70kA/20kV失超保护系统中的双级式爆炸开关的制作方法

本发明涉及超导托卡马克核聚变实验装置电源系统技术领域，尤其涉及一种70kA/20kV失超保护系统中的双级式爆炸开关。

背景技术：

纵场与极向场电源系统是国家大科学工程全超导托卡马克核聚变实验装置系统中的重要组成部分，它通过向纵场与极向场超导磁体线圈供电，以实现等离子体的产生、约束、加热、平衡与控制。超导线圈的安全可靠运行对于装置的安全运行和物理实验成败，有至关重要的作用。装置正常运行时，超导磁体中储存着巨大的磁场能量，一旦超导磁体发生失超，储存其中的巨大能量必须立即转移释放出去，否则将会损坏超导磁体，造成不可估量的损失。因此如何将储存其中能量转移泄放来保护磁体对整个聚变装置的安全运行非常重要。

爆炸开关是一种炸药驱动的机械开关，串联于主回路中，承载长期工作电流。其优点在于具有结构简单、分断迅速、可靠性高等特点。爆炸开关通过自身的水冷却系统带走了在大电流运行时开关所产生的大部分热量，使整个开关内部的温度不超过炸药和雷管的安全不起爆温度，保证了开关的安全可靠工作。

爆炸开关基本工作原理是：当失超信号到达雷管触发装置时，雷管触发单元立刻发出起爆信号引爆雷管和炸药，在炸药爆炸产生的巨大爆轰压力下，传输介质迅速膨胀产生巨大压力使得导体部分形变，从而切断主回路。爆炸开关是单次设备，每次分断后，需要更换分断导体部分和驱动机构。

该断路器称为快速响应、高可靠的爆炸驱动的断路器是用在几个场合如功率压缩和供电系统备用断路器。作为备用断路器，当主断路器在出现故障电流时不能正常工作时，这一不可缺少的部分保证了系统的安全和操作人员的安全。这对于高压和大电流系统，如超导线圈供电系统尤为重要。在这种情况下，故障电流可能会造成不可估量的经济损失和重大伤亡。

单级式爆炸开关已被用于分断电压和电流等级在一定范围内电路。但是，当现有结构应用在更高的电压和电流等级的系统中时，设备尺寸会急剧增大从而导致成本的增加和可靠性的降低。双级式爆炸开关已在最近的一些系统被研究并应用。开关两级之间的协调操作使断路器能够分断高电压和大电流的电路，已有双级式爆炸开关通常结构复杂，导致其具有加工繁琐、装配困难、冷却水路复杂并密封要求难以达到等问题。

技术实现要素：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种70kA/20kV失超保护系统中的双级式爆炸开关。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种70kA/20kV失超保护系统中的双级式爆炸开关，包括有换流单元和绝缘单元，所述的换流单元的上导电板与母排相连引入电流，换流单元的下导电板通过母排与绝缘单元下导电板相连，绝缘单元上导电板与母排相连接出电流，当检测到失超信号时，爆炸驱动换流单元首先动作、完成电流的换流；电流过零后，爆炸驱动绝缘单元完成动作，建立符合要求的绝缘等级。

所述的换流单元包括有筒形导体、炸药一、去离子水和支撑环氧环，所述的支撑环氧环套在筒形导体的外面，去离子水流经筒形导体内部，炸药一安装在筒形导体内部。

所述的绝缘单元包括有爆炸腔体、炸药二、绝缘筒和导电盘，所述的导电盘安装在绝缘筒的底部，爆炸腔体安装在绝缘筒的顶端，炸药二安装在爆炸腔体的上端，引爆后将爆炸冲击波向下推动绝缘筒。

所述的炸药一为圆柱状，安装在筒形导体的中心，引爆后将均匀向筒形导体发出爆炸冲击波。

在所述的筒形导体的外表面等距离分布有环形槽，在爆炸时产生应力集中，支撑环氧环分布在环形槽中间，为筒形导体爆炸后切割形变为所需形状提供支撑，支撑环氧环与筒形导体的接触部分的剖面为圆弧形。

所述的筒形导体与换流单元的上、下导电板之间通过环状楔形块结构进行连接，所述楔形块通过螺栓预紧力的调节，将筒形导体与导电板紧密连接以降低接触电阻。

所述的绝缘单元内导电盘上分布有两对上下表面对开的环形槽，绝缘筒与环形槽接触。

本发明的优点是：（1）本发明能够降低加工难度、便于装配，并易于对开关中的冷却水路实现密封；

（2）本发明冷却水路的冷却效率高于同类设备；

（3）本发明显著缩小同类设备的体积，降低了加工成本。

附图说明

图1为本发明的电路拓扑图。

图2为爆炸开关外形结构图。

图3为换流单元与绝缘单元的内部剖视图（图3a为换流单元内部剖视图，图3b为绝缘单元内部剖视图）。

图4为楔形块结构图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种70kA/20kV失超保护系统中的双级式爆炸开关，包括有换流单元1和绝缘单元2，所述的换流单元1的上导电板与母排相连引入电流，换流单元1的下导电板通过母排与绝缘单元2下导电板相连，绝缘单元2上导电板与母排相连接出电流，当检测到失超信号时，爆炸驱动换流单元1首先动作、完成电流的换流；电流过零后，爆炸驱动绝缘单元2完成动作，建立符合要求的绝缘等级。

所述的换流单元1包括有筒形导体3、炸药一4、去离子水5和支撑环氧环6，所述的支撑环氧环6套在筒形导体3的外面，去离子水5流经筒形导体3内部，炸药一4安装在筒形导体3内部。

所述的绝缘单元2包括有爆炸腔体7、炸药二8、绝缘筒9和导电盘10，所述的导电盘10安装在绝缘筒9的底部，爆炸腔体7安装在绝缘筒9的顶端，炸药二8安装在爆炸腔体7的上端，引爆后将爆炸冲击波向下推动绝缘筒。

所述的炸药一4为圆柱状，安装在筒形导体3的中心，引爆后将均匀向筒形导体发出爆炸冲击波。

在所述的筒形导体3的外表面等距离分布有环形槽，在爆炸时产生应力集中，支撑环氧环6分布在环形槽中间，为筒形导体3爆炸后切割形变为所需形状提供支撑，支撑环氧环6与筒形导体3的接触部分的剖面为圆弧形。

如图4所示，所述的筒形导体3与换流单元1的上、下导电板之间通过环状楔形块11结构进行连接，所述楔形块11通过螺栓预紧力的调节，将筒形导体与导电板紧密连接以降低接触电阻。

所述的绝缘单元2内导电盘上分布有两对上下表面对开的环形槽，绝缘筒9与环形槽接触。

失超保护系统电路的拓扑结构如图1所示。整个爆炸开关可分为两个部分。第一部分称为换流单元。当主断路器在失超时出现动作失败的情况下，控制中心将触发爆炸开关进行动作。在动作过程中，换流单元首先在炸药的冲击波下分断，分断将产生多个电弧，这将使得爆炸开关两端产生电压并使电流换向。第二部分称为绝缘单元。该单元在电流换向完成后建立绝缘。

换流单元和绝缘单元都是由炸药驱动的。如图3(a)所示，换流单元的主要部件是筒形导体、炸药、支撑环氧环。筒形导体是沿外侧布置有圆形凹槽的薄壁圆筒。这些凹槽与安装在每两个凹槽的中间环氧环一起起到应力集中的作用，以确保爆炸后筒形导体按照设计要求产生变形。去离子水在筒形导体内部流过，作为冷却介质和爆轰波的压力传递介质。炸药布置在筒形导体的中轴线上。

由于爆炸产物引起的筒形导体内冷却水的污染，换流开关只能在极短的时间内提供换流向电压。因此，绝缘单元配备了独立的爆炸装药，与换流单元串联，需要在换流完成后立即操作并建立绝缘。如图3(b)所示，绝缘单元的主要部件是导电盘、绝缘筒和炸药。爆炸压力使绝缘筒向下运动并切割导电盘，导电盘盘上有圆形凹槽，使导电柱与流入导体分开，从而建立电路所需的绝缘强度。