EAST失超保护系统中雷管炸药的设计及应用
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[摘 要]介绍爆炸开关的基本工作原理，爆炸开关的驱动部分----雷管炸药的总体设计、雷管的选用、主装药的选用、实验验证、具体给出了它们的主要性能参数及雷管炸药在east失超保护系统中的具体应用。
中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0244-03
[Abstract] Introduce the basic working principle of switch explosion， explosion switch - driven part of the overall design of the explosive detonator， and the selection of detonator， the selection of the main charge， experimental verification， and the main performance parameters are given specific explosive detonator in EAST quench protection system of the specific application.
[Key words]explosion switch； explosive detonator； quench protection system in EAST
1 引言
极向场电源系统是EAST超导托卡马克装置的重要组成部分，等离子体的产生、约束与平衡等都必须依赖于纵场与极向场磁体，它们都储存着巨大的磁场能量。如果一旦磁体发生失超，储存在其中的巨大能量必须立即释放出去，否则将会损坏磁体，造成不可估量的损失，因此失超保护系统[1]在超导磁体失超保护中起着非常重要的作用。
EAST的极向场超导磁体的失超保护采用直流快速断路器与爆炸开关作为其保护开关。直流快速断路器为主保护开关，爆炸开关作为后备保护开关。爆炸开关作为EAST超导磁体电源的后备保护开关，是超导磁体失超后的最后一级保护，因此，对整个超导磁体的安全运行有着极其重要的作用。其所在的极向场电源系统电路原理图如下图1所示，图中的PB即为爆炸开关。
爆炸开关是一种炸药驱动的机械开关，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，增加了造价和使用的麻烦。因此，爆炸开关一般用于大功率电源的后备保护和电感储能脉冲功率电源电路中。我们现在使用的爆炸开关是引进俄罗斯的产品，通过消化吸收它们的技术并经过技术改进实现了完全依靠自己的力量来设计和加工。
本文将重点介绍爆炸开关的驱动部分----雷管炸药的总体设计、雷管的选用、主装药的选用、实验验证及雷管炸药在EAST失超保护系统中的具体应用。
CU1、CU2：整流器；CU3：旁通堆；HVBC：高压开关柜；L1、L2：平衡电抗器；DS1、DS2：隔离开关； PB：爆炸开关； DCCB1、DCCB2：直流快速断路器；R：移能电阻（0.1Ω）；L：储能电感（2mH）； F：熔断器（315A）；D：二极管（2kV/4kA）；DCCT1―DCCT4：电流传感器；RT1―RT3：罗柯线圈。
2 爆炸开关的基本工作原理
爆炸开关[2]主要由开关主体、触头系统、夹持机构和驱动部分组成。开关的基本结构如下图2所示。
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，在爆炸产生的巨大压力下，绝缘块产生径向变形，迅速膨胀产生的巨大推力使处于其上、下位置的两触头分别迅速冲断上、下导电环并发生分直至被固定在钢衬套中，下触头向下运动直到落到地面上。触头分离过程离运动，上触头向上运动中产生的电弧在巨大的爆轰波气流作用下很快熄灭，开断电流立刻由开关向与其并联的支路换流，此时开关的介质绝缘强度迅速恢复，开关完全分断。
爆炸开关是单次设备，每次分断后，需要更换触头系统和驱动机构。在每套EAST极向场电源回路中，使用一个爆炸开关作为后备保护开关。其主要技术参数如下表1所示。
3 雷管炸药的基本组成及作用原理
雷管炸药由导爆管雷管、炸药柱、外筒及固定套等零部件组成。在爆炸开关机构中，在电脉冲作用下，导爆管雷管起爆，进而起爆炸药柱，炸药柱输出爆轰波，分断爆炸开关上、下导电触头，雷管炸药便完成其作用过程
3.1 外形尺寸
结合产品的特点和需求，设计如下所示外形结构与尺寸，见图3。
3.2 输入
雷管的钝感度要高，在外界电磁干扰下不发生误炸，同时在需要其爆炸时，必须要可靠引爆且延时短，从发生脉冲引爆雷管到炸药爆炸，时间需限定在12.5ms以内。
3.3 输出
产品作用后在满足φ35mm×（3.18±0.075）mm钢板上的炸孔应大于Ф6。
3.4 贮存年限
产品贮存[4]年限为2年。
4 雷管炸药的研制过程
4.1 总体设计[3]
依据《爆炸开关用火工品研制合同书》的相关规定，进行了该雷管炸药产品的研制。从雷管炸药的输入、输出及工艺性等方面进行了充分的分析、论证和试验，对药剂的机理和合理匹配进行了理论分析，设计了由导爆管雷管、主装药（炸药柱）、外筒及固定套组成的产品结构，产品输出威力可根据主装药装药量调整。
4.2 雷管选用
根据产品需求钝感性高、抗复杂电磁干扰能力强及作用时间短（12.5ms以内）的特点，选用导爆管雷管作为产品的输入雷管。
导爆管雷管不仅可以满足产品从发生脉冲引爆雷管到炸药爆炸时间限定在12.5ms以内的技术指标要求，而且其作用可靠性高、可经受一定的高温冲击以及抗电磁干扰能力强。
4.3 主装药选用
主装药选用紫胶造粒黑索今炸药柱。
4.4 试验验证
4.4.1 与爆炸开关的首次适配性试验
按外筒内装炸药柱装配数量不同装配产品各进行了适配性试验，试验结果见表2。
由表1试验结构可以看出，方案2、3可靠地满足了爆炸开关的性能要求，有效地实现了分断爆炸开关上、下导电触头的目标，同时，从产品作用时安全性考虑，项目组将产品输出端装药量确定为方案2，即将产品的输出药量定为1590mg（炸药柱数量为2个，炸药柱密度约1.58g/cm3）。
根据试验情况，确定了最终产品结构方案：即
保持产品外形结构尺寸及输出端装药量不变，但将外筒内装药柱外型尺寸由Ф8×10 0 -0.2调整为Ф13.5×7 0 -0.2（炸药柱外径均为模具尺寸，密度约1.58g/cm3）。炸药柱更改后的产品项目组进行了相关摸底试验，试验结果表明其满足技术指标要求。
技术状态确定后，完善了产品图、编制了装配作业指导书，并按作业指导书的规定装配了产品30发进行摸底试验，摸底试验结果见表3。
摸底试验结果表明，产品性能达到技术指标要求。
4.4.2 技术鉴定试验
在摸底试验的基础上，根据确定后的技术状态装配产品210发进行了技术鉴定试验，试验结果见表4
表3试验结果表明，产品技术鉴定合格，满足系统下达的技术指标要求。
4.4.3 与爆炸开关的第二次适配性试验
按外筒内装炸药柱装配数量不同装配产品各进行了适配性试验，3发进行爆炸开关适配性试验，试验消耗产品1发且作用正常。
5 产品可靠性、安全性及标准化情况
5.1 可靠性分析
累计到技术鉴定试验及与爆炸开关的适配性试验结束，状态固化后的产品共试验241发（含与爆炸开关的适配性试验数量），无一失效。按GJB 376-1987 评估其可靠性，计算其在一定置信水平
下的可靠度。已知试件数n，合格数k，失效数f，置信度c。当f=0，即n=k时，采用以下简化公式：
可靠度 R=
则截止到技术鉴定试验及与爆炸开关的适配性试验完成，产品可靠度R==0.9901。
5.2 安全性分析
产品采用安全性好的导爆管雷管、紫胶造粒黑索今炸药柱装配而成，可有效保证成品的安全。
5.3 标准化贯彻情况
标准化贯彻情况见《爆炸开关用火工品标准化审查报告》。
6 结论
该雷管炸药火工品结构设计合理、可行；技术鉴定试验结果表明其性能已达到了系统下达的技术指标的要求；技术文件齐全、完整、统一、正确，文理一致，文实相符，符合标准化要求；且已经在该失超保护系统中应用。
参考文献
【1】、宋执权，傅鹏，汤伦军.EAST极向场电源失超保护系统的设计及模拟实验.核聚变与等离子体物理Vol.27， No.1，2007（3）：28-33.
【2】、微型平面复合薄膜电爆炸开关的设计和研究（英文），《强激光与粒子束》2015年02期