CN114551187B - 一种聚变装置失超保护系统直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚变装置失超保护系统直流断路器，串联于聚变装置超导磁体线圈主回路中，包括换流单元、灭弧系统和机械单元；其中换流单元包括主汇流排、动主触头、动弧触头和静弧触头；主汇流排与主回路母排连接引入电流，动主触头、动弧触头都通过同一根直杆上下连接，并通过直杆与机械单元连接，当检测到失超信号时，机械单元通过直杆使动主触头进行分闸动作，同时灭弧系统加速电弧分断，完成聚变超导磁体线圈移能换流动作。本发明具有结构简单、维护便利且成本低、控制简单、可靠性高及稳态通流能力强等特点。

Description

一种聚变装置失超保护系统直流断路器

技术领域

本发明涉及聚变装置超导磁体保护技术领域，具体涉及一种聚变装置失超保护系统直流断路器。

背景技术

磁体电源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，它通过向超导磁体线圈供电，以实现等离子体产生、加热、平衡与控制。超导磁体线圈的安全可靠运行对于聚变装置的安全和物理实验成败，起至关重要的作用。聚变装置在正常运行时，超导磁体储存巨大的磁场能量，一旦聚变装置磁体线圈发生失超，储存其中的巨大能量必须立即转移释放出去，否则将会破坏超导磁体线圈，造成不可估量的经济损失和社会影响。因此如何将储存在磁体线圈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。

现有的断路器，可将其分为机械式断路器、全固态断路器和混合式断路器。其中机械式断路器具有短时通态阻抗低，损耗小，耐压高等优点但无法满足聚变装置电源需求。而现有机械式直流断路器其解决的都是设备耐压能力和造价问题，而对解决长期稳态50kA强电流工作环境正常运行没有任何提及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚变装置失超保护系统直流断路器，能够长期在50kA强电流下低阻抗稳态运行，且结构简单，分断换流灭弧能力强。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种聚变装置失超保护系统直流断路器，串联于聚变装置超导磁体线圈主回路中，包括换流单元、灭弧系统和机械单元；

所述灭弧系统固定于所述换流单元的上方，所述机械单元位于所述换流单元的下方；

所述换流单元包括主汇流排、动主触头、动弧触头和静弧触头；所述动主触头中间有开孔，开孔处置设直杆且动主触头与所述直杆固定连接，所述主汇流排位于所述动主触头上方两侧，所述主汇流排与主回路母排连接引入电流，所述动弧触头固定于所述直杆顶部，所述静弧触头底部与所述主汇流排固定连接；

所述灭弧系统平行于所述主汇流排上方，所述静弧触头置于所述灭弧系统内部且与所述动弧触头分隔有间隙；所述灭弧系统内部安装有引弧板和引弧角；

所述机械单元位于所述主汇流排下方，所述机械单元包括弹簧和传动机构；所述弹簧的一端与所述直杆的底部相连，所述传动机构与所述弹簧的另一端相连。

进一步的，所述动主触头呈长方体。

进一步的，所述主汇流排中间部位被所述动主触头的直杆贯穿且有间距，成断开式桥型。

进一步的，所述动主触头、动弧触头和静弧触头均镀银。

进一步的，所述动主触头和主汇流排内部两侧均设有竖向中空孔和横向中空孔，所述横向中空孔采用多段式与所述竖向中空孔通过连接管两两相连；

所述竖向中空孔和横向中空孔内部通入循环去离子水。

进一步的，所述动主触头和主汇流排上均设有通水孔。

进一步的，所述引弧板镜像对称于所述静弧触头两侧。

进一步的，所述引弧角紧密连接于所述静弧触头上端。

进一步的，所述主汇流排通过卡扣与所述灭弧系统的壳体固定。

进一步的，所述灭弧系统上方采用栅格与灭弧系统的壳体垂直横向排列。

进一步的，所述传动机构包括锁片、半圆轴、第一拉杆、第二拉杆、第三拉杆、第四拉杆和直角杆；

所述弹簧的另一端与所述第一拉杆连接固定；所述第一拉杆依次连接直角杆、第二拉杆和锁片；所述锁片置于卡槽内，所述半圆轴与所述锁片紧邻设置；

第二拉杆为通过轴连接的两段式结构，所述第三拉杆的一端与所述第二拉杆的轴部固定连接，使所述第二拉杆与第三拉杆呈Y型；所述第三拉杆的另一端连接有第四拉杆。

进一步的，所述传动机构还包括合闸电磁铁和分闸电磁铁；

所述第四拉杆的另一端连接所述合闸电磁铁；

所述半圆轴连接所述分闸电磁铁的分闸线圈。

进一步的，还包括机座，

所述机械单元固定于所述机座上。

本发明的有益效果为：

本发明提供聚变装置失超保护系统直流断路器串联于聚变装置超导磁体线圈主回路中, 其中的换流单元整体采用循环去离子水冷设计能有效带走长期稳态运行时大电流所产生的大部分热量，可大幅度降低电流温升效应，减少部件热损耗。本发明具有结构紧凑、维护便利且成本低、控制简单、可靠性高及稳态通流能力强等特点。

附图说明

图1为本发明应用在聚变装置中的拓扑结构图；

图2为本发明的主汇流排与动主触头结构图；

图3为本发明的灭弧系统结构图；

图4为本发明提供的聚变装置失超保护系统直流断路器整体结构图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种聚变装置失超保护系统直流断路器，参见图1，串联于50kA聚变装置超导磁体线圈主回路中，包括有换流单元、灭弧系统、机械单元和机座。

具体的，参见图3和图4，换流单元包括：主汇流排10、动主触头23、动弧触头24和静弧触头6，其中，动主触头23位于本发明中间位置，动主触头23呈长方体中间有开孔，开孔处置有直杆9且动主触头23与直杆9固定连接。

主汇流排10位于动主触头23上方两侧，其中间部位被动主触头的直杆贯穿且有间距，成断开式桥型，如图2所示。主汇流排与主回路母排连接引入电流。

动弧触头24位于直杆9顶部，与直杆9固定连接。静弧触头6置于灭弧系统内部（图3），与动弧触头分隔有间隙，静弧触头6底部与主汇流排10固定连接。

换流单元的动态触头都通过同一根直杆9上下连接，结构简单。

进一步的，换流单元各触头均采用镀银工艺，增加电导率和通态低阻性。

进一步的，参见图2，动主触头和主汇流排内部两侧都有竖向中空孔1和横向中空孔2，横向中空孔2采用多段式与竖向中空孔1通过连接管3两两相连，其孔径内部通循环去离子水。主汇流排10和动主触头上设通水孔11，用于去离子水的进水和出水。当动主触头与汇流排相连主回路持续通流状态下，随着电流增加，热量也持续增加直到热饱和状态，通过给动主触头与汇流排通去离子水，带走装置系统在大电流运行时开关所产生的大部分热量，通过公式I²R可看出通循环水下降低了动主触头与汇流排整体电阻，改变电流温升变化，提高可持续通流能力，由于通去离子水，所以不会出现管路内壁上有附着物而减小孔径的情况。实际安装维护中其管路连接部位通过卡箍扭紧，只需通水后检测管路密封性即可，如遇漏水只需将管头老化部分剪去安装便可。

本发明中，灭弧系统平行于主汇流排10上方，通过卡扣将灭弧系统壳体7与主汇流排10固定连接。

参见图3，灭弧系统上方采用四十三块栅格4与灭弧系统壳体7垂直横向排列，灭弧系统内部下方安装有引弧板8，镜像对称于静弧触头6两侧，灭弧系统内引弧角5紧密连接于静弧触头6上端。

通过在断路器的静弧触头上设置引弧角，引弧角与静弧触头连接，保证电弧能够尽快离开触头，避免触头过分烧损，还能够加强对静弧触头的冷却。当电弧产生时，电弧先经过静弧触头，静弧触头将电弧同时分向引弧板和引弧角，增加了电弧分断能力同时灭弧分断时间得到缩短，使其减小电弧引起的物理损坏，提高灭弧能力的可靠性和快速响应性。

本发明中，机械单元位于动主触头23及汇流排10下方，机座19上方。

机械单元包括强力弹簧22、锁片14、半圆轴15、第一拉杆12、第二拉杆18、第三拉杆16、第四拉杆17、直角杆21、合闸磁铁20和分闸磁铁13。

强力弹簧22的一端与直杆9的底部连接固定，另一端与第一拉杆12固定。

第一拉杆12依次连接直角杆21、第二拉杆18和锁片14，锁片置于卡槽内，用于限定锁片的位置。半圆轴与锁片紧邻设置，半圆轴连接分闸电磁铁的分闸线圈。

第二拉杆18为通过轴连接的两段式结构，第三拉杆16的一端与第二拉杆18的轴部固定连接，第三拉杆16的另一端连接有第四拉杆17，使第二拉杆与第三拉杆呈Y型，第四拉杆17的另一端连接合闸磁铁20。

机械单元人工进行合闸只需给第三拉杆16一个向下的力，此时连带第二拉杆18往下收缩形成一个小V字型，第二拉杆18此时两个力分别传导至锁片14和直角杆21，直角杆21带动第一拉杆12向下转动给强力弹簧一个向上的拖力，带动直杆9向上，进而使动主触头23与主汇流排10紧密契合，同时第二拉杆18带动锁片14锁住保持现机械行程。

机械单元人工进行分闸只需给半圆轴15一个轻微的撬动力，使锁片14在卡槽位置发生改变，带动第二拉杆18、直角杆21和第一拉杆12运动，直杆9受到强力弹簧22收缩力，进而使动主触头23迅速与主汇流排分断开。

通过控制柜远程给合闸电磁铁20供电，使其合闸电磁铁20内部产生磁场吸引，带动第四拉杆17一端向上，与之连接的第三拉杆16得到一个向下的作用力，带动第二拉杆18往下收缩形成一个小V字型，第二拉杆18此时两个力分别传导至锁片14和直角杆21，直角杆21带动第一拉杆12向下转动给强力弹簧一个向上的拖力，带动直杆9向上，进而使动主触头23与主汇流排10紧密契合，同时第二拉杆18带动锁片14锁住保持现机械行程。

通过控制柜远程给分闸电磁铁13供电，使其分闸电磁铁13内部产生磁场吸引，分闸线圈触头带动半圆轴15，半圆轴15受到分闸线圈拉力对锁片14造成向上撬动，使锁片14在卡槽位置发生改变致使脱扣，带动第二拉杆18、直角杆21和第一拉杆12运动，直杆9受到强力弹簧22收缩力，进而使动主触头23迅速与主汇流排分断开。

本发明直流断路器在实际工作应用原理：当控制柜检测到失超信号时，控制柜给机械单元分闸电磁铁通电，使动主触头与主汇流排迅速脱开，由于在强电流下直接分断会产生电弧，在通过静弧触头引导电弧进入引弧角和引弧板，电弧方向是张力向外的，再通过引弧角将电弧引入灭弧格栅，电弧在通过灭弧格栅彻底熄灭，此时断路器主回路上形成一个断路点，剩余电流将通过旁通转移至移能电阻进行吸收消耗，完成聚变超导磁体线圈强电流移能换流动作。

本发明机械单元操作机构设计非常灵巧，各拉杆动作灵活，其结构可手动操作机械单元进行分合闸，也可通过机座上合闸电磁铁和分闸电磁铁远程进行分合操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种聚变装置失超保护系统直流断路器，串联于聚变装置超导磁体线圈主回路中，其特征在于，包括换流单元、灭弧系统和机械单元；

所述灭弧系统固定于所述换流单元的上方，所述机械单元位于所述换流单元的下方；

所述换流单元包括主汇流排、动主触头、动弧触头和静弧触头；所述动主触头中间有开孔，开孔处置设直杆且动主触头与所述直杆固定连接，所述主汇流排位于所述动主触头上方两侧，所述主汇流排与主回路母排连接引入电流，所述动弧触头固定于所述直杆顶部，所述静弧触头底部与所述主汇流排固定连接；

所述灭弧系统平行于所述主汇流排上方，所述静弧触头置于所述灭弧系统内部且与所述动弧触头分隔有间隙；所述灭弧系统内部安装有引弧板和引弧角；

所述机械单元位于所述主汇流排下方，所述机械单元包括弹簧和传动机构；所述弹簧的一端与所述直杆的底部相连，所述传动机构与所述弹簧的另一端相连；

所述传动机构包括锁片、半圆轴、第一拉杆、第二拉杆、第三拉杆、第四拉杆和直角杆；

所述弹簧的另一端与所述第一拉杆连接固定；所述第一拉杆依次连接直角杆、第二拉杆和锁片；所述锁片置于卡槽内，所述半圆轴与所述锁片紧邻设置；

所述第二拉杆为通过轴连接的两段式结构，所述第三拉杆的一端与所述第二拉杆的轴部固定连接，使所述第二拉杆与第三拉杆呈Y型；所述第三拉杆的另一端连接有第四拉杆；

所述传动机构还包括合闸电磁铁和分闸电磁铁；所述第四拉杆的另一端连接所述合闸电磁铁；所述半圆轴连接所述分闸电磁铁的分闸线圈。

2.根据权利要求1所述的一种聚变装置失超保护系统直流断路器，其特征在于，所述动主触头呈长方体。

3.根据权利要求1所述的一种聚变装置失超保护系统直流断路器，其特征在于，所述主汇流排中间部位被所述动主触头的直杆贯穿且有间距，成断开式桥型。

4.根据权利要求1所述的一种聚变装置失超保护系统直流断路器，其特征在于，所述动主触头、动弧触头和静弧触头均镀银。

5.根据权利要求1所述的一种聚变装置失超保护系统直流断路器，其特征在于，所述动主触头和主汇流排内部两侧均设有竖向中空孔和横向中空孔，所述横向中空孔采用多段式与所述竖向中空孔通过连接管两两相连；

所述竖向中空孔和横向中空孔内部通入循环去离子水。

6.根据权利要求5所述的一种聚变装置失超保护系统直流断路器，其特征在于，所述动主触头和主汇流排上均设有通水孔。

7.根据权利要求1所述的一种聚变装置失超保护系统直流断路器，其特征在于，所述引弧板镜像对称于所述静弧触头两侧。

8.根据权利要求1所述的一种聚变装置失超保护系统直流断路器，其特征在于，所述引弧角紧密连接于所述静弧触头上端。

9.根据权利要求1所述的一种聚变装置失超保护系统直流断路器，其特征在于，所述主汇流排通过卡扣与所述灭弧系统的壳体固定。

10.根据权利要求1所述的一种聚变装置失超保护系统直流断路器，其特征在于，所述灭弧系统上方采用栅格与灭弧系统的壳体垂直横向排列。

11.根据权利要求1所述的一种聚变装置失超保护系统直流断路器，其特征在于，还包括机座，

所述机械单元固定于所述机座上。