鉴于直流开关分断大电流的缺陷，采用二次换流技术，设计出直流开关并联熔丝二次换流装置，用于大电感负载、大直流电流的分断，这样一方面减少了直流开关的弧触头烧蚀，两一方面，增加了分断的可靠性。
本实用新型的技术方案如下直流开关并联熔丝二次换流装置，包括直流快速断路器、并联熔丝、泄能电阻和二极管，其特征在于直流快速断路器K的输入端联接二极管D的正极，二极管D的负极联接熔丝F的一端，熔丝F的另一端联接直流快速断路器K的输出端，直流快速断路器K的两端并联泄能电阻Rr。
实用新型的工作原理当直流电路发生故障需直流快速断路器开断回路电流时，直流快速断路器K首先动作，在开断过程中产生一电弧电压，在此电弧电压的作用下，主回路电流由直流快速断路器转移到并联熔丝F中，此电流在并联熔丝中保持一段时间后，当电流I2t大于并联熔丝本身熔断I2t时，使并联熔丝熔断，只要此时直流快速断路器的介质恢复强度大于此时并联熔丝熔断时产生的弧电压时，这样就可以使整个纵场线圈中的电流全部转移到泄能电阻Rr中去。在此切换过程中，由于并联熔丝的电阻很小，因此，当直流开关产生很小的弧电压就可以把主回路电流转移到并联熔丝中。
二极管D的作用是在没有发生故障时避免并联熔丝中长期流过电流而导致并联熔丝发热而熔断，尤其是当主回路电流为几十千安时，流过并联熔丝中的电流可达几百安培。当开关处于闭合状态时，其两端电压为0.1伏左右(一般直流开关闭合时触头接触电阻为十几微欧)，而二极管的门槛电压为0.7伏，因此当直流开关闭合时，由于二极管不导通使并联熔丝支路中无电流流过。
本实用新型的效果本实用新型在中国科学院等离子体物理所超导实验室首先得到具体的应用，将来还要在大科学工程EAST纵场电源的失超保护系统中得到应用。目前，超导实验室做的所有实验的失超保护都有此实用新型主电路承担。失超是指已经处于超导态的超导磁体由于各种原因引起退出超导态，表现出有电阻的特性。由于超导线圈非常昂贵，因此，当磁体发生失超时，必需快速可靠地把储存在纵场磁体中的能量转移到移能电阻中去。经过近3年的运行，此失超保护系统运行可靠，总共实施失超保护100多次，没有1次失败，完全达到理论设计标准。为超导储能达320MJ的EAST纵场磁体失超保护提供了可贵的实验数据。
图1是本实用新型主电路图结构图。
图2是换流分析电路结构图。
图3是当开断电流为21.25KA时，开关弧电压和主回路电流波形图。
图4是熔丝弧电压和熔丝支路电流波形图。
具体实施方式
直流开关并联熔丝二次换流装置，包括直流快速断路器、并联熔丝、泄能电阻和二极管，直流快速断路器K的输入端联接二极管D的正极，二极管D的负极联接熔丝F的一端，熔丝F的另一端联接直流快速断路器K的输出端，直流快速断路器K的两端并联泄能电阻Rr。
(1).换流过程理论分析和计算电流由开关向并联熔丝的切换过程可由附图2的电路来计算。其中R1、L1为开关回路电路参数，R2、L2为并联熔丝支路的电路参数。
由图2可得方程组Ua+R1I1+L1dI1dt=R2I2+L2dI2dtI1+I2=I0]]>初始条件t＝0时，I1=R2R1+R2I0,I2=R1R1+R2I0]]>在上式中，Ua是直流开关弧电压，而开关弧电压是决定电流切换过程中的关键参数，根据资料中的实验论证，弧电压的表达式为Ua=Um=constUmTat]]>Um—电弧电压峰值，电弧电压的波形实际上处于上式所述的两种情况之间。
解上述方程组，可得出开关电弧燃烧时间与开关弧电压峰值和电路参数关系的公式为(当t＝Ta时，I1＝0)KU=R2I0Um=1-e-c1-1c(1-e-c)]]>式中c＝Ta/T∑；T∑＝L∑/R∑；L∑＝L1+L2R∑＝R1+R2由上式可以看出，为了保证开关成功的切换电流，必须(I0R2/Um)＜1，LOR0/Um值越大，换流时间越长，反之值越小，换流时间越小。
(2).并联熔丝参数的设计并联熔丝的参数与主回路电流和移能电阻Rr的阻值有关，当主回路电流大且Rr也大时，并联熔丝产生的弧压也就越高。一般来说为了可靠的把电流转移到移能电阻中去，并联熔丝产生的弧压应大于主回路电流和Rr的乘积。为了提高熔体的电压梯度和吸收电弧能量，将熔丝放置于Ф20的聚氯乙烯管中，填充石英砂，两端用黑胶布封闭，再置于大的石英砂外管中。此种结构可得电压梯度k1＝150V/cm，根据此电压和并联熔丝熔丝熔断时产生的高脉冲电压公式，则熔丝的长度Lf=Ufmaxkl]]>
根据并联熔丝的熔丝维持特性公式，可得出熔丝截面积由I02S2Th=Kh,]]>可得出S=ThKhI0]]>上式中Th是并联熔丝的熔断时间，此时间只要大于直流开关的介质恢复强度时间并留一定的余量，一般取50-100毫秒。
直流快速断路器采用西安电器开关厂生产的DS11型直流快速断路器，其额定电流为12000安，额定电压为1500伏。主回路电阻约12mΩ，回路总电感约为1.4mH，泄能电阻采用园钢电阻，电阻值为154mΩ。回路中用于阻断熔丝正常工作时没有电流流过的二极管参数为3000A/3400V。并联熔丝采用截面积为8mm2、长度取30cm的漆包线。
权利要求1.直流开关并联熔丝二次换流装置，包括直流快速断路器、并联熔丝、泄能电阻和二极管，其特征在于直流快速断路器K的输入端联接二极管D的正极，二极管D的负极联接熔丝F的一端，熔丝F的另一端联接直流快速断路器K的输出端，直流快速断路器K的两端并联泄能电阻Rr。
专利摘要本实用新型公开了一种直流开关并联熔丝二次换流装置，为大电流、大电感的直流电路提供了一个可靠的开关分断。主要由直流开关、并联熔丝、二极管三部分组成，其中并联熔丝为开关在开断过程中减少弧触头烧蚀提供了有利的条件，二极管用以避免正常工作时并联熔丝支路有电流流过。此实用新型具有直流开关弧触头烧蚀小、开关寿命延长、分断可靠、成本低等优点。
文档编号H01H71/20GK2742558SQ20042008034
公开日2005年11月23日 申请日期2004年10月16日 优先权日2004年10月16日
发明者刘小宁, 许留伟, 胡昶, 王传法 申请人:中国科学院等离子体物理研究所