CFETR CS模型線圈電源及磁體保護系統設計與分析.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驗裝置上已取得了突破進展。中國聚變工程實驗堆(CFETR)是由我國完全自主設計的一個全超導托卡馬克型的實驗堆，對我國未來建造原型聚變電站具有重要指導作用，并提供物理科學、工程技術上的強力支撐。中心螺管(CS)線圈是CFETR磁體系統的核心部件，它在運行時的最高磁場為12T，磁場隨時間的最大變化率可以達到1.5T/s。為了發(fā)展大型超導磁體的關鍵工程技術，我們開展了CS模

2、型線圈的研制，并建立一個大型低溫測試平臺，在CS模型線圈完成制造后，對其進行一系列的實驗來研究和評估線圈的性能。電源系統作為測試平臺的重要組成部分，將為線圈提供所需的測試電流，為線圈的性能測試提供條件。同時，CS模型線圈儲能約407MJ，在發(fā)生失超若不能迅速釋放能量，將不僅損壞超導線圈，甚至危及實驗裝置，對其造成嚴重損傷，因此失超保護系統作為電源系統的重要部分，它的設計及研制對于CS模型線圈的安全、可靠運行具有重要意義。
　　本文

3、首先對測試電流波形的特性進行了解析，采用現有的ITER直流測試平臺整流器和PF變流器作為實驗電源，設計了電源主回路拓撲結構以滿足CS模型線圈大電流(47.65kA)、電流快速變化(5.96kA/s)的測試要求。針對電源的不同運行模式，提出了相應的控制策略，并搭建了MATLAB/Simulink仿真模型對主回路進行仿真，以驗證主回路設計的可行性。對主回路中開關網絡單元的換流電阻等主要器件進行了參數計算。通過分析比較，采用了主開關并聯熔斷器

4、的二次換流技術，克服了斷路器無法對直流大電流進行直接開斷的技術難點，并從理論上詳細分析了開關向熔斷器的一級換流過程及影響換流的因素。
　　根據CS模型線圈的失超保護系統參數要求，進行了失超保護系統的設計，并對失超保護系統中的關鍵部件進行了分析、設計和實現。研制了50kA級直流快速斷路器作為失超保護開關，并介紹了它的基本結構，分析了其工作原理，并對性能進行了測試。通過理論分析和計算，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、成了移能電阻的結構設計和實現。完成了熔斷器的參數計算、結構設計及制造，同時完成了二極管的參數計算、選型和采購。
　　設計了安全、可靠的失超保護控制系統。重點對關鍵的硬件電子線路保護系統采用故障樹和可靠性框圖分析法對其進行了可靠性的定性和定量分析，為該硬件保護系統的可靠性設計和實現提供了理論指導和依據。
　　開展了失超保護開關的實驗研究。主要設計了熱穩(wěn)定性和開斷性能測試方案，并分析了失超保護開關在30kA運行電流下的熱穩(wěn)定實驗