Deltamax高壓緩沖器的研制

謝飛，李格

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣東順德528300；2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽合肥2300312）

Deltamax高壓緩沖器的研制

謝飛1，2，李格2

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣東順德528300；2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽合肥2300312）

高壓緩沖器（core snubber）是抑制超導(dǎo)托卡馬克聚變實驗裝置EAST加熱中性束器高壓故障時短路電流的重要裝置。在鐵芯疊片近飽和等效電阻理論基礎(chǔ)上，修正原模型忽略等效電感的模式模型，針對等效電阻和電感共同作用的實際工況，通過仿真模型和實驗優(yōu)化得到基于Deltamax材料緩沖器物理與結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，所研制緩沖器經(jīng)96.5 kV／4 nF實驗測試，可有效抑制短路電流在400 A之內(nèi)，保障核心部件離子源安全運行，測試值與理論分析模型基本吻合，整個系統(tǒng)運行可靠。

加熱中性束；高壓緩沖器；B-H曲線；分布電容；放電試驗；電弧電流

超導(dǎo)托卡馬克聚變實驗裝置EAST（experimental advanced superconducting tokamak）國家大科學(xué)工程項目，自2006年首次成功完成放電實驗，獲得電流200 kA、時間接近3 s的高溫等離子體放電以來，EAST國際顧問委員會就強烈建議高功率加熱是EAST要作為未來深入研究計劃的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。

在托卡馬克里，加熱中性束（heating neutral beam，HNB）加熱是除了歐姆加熱之外，對等離子體外部加熱和維持的4種主要方式（加熱中性束、低雜波、電子回旋頻段波、離子回旋頻段波）中加熱效率最高、物理驅(qū)動機理最明晰的加熱方式，同時也是EAST升級實驗水平及正在建設(shè)的聚變堆ITER所采用的芯部輔助加熱和非感應(yīng)電流驅(qū)動主要手段之一［2-3］。

強流離子源加速器是大功率加熱中性束器關(guān)鍵的核心部件。由于其工作狀態(tài)的特殊性，必須對其加以故障限流保護，以免負載故障時吸收能量過大而損壞。高壓緩沖器（core snubber）是一種用多個鐵心磁環(huán)套在通向離子源的電流導(dǎo)線上實現(xiàn)保護離子源的裝置，其原理是利用鐵磁材料渦流損耗和磁滯損耗消耗故障能量。

由于鐵芯緩沖器的等效分析方法在已有文獻中都是基于等效電阻和將等效并聯(lián)電感視為無窮大而忽略的模型，對緩沖器不同信號激勵表現(xiàn)出不同的電感作用的分析甚少。因此給出了一種電路理論分析結(jié)合仿真模擬方法，并利用實驗數(shù)據(jù)設(shè)計基于新型Deltamax材料的緩沖器。最后通過現(xiàn)場測試，驗證其設(shè)計合理性。

1 中性束加熱系統(tǒng)分析

我國重點發(fā)展的50-80 keV／4 MW／10-100 s加熱中性束系統(tǒng)主要由大功率高壓電源系統(tǒng)、高壓傳輸線和離子源加速器等組成［4-7］，是由包括燈絲電源、弧電源、加速級電源、抑制極電源、緩沖器電源和偏轉(zhuǎn)磁體電源等組成［8］。燈絲電源和弧電源用于加熱鎢燈絲并使之放電，產(chǎn)生等離子體弧流，加速后以離子束形式引出。加速極電源和抑制極電源為離子源引出系統(tǒng)的加速極和抑制極供電，電壓分別為100 kV和-5 kV，提供離子束引出功率。偏轉(zhuǎn)磁鐵電源為偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈供電，將未中性化的離子偏轉(zhuǎn)吞噬。其中燈絲電源和弧電源均浮在加速極直流電源100 kV的高電位上。

強流離子源是HNB核心部件，其熱負荷和電氣絕緣對過壓、過流非常敏感。在高壓鍛煉和離子束引出階段，電極間打火、擊穿現(xiàn)象頻繁發(fā)生。每次擊穿在電極上的能量沉積和短路電流峰值必須加以限制（約5 J）［8］，避免損壞離子源。

現(xiàn)有的100 kV／100 A高壓PSM電源動態(tài)響應(yīng)為μs量級，其變壓器內(nèi)部的分布電容儲能可達40 J以上［9］，一旦發(fā)生打火擊穿，可在幾μs內(nèi)通過開關(guān)切斷電源，起到一定的保護作用。而雜散電容儲能必須通過串聯(lián)保護單元吸收，高壓緩沖器是目前世界上所有HNB無一例外地抑制短路電流保護離子源的重要手段。

圖1是離子源和電源電路示意圖。

圖1 離子源和電源電路示意圖Fig.1 Schematic of ion source and power supply

針對ESAT HNB離子源和電源電路分析可知，雜散電容是由離子源自身電容C1、HNB測試平臺對地電容C3、傳輸線電容C2和電源系統(tǒng)電容（C4、C5、C6）等組成。除了離子源電容C1以外，其余雜散電容均是懸浮在高壓100 kV之上，相當(dāng)于并聯(lián)，在后圖中用C0表示。根據(jù)國外同類裝置的經(jīng)驗，這些分布電容值之和約為3.5 nF［10-11］。

2 Deltamax材料特性分析

高壓緩沖器是利用鐵磁材料的渦流損耗和磁滯損耗吸收分布電容儲能的一種常用的方法。鐵磁材料在磁化與反磁化的過程中有一部分能量不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芩鶕p耗即鐵耗。

有研究表明［12-15］，當(dāng)激勵的脈沖信號為高頻時，不規(guī)則渦流損耗將成為鐵耗的主要組成部分。由于鎳鐵系合金材料在高頻低于1 MHz脈沖激勵下仍具有較高的磁導(dǎo)率，因此在選擇鐵磁材料時，優(yōu)先考慮鎳鐵系合金材料。Deltamax是一種微晶取向50-50 Ni-Fe合金材料，具有性能優(yōu)異的矩形B-H回線，低矯頑力，高磁通密度和高矩形系數(shù)，可以做到1／4 mil的厚度，其典型B-H參數(shù)飽和磁通密度（BS）為1.5 T，剩磁磁通密度（Br）為1.47 T。

3 高壓緩沖器設(shè)計

3.1 等效電路分析

根據(jù)HNB系統(tǒng)的設(shè)計要求，在系統(tǒng)故障打火擊穿時，離子源的阻值由穩(wěn)態(tài)1 000 Ω變?yōu)椋?6］僅100 mΩ，相當(dāng)于故障短路。分析可知，離子源短路時的雜散電容放電情況如圖2所示，其中C0為回路總雜散電容，緩沖器簡化成電感Ls和非線性電阻Rs的并聯(lián)。

取任一鐵芯疊片分析，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。假設(shè)穿過鐵芯電流上升速度很快，可以近似認為鐵片僅由剩磁區(qū)Br向飽和區(qū)Bs過渡，而無發(fā)生磁通轉(zhuǎn)向的過渡區(qū)域。其中W表示疊片寬度，d表示疊片厚度，a表示疊片飽和深度，r表示該疊片對應(yīng)的半徑。

圖2 離子源短路等效電路圖Fig.2 Schematic of equivalent circuit of ion source fault

圖3 反向磁化的鐵芯疊片層示意圖Fig.3 Schematic of configuration in the tape during magnetic reversal

該鐵芯疊片磁通為

外層飽和區(qū)感應(yīng)電壓為

感應(yīng)電壓V在疊片外層區(qū)域產(chǎn)生渦流，該渦流流通路徑的電阻近似為

式中：ρ為鐵芯材料的電阻率，Ω／m。

實驗所得渦流損耗通常是簡化計算所得的渦流損耗的2～3倍［17-19］。根據(jù)文獻［13］工程經(jīng)驗，取2.5，即渦流滿足：

當(dāng)疊片沒有完全飽和時，即a＜d／2，疊片內(nèi)部中還存在磁場強度H為0的內(nèi)層剩磁區(qū)。在剩磁區(qū)中，任取一條包含短路電流iA的閉合曲線，由安培環(huán)路定律，可得任一疊片中的渦流電流ie滿足：

式中：iA是短路電流，ie是載流導(dǎo)線匝數(shù)。

若用rn表示鐵芯第n層疊片的半徑，an表示第n層的飽和深度，則

第n層與最內(nèi)層的飽和深度的關(guān)系滿足：

式中：n＝1，2，…，NL，其中NL為鐵芯疊片層數(shù)。

近似得到故障時的瞬態(tài)短路電流iA滿足方程：

式中：RS為總渦流等效電阻，文獻［13］在忽略并聯(lián)電感作用時求解得到

式中：Nc為串聯(lián)鐵芯數(shù)；r1為最內(nèi)層疊片半徑，m；r0為最外層疊片半徑，m。求解方程（8）可得放電時間常數(shù)：

短路電流iA隨時間變化，其值為

此模型在較低的電壓下測試，可忽略并聯(lián)電感對弧電流的影響，弧電流的實測波形與理論波形有較好吻合。但在實驗測試時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電容電壓超過某一電壓（飽和閾值電壓）時，弧電流出現(xiàn)了振蕩，此時，緩沖器阻抗降低。分析其并聯(lián)電感解析式為

式中：S為磁路面積，l為磁路路徑，μ為磁導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，由于鐵芯疊片厚度很薄，由式（6）、（7）、（14）可近似為

圖4 時變電感與電阻對時間的函數(shù)圖Fig.4 Schematic of variable inductance as a function of time

時變電感LS和時變電阻RS是隨時間常數(shù)τ的減函數(shù)，其對時間的函數(shù)圖如圖4所示，當(dāng)鐵芯疊片最內(nèi)層達到完全飽和時，時變電阻和時變電感出現(xiàn)最低值。入并聯(lián)電感后電路特性的變化情況，修正等效電阻計算時忽略電感的影響因素，建立故障仿真電路如圖5所示，其中SC1，SC2為HNB梯度極分壓電容，R1、R2、R3為梯度極分壓電阻。

在100 kV電壓放電時，考慮時變電感時的仿真電流波形如圖6所示。

圖5 電流仿真波形圖Fig.5 Schematic of simulated current waveform

圖6 不同信號激勵下的電流響應(yīng)仿真圖Fig.6 Schematic of simulated current waveform of different signals

在鐵芯近飽和工況下，考慮時變并聯(lián)電感效應(yīng)時比Fink-Baker-Owen的分析理論預(yù)測高1.5～2倍，多次實測電流驗證了該結(jié)論，所以在設(shè)計參數(shù)上擬采取引入工程修正系數(shù)Ke來代表并聯(lián)電感時的影響因子。分析可知，對于式（12）當(dāng)τ＝1.317時，電流出現(xiàn)峰值，因此電流解析式可修正為

3.3 緩沖器參數(shù)設(shè)計

由式（16）可知：主回路中的放電電壓V0和分布電容C0，這是設(shè)計電路本身所決定的，可以看作是常數(shù)；C0V0確定時，只要γ足夠小，就可以限制峰值電流在規(guī)定值之內(nèi)，根據(jù)式（10）可知，限制γ值大小主要取決于以下幾個因素：1）增加鐵芯Nc；2）選擇內(nèi)、外半徑的比例；3）選取B和ρ較高的鐵磁材料。

為了得到較小的γ，可以從上述3方面來分析：基于EAST裝備空間的考慮，鐵芯數(shù)在其他條件優(yōu)選后再定；鐵芯外徑和內(nèi)徑的比值r0／r1越大，γ也就越小，綜合考慮到材料的利用率問題，在r0／r1＞2.5時，γ的變化值就不太明顯，因此選取r0／r1＜2.5［17］。

由于鐵芯疊片之間的絕緣層具有最高耐壓等級VL，為了防止疊片的感應(yīng)電壓擊穿絕緣材料，因此感應(yīng)電壓不能夠超過最大的耐壓等級VL，一般在4～5 V，鐵芯的感應(yīng)電壓最外層最大，而為了保證緩沖器的正常工作，最內(nèi)層鐵芯疊片不能完全飽和，綜合考慮得到鐵芯疊片的最小厚度d0滿足公式［12］：

通過上述分析，確定了緩沖器的參數(shù)如表1所示。

表1 緩沖器典型參數(shù)Table 1 Specification of snubber

4 實驗結(jié)果分析

為了驗證該緩沖器是否符合故障限流的功能，在實驗室搭建了圖7所示的一個1∶1的實驗平臺進行模擬測試［10］。實驗平臺由100 kV可調(diào)高頻開關(guān)脈沖電源、偏置電源（30 V／150 A）、4 nF高壓電容、緩沖器樣機、高壓短路開關(guān)、銅熔絲等組成。其中，當(dāng)?shù)刃殡x子源負載的銅熔絲吸收能量大于5 J，熔絲熔斷；當(dāng)小于5 J，熔絲保持完好。在初始電壓V0為96.5 kV的故障電流波形圖如圖8所示，短路電流在350 A左右，銅絲未熔斷，表明吸收能量在5 J以下，緩沖器設(shè)計符合要求。

圖7 緩沖器測試電路Fig.7 Schematic of core snubber testing experiment syetem

圖8 96.5 kV實驗短路電流波形Fig.8 Schematic of the short circuit current waveform，96.5 kV high voltage experiment

4 結(jié)論

1）Deltamax材料在低于1 MHz脈沖激勵下仍具有較高的磁導(dǎo)率，磁通密度較一般鐵磁材料高，是一種制造緩沖器的理想材料。

2）Fink-Baker-Owen緩沖器近飽和工況下的分析模型未考慮并聯(lián)電感效應(yīng)，考慮后其故障峰值電流將比原模型高2～3倍，引入工程修正系數(shù)來代替并聯(lián)電感時的影響因子可修正原設(shè)計模型。

3）采用修正的模型，根據(jù)研究結(jié)果建立EAST HNB故障仿真電路，仿真結(jié)果與測試結(jié)果基本吻合。

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Research and development of the core snubber based on Deltamax

XIE Fei1，2，LI Ge2
（1.Department of Electronic and Information Engineering，Shunde Polytechnic，Shunde 528300，China；2.Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China）

The core snubber is a very important device which is designed to limit the short current within the HNB（heating neutral beam）in the superconducting Tokamak（EAST）during the period of a high voltage breakdown.Based on the equivalent resistance theory regarding the iron core lamination，the patterns of the former model which neglected equivalent inductance were corrected，and taking into account the actual working conditions of the combined actions of equivalent resistance and inductance，through a simulation model and experiment optimization，the physical and structural design parameters of the new snubber were designed with Deltamax cores.This snubber was tested at 96.5 kV with a 4nF discharged capacitor and the peak short current was within 400 A，ensuring the safe operation of the iron source-the core part.The test value and theoretical analysis agreed basically，proving the entire system can run reliably.

heating neutral beam；core snubber；B-H curve；stray capacitance；discharge experiment；arc current

10.3969／j.issn.1006-7043.201211084

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201211084.html

TM402

A

1006-7043（2014）06-0766-05

2012-11-26.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-05-14 15：53：10.

國家自然科學(xué)基金資助項目（41301009）；國家磁約束核聚變能研究專項基金資助項目（2010GB108003，2011GB113005-1）.

謝飛（1980-），男，講師，博士.

謝飛，E-mail：xiefei＠ipp.ac.cn.