ITER校正場(chǎng)線圈饋線系統(tǒng)干盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張 彥， 孟冠軍， 鄭紅梅， 宋云濤， 劉素梅， 沈 光， 朱立紅

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

ITER校正場(chǎng)線圈饋線系統(tǒng)干盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張 彥1， 孟冠軍1， 鄭紅梅1， 宋云濤2， 劉素梅2， 沈 光2， 朱立紅1

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

校正場(chǎng)線圈饋線系統(tǒng)的干盒用于容納高溫超導(dǎo)電流引線室溫端與外部室溫電力系統(tǒng)的過渡連接接頭，并為此過渡連接以及外部電纜提供可靠的支撐。其設(shè)計(jì)的合理可靠與否將會(huì)直接影響ITER裝置的正常運(yùn)行。文章根據(jù)ITER裝置對(duì)干盒設(shè)計(jì)的要求，對(duì)CC干盒的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)說明，并對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)的受力、熱傳導(dǎo)及結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行計(jì)算和分析，為干盒結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研制提供了理論依據(jù)。

干盒；過渡連接；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER的目標(biāo)是建造一個(gè)可以自持燃燒的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)堆，用來驗(yàn)證熱核聚變反應(yīng)的工程可行性，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用核聚變能時(shí)所需的要素進(jìn)行試驗(yàn)［1］。從線圈終端盒CTB（Coil Terminal Box，簡(jiǎn)稱CTB）伸出的電流引線終端，需要和外部室溫電力系統(tǒng)進(jìn)行連接［2］，電流引線的終端冷卻采用50K的氦氣輸入，最終輸出為300K［3］。由于電流引線終端溫度較低會(huì)造成濕氣聚集結(jié)冰或霜，結(jié)冰或霜會(huì)增加終端之間電弧放電的危險(xiǎn)，并且難以保證有較高的接地電阻。因此，在CTB的外側(cè)專門設(shè)計(jì)一個(gè)用來干燥的箱體——干盒，電流引線的室溫端在此盒體內(nèi)與外部室溫電源連接。干盒設(shè)計(jì)的合理可靠與否將會(huì)直接影響到整個(gè)ITER裝置的正常運(yùn)行。

1 CC干盒設(shè)計(jì)

CC干盒位于校正場(chǎng)線圈CC（Correction Coils）饋線系統(tǒng)的終端，固定在線圈終端盒的外側(cè)。干盒主要用于容納高溫超導(dǎo)電流引線［4］室溫端與外部室溫電力系統(tǒng)的過渡連接接頭，并為過渡連接及外部電纜提供可靠的支撐。同時(shí)，盒內(nèi)還需容納一些氦流管路、高壓絕緣、檢測(cè)監(jiān)控等輔助部件。作為S彎盒－線圈終端盒－干盒總成的一部分（S彎盒主要用于容納超導(dǎo)母線和冷卻管路的S形彎曲部分），干盒結(jié)構(gòu)必須尺寸緊湊，方便裝拆和設(shè)施維護(hù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CC干盒的結(jié)構(gòu)

1.1 與外部室溫電力系統(tǒng)的過渡連接

由于電流引線室溫端與外部電源都是剛性結(jié)構(gòu)，過渡連接的設(shè)計(jì)需要彌補(bǔ)這兩者的制造和安裝誤差。因此，選擇了兩端剛性中段柔性的銅排軟連接作為過渡連接的主體，這樣就可以滿足外部電纜的形變及相鄰連接部件的柔性裝配要求。在銅排剛性的兩端分別加工出若干通孔，以便使用螺栓對(duì)外部電源以及電流引線終端進(jìn)行連接。

根據(jù)CC線圈電流引線的工作狀態(tài)，最大通過電流為10kA，常態(tài)及故障態(tài)最大電壓為15kV，選擇的銅排技術(shù)參數(shù)［5］如下：橫截面積為30×120mm2，每米電阻為66.6μΩ，許用負(fù)荷為12kA／根，每米質(zhì)量為32kg。

同時(shí)，對(duì)過渡連接的整體進(jìn)行絕緣環(huán)氧粉末涂層，這樣可以有效地防止放電和避免溫升過高。在穿過頂板矩形通孔的這段銅母線上纏繞耐高溫云母絕緣帶，并在矩形通孔兩側(cè)墊上橡膠墊片絕緣，可以消除銅母線與通孔壁之間的縫隙，減少電弧放電的危險(xiǎn)。

1.2 氦氣管道的布置

CTB中采用氣冷電流引線設(shè)計(jì)，利用液氦容器中蒸發(fā)出來的冷氦氣帶走引線的傳導(dǎo)熱和焦耳熱。冷氦氣輸出管道布置在CC干盒中，氦的流量由室溫端的溫度傳感器和控制閥門決定，氦氣流量采用渦輪流量計(jì)記錄。流量計(jì)必須水平冗余布置，而且流入端管長(zhǎng)要大于10～20倍管徑，流出端管長(zhǎng)要大于5倍管徑。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］要求，當(dāng)氦流量為0.6g／s時(shí)，按照SCH40（SCH表示英制管壁厚系列）的標(biāo)準(zhǔn)氦管選取了D15（即外徑為21.34mm，壁厚為2.769mm）的鋼管。整個(gè)管路的布置和走向需要盡量考慮安裝和維護(hù)的便利，并同時(shí)要滿足測(cè)量器件的安裝使用要求。管路上包有隔熱層，并且安裝耐高壓絕緣子。隔熱層需要有一定的厚度，才可以避免管道內(nèi)氦氣的低溫傳導(dǎo)至干盒內(nèi)部，否則會(huì)產(chǎn)生干盒內(nèi)元器件凝露結(jié)霜現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 氦氣管道的布置

1.3 輔助配件

在干盒中還有一些輔助配件，如圖3所示。

圖3 輔助配件

（1）電流引線終端嵌入式的電加熱器。在待機(jī)或故障狀態(tài)下，通過電流引線的電流較小或者無電流通過，此時(shí)氦流量有可能還維持在正常的0.6g／s。

因此，需要在每個(gè)電流引線終端嵌入全負(fù)荷為0.75kW的電加熱器，通過電加熱器的升溫作用來保證引線室溫端溫度不低于300K。這樣可以保證電流引線在不同運(yùn)行工況下，其回氣管路上都無結(jié)霜現(xiàn)象。

（2）微型攝像機(jī)和除濕加熱器。為了監(jiān)控干盒內(nèi)結(jié)霜和電弧放電的情況，在干盒殼體左右側(cè)板內(nèi)壁上安裝有線的微型攝像機(jī)，同時(shí)也為攝像機(jī)提供了照明電源。

為了給干盒內(nèi)的電力設(shè)備防潮、防凝露，同時(shí)提高工作環(huán)境溫度，在側(cè)板上安裝了除濕加熱器。

（3）為了隨時(shí)監(jiān)控電流引線終端及過渡連接的工作狀態(tài)，安裝溫度傳感器、壓力計(jì)和高壓開關(guān)等輔助配件在相關(guān)的元器件上。

1.4 干盒殼體

干盒殼體的設(shè)計(jì)應(yīng)具有一定剛度，可以提供在運(yùn)輸過程對(duì)電流引線的機(jī)械保護(hù)作用。與外界保證良好的密封性，保持干空氣內(nèi)外壓差維持在0.1Pa。

干盒與CTB之間方便拆卸，尺寸緊湊，方便維護(hù)內(nèi)部設(shè)施，同時(shí)還要滿足外部室溫電纜與電流引線的連接要求。

殼體由頂、底板、左、右側(cè)面板及前側(cè)板組成，整體尺寸為1 120mm×1 100mm×1 320mm，缺少面板的后側(cè)用螺紋連接件緊固于CTB殼體上。為了保證良好的氣密性及減少殼體與電流引線及外部電源之間的電磁力［6］，殼體框架采用60mm×60mm，厚度為5mm的304L不銹鋼方管制成，底板和3個(gè)側(cè)板采用厚度為5mm的304L不銹鋼板材制成，頂板采用高壓絕緣板，板材和框架之間通過螺紋連接件，所有接縫處均采用橡膠密封墊進(jìn)行密封。

在盒內(nèi)正負(fù)電流引線室溫端之間安裝不銹鋼隔離板，當(dāng)電流引線發(fā)生電弧等異常情況時(shí)，不銹鋼隔離板可以引導(dǎo)電弧，從而達(dá)到保護(hù)電流引線的作用［6］。

隔離板自重較大，因此在底板和頂板內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)了滑輪和導(dǎo)軌，方便隔離板拆裝。

由于CC干盒基本上是在ITER裝置的最外端，因此從裝置中心開始安裝累積的誤差將在此處應(yīng)該得到彌補(bǔ)，同時(shí)干盒也需要能方便地從CTB上拆離。

為了達(dá)到上述要求，在干盒底部設(shè)計(jì)了一個(gè)帶可調(diào)節(jié)腳輪的型鋼基架。

2 CC干盒的計(jì)算與分析

2.1 銅母線上的電磁力的影響

從CTB中伸出的2組電流引線采用正負(fù)成對(duì)的方式排列，中間安裝不銹鋼隔離板，同極的一對(duì)電流引線是垂直平行布置的。

為了更好地與外部電源連接，處于下端的一對(duì)電流引線需要安裝一對(duì)水平的剛性銅排。而這對(duì)銅排剛好和穿過CC干盒的磁力線垂直，會(huì)產(chǎn)生電磁力［7］，計(jì)算如下：

其中，F(xiàn)為電磁力；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；I為通過銅排的電流；L為水平段銅排的長(zhǎng)度。

計(jì)算結(jié)果表明，水平段銅排所受電磁力與電流引線終端所承受的104N／m量級(jí)的電磁力相比很小，只要在底部安裝個(gè)小托架保持安裝位置即可，不需要像電流引線那樣另外增加固定支撐去抵消電磁力。

2.2 氦管隔熱層的厚度計(jì)算

氦管隔熱層可以避免干盒內(nèi)元器件凝露結(jié)霜，其厚度的計(jì)算可以歸結(jié)為圓筒壁沿半徑方向的一維導(dǎo)熱問題［8］。

圓柱坐標(biāo)系（r，Φ，z）中的傳熱微分方程為：

其中，ρ、c、、τ分別為微元體的密度、比熱容、單位時(shí)間內(nèi)單位體積內(nèi)熱源的生成熱及時(shí)間。

根據(jù)（2）式得常物性、穩(wěn)態(tài)、一維、無內(nèi)熱源圓筒壁的導(dǎo)熱微分方程［9］為：

根據(jù)圓筒邊界條件，當(dāng)r＝r1時(shí)，t＝t1；當(dāng)r＝r2時(shí)，t＝t2。由傅里葉定律得到圓筒壁面的熱流量Φ為：

而熱流量Φ可以由牛頓冷卻定律得到：

這樣，可以得到以下關(guān)系：

其中，T1為直徑d1的管道內(nèi)表面溫度，150K；T2為直徑d2的管道外表面溫度，若不出現(xiàn)結(jié)霜，設(shè)為279K；ΔT為溫差；h為對(duì)流換熱系數(shù)；A為換熱面積；λ為導(dǎo)熱系數(shù)即熱導(dǎo)率，0.02W／（m·K）；l為管長(zhǎng)。

最終計(jì)算出隔熱層厚度為9mm，可以保證氦氣管道外部不會(huì)凝露結(jié)霜。

2.3 干盒結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

為確保CC干盒在可能發(fā)生的地震中不至于損壞，對(duì)其進(jìn)行地震分析也是必不可少的。首先對(duì)結(jié)構(gòu)采用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，如圖4所示。求出終端盒本體的固有頻率，再對(duì)模型施加建設(shè)候選地之一的法國(guó)卡達(dá)拉奇地震頻譜載荷。分析結(jié)果表明，盒體抗震性能較好，地震載荷對(duì)干盒整體變形及應(yīng)力影響不大，可以忽略。

圖4 干盒模態(tài)分析

3 結(jié)束語

CC干盒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，涉及機(jī)械、力學(xué)、電物理和熱工化學(xué)等多門學(xué)科。本文針對(duì)CC干盒的主要作用和設(shè)計(jì)要求，對(duì)干盒的整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部組成進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明和相應(yīng)的計(jì)算分析，并以計(jì)算和分析結(jié)果作為設(shè)計(jì)時(shí)參考依據(jù)，為結(jié)構(gòu)的最終確定提供合理可靠的理論依據(jù)。

［1］Aymar R.Fusion engineering and design［J］.Status of ITER，2002，（61／62）：5－12.

［2］ITER Organization.The ITER Magnet Feeder Systems Functional Specification and Interface Document［S］.

［3］ITER Organization.PID＿OF＿CC＿FEEDER［S］.

［4］ITER I O.ITER material properties handbook［S］.

［5］SDGJ 14－1986，導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.

［6］張四海，吳紅斌.基于DSP的高壓防爆開關(guān)微機(jī)保護(hù)控制器的研制［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32（2）：184－187.

［7］梁燦彬，秦光戎，梁竹健.電磁學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004：202－205.

［8］楊世銘.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006：33－56.

［9］盛宏玉，李和平，葉建喬，等.層狀介質(zhì)熱傳導(dǎo)瞬態(tài)分析的一種新半數(shù)值解法［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（5）：709－712，721.

Structural design and analysis of ITER CC dry box

ZHANG Yan1， MENG Guan－jun1， ZHENG Hong－mei1， SONG Yun－tao2，LIU Su－mei2， SHEN Guang2， ZHU Li－h(huán)ong1

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China）

Dry box of correction coil（CC）is used to house the interface between the high temperature superconducting current leads（HTSCLs）on the feeder side and the room temperature bus－bars（RTBB）on the power system side.It can provide the reliable support for the interface and the RTBB.The stand or fall of the design will affect the normal operation of the ITER device.According to the design requirements of dry box for ITER device，the overall structure of CC dry box is designed，and the relevant force analysis，heat transfer calculation and structural model analysis are performed.The results can provide a theoretical foundation for the further study of the dry box structure.

dry box；interface；structural design

TL62.6；TH122

A

1003－5060（2012）04－0444－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.04.003

2011－09－28；

2011－11－02

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2008CB717906）；ITER計(jì)劃專項(xiàng)支持資助項(xiàng)目（2008GB102000）

張 彥（1973－），女，山東臨清人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師；

鄭紅梅（1966－），女，安徽長(zhǎng)豐人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師；

宋云濤（1973－），男，安徽安慶人，博士，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 呂 杰）