阅读说明：本技术 一种大功率托卡马克装置磁体电源系统失超保护开关 (High-power tokamak device magnet power supply system quench protection switch ) 是由 王红艳 林平 周蒙恩 秦宇 袁全 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种大功率托卡马克装置磁体电源系统失超保护开关,包括爆炸开关、多断口高速机械开关、人工电流零点电路、固态断路器、晶砸管、二极管和移能电阻。多断口高速机械开关、晶砸管T、人工电流零点电路及二极管桥臂构成一级载流支路,固态断路器作为二级载流支路,移能电阻作为三级载流支路,最后爆炸开关作为后备保护单元与主保护支路串联。本发明主要应用于聚变托卡马克装置磁体电源系统,当超导磁体线圈发生失超时,失超保护开关开始作用保护磁体电源系统。(The invention discloses a quench protection switch of a magnet power supply system of a high-power Tokamak device, which comprises an explosion switch, a multi-fracture high-speed mechanical switch, an artificial current zero circuit, a solid-state circuit breaker, a crystal smashing tube, a diode and an energy transfer resistor. The multi-fracture high-speed mechanical switch, the crystal-breaking tube T, the artificial current zero circuit and the diode bridge arm form a primary current-carrying branch, the solid-state circuit breaker serves as a secondary current-carrying branch, the energy-transfer resistor serves as a tertiary current-carrying branch, and finally the explosion switch serves as a backup protection unit and is connected with the main protection branch in series. The invention is mainly applied to a magnet power supply system of a fusion Tokamak device, and when a superconducting magnet coil is in failure time, a failure protection switch starts to act to protect the magnet power supply system.)

一种大功率托卡马克装置磁体电源系统失超保护开关

技术领域

本发明属于直流保护开关领域，尤其涉及一种大功率托卡马克装置磁体电源系统的失超保护开关。

背景技术

核聚变能作为一种新兴能源，受到世界广泛关注，而托卡马克核聚变装置被公认为是目前为止最有效的进行可控核聚变实验的装置。托卡马克装置磁体电源系统是全超导运行的，超导线圈储藏着巨大的能量，当发生失超时，若不能迅速释放能量，将不仅损坏超导线圈，甚至危及托卡马克装置，对其造成严重损伤，所以失超保护开关的研究变成了磁体电源系统的一个重点方向。

国内当前的托卡马克装置都为小型的，其失超保护开关大多采取最传统的方式，即机械开关并联断熔器的二级换流方式：机械开关承载主电流，当检测到失超时，机械开关断开，在弧压的作用下电流转移至熔断器所在支路，熔断器在大电流的作用下熔断，电流被迫转移到移能电阻支路。该种方式最大的缺点在于每次都需要更换熔断器，这就使得维护工作量相当的大.对于小型托卡马克装置是经济可行的，但对于大型托卡马克装置而言，如中国即将建设的CFETR聚变装置，超导线圈数量会增加，电流电压等级也变得更加高，该种方式就显得繁琐不经济。

近年来，大功率半导体器件技术越发成熟，混合式直流开关得到了较多关注，即机械开关并联固态开关，该方案能有效结合机械开关的低损耗载流能力和固态开关的关断能力。目前的混合式直流开关设计方案多针对小型托卡马克装置设计的，如韩国的K-STAR以及日本的JT-60SA等。但对于大型托卡马克装置而言，现有磁体电源失超保护开关设计方案仍存在以下一些问题。

1、机械开关开断的弧压需达到几百伏以使得固态开关能够导通，弧压越高对触头腐蚀越严重；同时机械开关需要很强的绝缘恢复能力，才能够承载电流转移至移能电阻时的过电压。

2、固态开关需要拥有双向关断能力，才能够通流短时间的大电流以及承受二次换流之后的过电压。

发明内容

本发明提供了一种全新的适用于大功率托卡马克装置磁体电源系统失超保护开关，为磁体电源系统提供失超保护。

本发明采用如下技术方案：

一种大功率托卡马克装置磁体电源系统失超保护开关，包括爆炸开关、多断口高速机械开关、人工电流零点电路、固态断路器、晶砸管和移能电阻，所述多断口高速机械开关、第一晶砸管T、人工电流零点电路及二极管桥臂构成一级载流支路，与一级载流支路并联的固态断路器作为二级载流支路，与一级载流支路、二级载流支路并联的移能电阻作为三级载流支路，爆炸开关作为后备保护单元与一级、二级载流支路串联。

优选的，本发明的多断口高速机械开关包括串联在一起的两个二级开关S1、S2，第一二级开关S1与二极管桥臂电路并联，二极管桥臂电路由第一晶砸管T、人工电流零点电路及二极管桥臂构成，人工电流零点电路由预充电电容C、电感L和第二晶砸管T1串联组成。

优选的，本发明的第一晶砸管T与第二晶砸管T1分别由若干个晶砸管支路并联组成，每个晶砸管支路由若干个晶砸管串联组成；每个二极管桥臂支路由若干个二极管支路并联组成，每个二极管支路由若干个二极管串联组成。

优选的，固态断路器由正向电力电子器件阀组与反向电力电子器件阀组串联组成，每组电力电子器件反向并联二极管阀组。

优选的，电力电子器件阀组由若干个电力电子器件支路并联组成，每个电力电子器件支路由若干个电力电子器件串联组成。

优选的，二极管阀组由若干个二极管支路并联组成，每个二极管支路由若干个串联二极管串联组成。

当磁体电源系统正常运行时，多断口高速机械开关将承载稳态电流；当检测到失超信号时（一般多为超导线圈失超），多断口高速机械开关的第一二级开关S1开断，二极管桥臂在相应电压方向下导通（具有双向性），并将第一晶砸管T导通，电流在电弧电压的作用下转移至第一晶砸管T所在支路；当第一二级开关S1触头具有一定绝缘能力时，第二晶砸管T1导通，电容C经电感L放电，产生反向脉冲电流关断T，在此期间开断第二二级开关S2，电流将转移至固态开关支路；当第二二级开关S2触头分断至具有一定绝缘耐压等级的额定开距时，固态开关开断，电流将转移至移能电阻支路；电流转移至移能电阻后，形成正向恢复过电压加在机械开关及固态开关两端；如果机械开关支路或者固态开关支路出现故障，爆炸开关将引爆，进行开断，电流转移至移能电阻。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明能够有效结合多断口高速机械开关的低损耗载流能力和固态开关的快速关断能力；在发生失超时，能够迅速的释放能量，避免对托卡马克装置产生损伤。

2、本发明的不需判别电流方向就能实现双向关断；能够通流短时间的大电流以及承受多次换流之后的过电压。

3、本发明的多断口高速机械开关能够实现无弧关断；无需更换熔断器，降低了维护工作量，提升了工作效率。同时需要强制换流的弧压相对很小，百伏上下即可；提升了工作的稳定性。

4、本发明的多断口高速机械开关通过增加辅助触头的数目，能够在不提高单个断口电弧电压基础上提高总的弧压，既确保能进行成功换流，又能降低换流时间，同时提高了机械开关的寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为多断口高速机械开关设计简图。

图3为本发明的开关电路动作时序及各支路电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，一种大功率托卡马克装置磁体电源系统失超保护开关，包括爆炸开关、多断口高速机械开关、人工电流零点电路、固态断路器、晶砸管和移能电阻，所述多断口高速机械开关、第一晶砸管T、人工电流零点电路及二极管桥臂构成一级载流支路，与一级载流支路并联的固态断路器作为二级载流支路，与一级载流支路、二级载流支路并联的移能电阻作为三级载流支路，爆炸开关作为后备保护单元与一级、二级载流支路串联。

如图1所示，本发明的多断口高速机械开关包括串联在一起的两个二级开关S1、S2，第一二级开关S1与二极管桥臂电路并联，二极管桥臂电路由第一晶砸管T、人工电流零点电路及二极管桥臂构成，人工电流零点电路由预充电电容C、电感L和第二晶砸管T1串联组成。

本发明的第一晶砸管T与第二晶砸管T1分别由若干个晶砸管支路并联组成，每个晶砸管支路由若干个晶砸管串联组成；每个二极管桥臂支路由若干个二极管支路并联组成，每个二极管支路由若干个二极管串联组成。

本发明的多断口高速机械开关包含前中后布置的静触头、辅助触头和可动触头，接触材料为银，接触方式都为线接触，装设高熔点触点作为电弧触头，并配备循环水冷系统。多断口高速机械开关可以根据聚变装置磁体电源系统的需要与实际情况选择辅助触头的数目。

本发明的固态断路器由正向电力电子器件阀组与反向电力电子器件阀组串联组成，每组电力电子器件反向并联二极管阀组。

本发明的电力电子器件阀组由若干个电力电子器件支路并联组成，每个电力电子器件支路由若干个电力电子器件串联组成。

本发明的二极管阀组由若干个二极管支路并联组成，每个二极管支路由若干个串联二极管串联组成。

如图2所示，本发明的多断口高速机械开关分为二级开关S1、S2串联在一起。第一二级开关S1可以根据聚变装置磁体电源系统的需要增加辅助触头的数目，在不提高单个断口电弧电压基础上从而进一步提高弧压，既确保能进行成功换流，又能降低换流时间，同时提高了机械开关的寿命。当电容放电产生反向脉冲电流关断第一晶砸管T时，第二二级开关S2可以进行无弧开断。当电流转移至移能电阻时，整个过电压加在多断口高速机械开关，对二极管桥臂电路进行了保护。

本发明的固态断路器由正向电力电子器件阀组与反向电力电子器件阀组串联组成，每组电力电子器件反向并联二极管阀组。其中，电力电子器件采用任意一种IGCT、IGBT等大功率电力电子器件。将来托卡马克装置都将会是四象限环流运行的，因此本发明不需判别电流方向就能实现双向关断。

本发明的爆炸开关要满足正常工作状态下的额定通流能力，且作为后备保护开关，串接在多断口高速机械开关与固态断路开关之后，当某一条支路发生故障时，引爆炸药，将电流迅速转移至移能电阻所在支路。本发明的移能电阻支路的移能电阻能够吸收超导线圈失超时的储能，保护线圈不受损害。

如图3所示，本发明的大功率托卡马克装置磁体电源系统失超保护开关的正常开断过程：

1）系统正常运行时，多断口高速机械开关承载稳态电流，并流经与之串联的爆炸开关；

2）在t1时刻，系统检测到失超信号，立刻发出开断多断口高速机械开关的第一二级开关S1的命令，第一二级开关S1处产生电弧电压，二极管桥臂在相应电压方向下导通（具有双向性），并将第一晶砸管T导通，电流开始转移至第一晶砸管T上；

3）在t2时刻，一次换流结束，电流完全转移至第一晶砸管T上；

4）在t3时刻，第一二级开关S1完成绝缘介质恢复后，第二晶砸管T1导通，预充电电容C经电感L放电，产生反向脉冲电流对第一晶砸管T进行关断，同时发出固态断路器导通命令；

5）在t4时刻，第一晶砸管T完全关断，第二二级开关S2迅速实现零电流无弧开断，二次换流结束，电流完全转移至固态断路器上；

6）在t5时刻，第二二级开关S2触头分断至具有一定绝缘耐压等级的额定开距时，系统发出固态断路器关断命令，电流开始向移能电阻支路转移；

7）在t6时刻，三次换流完成，固态断路器完全关断，电流全部转移至移能电阻上，磁体电流开始快速下降，电磁能量被移能电阻快速消耗。

结合上述的大功率托卡马克装置磁体电源系统失超保护开关的故障开断过程，当机械开关支路或者固态断路器支路出现故障，爆炸开关将引爆炸药，快速有效的开断主回路电流，在高电压的作用下，电流转移至移能电阻，保护多断口高速机械开关或者固态断路器。

本发明的失超保护开关采用三级载流支路，共经过四次换流，有效结合机械开关的低损耗载流能力和固态开关的快速关断能力，能够实现电流双向关断以及机械开关无弧关断等特点。