CFETR CS模型線圈電源及磁體保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析.pdf

1、核聚變能是未來理想新能源，目前開發(fā)聚變能的研究在托卡馬克類型的磁約束實(shí)驗(yàn)裝置上已取得了突破進(jìn)展。中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)是由我國(guó)完全自主設(shè)計(jì)的一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克型的實(shí)驗(yàn)堆，對(duì)我國(guó)未來建造原型聚變電站具有重要指導(dǎo)作用，并提供物理科學(xué)、工程技術(shù)上的強(qiáng)力支撐。中心螺管(CS)線圈是CFETR磁體系統(tǒng)的核心部件，它在運(yùn)行時(shí)的最高磁場(chǎng)為12T，磁場(chǎng)隨時(shí)間的最大變化率可以達(dá)到1.5T/s。為了發(fā)展大型超導(dǎo)磁體的關(guān)鍵工程技術(shù)，我們開展了CS模

2、型線圈的研制，并建立一個(gè)大型低溫測(cè)試平臺(tái)，在CS模型線圈完成制造后，對(duì)其進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)來研究和評(píng)估線圈的性能。電源系統(tǒng)作為測(cè)試平臺(tái)的重要組成部分，將為線圈提供所需的測(cè)試電流，為線圈的性能測(cè)試提供條件。同時(shí)，CS模型線圈儲(chǔ)能約407MJ，在發(fā)生失超若不能迅速釋放能量，將不僅損壞超導(dǎo)線圈，甚至危及實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)其造成嚴(yán)重?fù)p傷，因此失超保護(hù)系統(tǒng)作為電源系統(tǒng)的重要部分，它的設(shè)計(jì)及研制對(duì)于CS模型線圈的安全、可靠運(yùn)行具有重要意義。
　　本文

3、首先對(duì)測(cè)試電流波形的特性進(jìn)行了解析，采用現(xiàn)有的ITER直流測(cè)試平臺(tái)整流器和PF變流器作為實(shí)驗(yàn)電源，設(shè)計(jì)了電源主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足CS模型線圈大電流(47.65kA)、電流快速變化(5.96kA/s)的測(cè)試要求。針對(duì)電源的不同運(yùn)行模式，提出了相應(yīng)的控制策略，并搭建了MATLAB/Simulink仿真模型對(duì)主回路進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證主回路設(shè)計(jì)的可行性。對(duì)主回路中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元的換流電阻等主要器件進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算。通過分析比較，采用了主開關(guān)并聯(lián)熔斷器

4、的二次換流技術(shù)，克服了斷路器無法對(duì)直流大電流進(jìn)行直接開斷的技術(shù)難點(diǎn)，并從理論上詳細(xì)分析了開關(guān)向熔斷器的一級(jí)換流過程及影響換流的因素。
　　根據(jù)CS模型線圈的失超保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)要求，進(jìn)行了失超保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)失超保護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。研制了50kA級(jí)直流快速斷路器作為失超保護(hù)開關(guān)，并介紹了它的基本結(jié)構(gòu)，分析了其工作原理，并對(duì)性能進(jìn)行了測(cè)試。通過理論分析和計(jì)算，確定了大功率移能電阻阻值的大小、電阻材料的選取并完

5、成了移能電阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。完成了熔斷器的參數(shù)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造，同時(shí)完成了二極管的參數(shù)計(jì)算、選型和采購(gòu)。
　　設(shè)計(jì)了安全、可靠的失超保護(hù)控制系統(tǒng)。重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵的硬件電子線路保護(hù)系統(tǒng)采用故障樹和可靠性框圖分析法對(duì)其進(jìn)行了可靠性的定性和定量分析，為該硬件保護(hù)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了理論指導(dǎo)和依據(jù)。
　　開展了失超保護(hù)開關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。主要設(shè)計(jì)了熱穩(wěn)定性和開斷性能測(cè)試方案，并分析了失超保護(hù)開關(guān)在30kA運(yùn)行電流下的熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)