ITER極向場變流器電源短路故障分析

吳萬松，宋執(zhí)權(quán)，傅鵬

(中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽合肥 230031)

ITER極向場變流器電源短路故障分析

吳萬松，宋執(zhí)權(quán)，傅鵬

(中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽合肥 230031)

ITER(international thermonuclear experimental rector)極向場電源系統(tǒng)是ITER磁體電源系統(tǒng)的重要組成部分。它由晶閘管相控變流器向極向場超導(dǎo)線圈供電，實現(xiàn)各種不同運行模式下等離子體的產(chǎn)生、加熱、平衡與控制。通過利用PSCAD(power system computer aided design)軟件建立了極向場變流器電源系統(tǒng)的仿真模型，并利用該模型對變流器電源系統(tǒng)進(jìn)行了各種主要短路故障的分析，得出各種短路故障的電流峰值，并總結(jié)了短路故障的分析結(jié)果。這些分析結(jié)果可為今后變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和短路故障保護(hù)的研究提供重要的依據(jù)和參考。

極向場變流器電源；變流器；短路故障

ITER脈沖電源系統(tǒng)由三大部分組成：高壓配電系統(tǒng)、加熱與電流驅(qū)動電源系統(tǒng)和磁體電源系統(tǒng)。磁體電源系統(tǒng)主要包括縱場電源、極向場電源、垂直穩(wěn)定場電源和校正場電源等。極向場電源是整個裝置的重要組成部分，它由晶閘管相控整流器向極向場超導(dǎo)線圈供電，實現(xiàn)各種不同要求的等離子體位形、各種不同運行模式下等離子體的產(chǎn)生、加熱、平衡與控制。因此，極向場電源系統(tǒng)的可靠運行對于整個裝置運行的性能與安全、物理實驗的成敗與否和效率高低起著至關(guān)重要的作用[1-2]。

本文的主要工作是進(jìn)行極向場變流器系統(tǒng)的短路故障分析。利用PSCAD軟件建立了變流器電源系統(tǒng)的計算機(jī)模型，對主要的短路故障進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，得出了各種短路故障時的短路電流峰值，最終得出了變流器系統(tǒng)最惡劣短路故障類型，為變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和故障保護(hù)分析提供了重要的依據(jù)和參考。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 主變流器電路結(jié)構(gòu)

ITER極向場電源采用晶閘管相控整流形式，變流器由四組三相橋式六脈波整流器通過與電抗器串聯(lián)并在直流側(cè)并聯(lián)連接，如圖1所示。整流變壓器原、副邊分別為延邊三角形和三角形連接，通過原邊繞組實現(xiàn)相位差30°，以提供十二脈波整流所需的電源[1-2]。

1.2 變流器系統(tǒng)主要參數(shù)

主變壓器、整流變壓器和電抗器的參數(shù)列于表1。

圖1 主整流器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 變壓器及電抗器參數(shù)

2 短路電流故障仿真分析

2.1 仿真系統(tǒng)介紹與故障分類

利用PSCAD仿真軟件，可以建立起整個極向場變流器電源系統(tǒng)的模型，其示意圖如圖2。

圖2 ITER極向場電源系統(tǒng)圖

其中仿真參數(shù)設(shè)置為：模擬運行時長為2 s，故障開始時間為第1 s。為得出最嚴(yán)重的故障電流，所以假設(shè)最小觸發(fā)角為10°，在20 ms內(nèi)電路的電子保護(hù)裝置失效，而斷路器一般要3～4個電流周期才能完全斷開，故而故障支路的斷路器在故障后80 ms(第1.08 s)才能完全斷開。

通過分析，變流器的主要短路故障可分為如下類型：交流側(cè)短路、直流側(cè)環(huán)流電抗器前后短路、工作整流橋橋臂晶閘管與反組橋臂晶閘管誤觸發(fā)短路，下面分別對這幾種短路情況進(jìn)行介紹，給出PSCAD仿真波形，并用表給出故障類型。

2.2 外部故障

2.2.1 交流側(cè)短路

首先，交流側(cè)短路分為一相短路、兩相短路和三相短路，圖3為三相短路示意圖。

圖3 三相短路示意圖

然后，通過對主變壓器和整流變壓器的仿真可得出各種短路時暫態(tài)電流，其中整流變壓器三相短路危害最為嚴(yán)重，仿真圖形如圖4。

最后對整流變壓器三相短路的仿真結(jié)果加以總結(jié)：整流變壓器原邊三相短路時原邊短路電流峰值為67 kA，副邊三相短路時副邊短路電流峰值為305 kA。

2.2.2 直流側(cè)短路

首先，直流側(cè)短路分為環(huán)流電抗器前短路和環(huán)流電抗器后短路，圖5為兩種短路的示意圖。

然后，通過對環(huán)流電抗器的兩種短路故障仿真可得出各種短路時暫態(tài)電流波形圖，圖6為電抗器短路時沖擊電流最大的晶閘管的波形圖。

最后對直流側(cè)短路的仿真結(jié)果加以總結(jié)：電抗器前端短路時整流橋橋臂晶閘管最大電流為315 kA，電抗器后端短路時整流橋橋臂晶閘管最大電流為171 kA。

圖4 整流變壓器三相短路電流波形圖

圖5 環(huán)流電抗器前后短路示意圖

圖6 環(huán)流電抗器前、后短路時的電流波形圖

2.3 內(nèi)部故障

首先，內(nèi)部故障分為工作整流橋橋臂晶閘管失效和反組橋臂晶閘管誤觸發(fā)短路，圖7、8為兩種情況下某晶閘管失效的示意圖。

圖7 工作整流橋橋臂短路示意圖(左為單橋運行，右為雙橋運行)

圖8 反組橋臂晶閘管誤觸發(fā)短路示意圖(左為單橋運行，右為雙橋運行)

然后，通過對上述的兩種短路故障分別仿真可得出各種短路時暫態(tài)電流波形圖，而實際情況中，晶閘管失效后，快熔應(yīng)在幾毫秒內(nèi)就可以熔斷進(jìn)行保護(hù)。所以，在進(jìn)行晶閘管短路分析時，要考慮這種情況[3]。圖9為空載狀態(tài)下工作整流橋橋臂故障時沖擊電流最大的晶閘管仿真波形圖。

雙橋運行的反組橋臂晶閘管被誤觸發(fā)時，電流最大的整流橋橋臂晶閘管電流波形圖如圖10所示。圖11是誤觸發(fā)狀態(tài)下工作整流橋橋臂電流波形圖。

最后對內(nèi)部短路的仿真結(jié)果加以總結(jié)：

(1)工作整流橋短路時，工作整流橋橋臂晶閘管(無熔絲時)最大電流為407 kA(單橋運行)、407 kA(雙橋運行)；工作整流橋橋臂晶閘管(熔絲熔斷時)最大電流為35 kA(單橋運行)、35 kA(雙橋運行)。

(2)反組橋臂晶閘管誤觸發(fā)短路時，故障晶閘管最大電流為138 kA(單橋運行)、173 kA(雙橋運行)；工作整流橋橋臂晶閘管最大電流為193 kA(單橋運行)、173 kA(雙橋運行)。

圖9 工作整流橋故障時沖擊電流的波形圖

圖10 誤觸發(fā)狀態(tài)下電流最大的整流橋臂晶閘管電流波形圖

圖11 誤觸發(fā)狀態(tài)下工作整流橋橋臂電流波形圖

2.4 總結(jié)

通過仿真分析，選取較為嚴(yán)重的故障可得出表2。

表2 仿真總結(jié)

通過表2可得出如下結(jié)論：

(1)當(dāng)交流側(cè)出現(xiàn)短路時，三相短路的危害要大于單相短路和兩相短路。

(2)當(dāng)直流側(cè)出現(xiàn)短路時，環(huán)流電抗器前短路要比其后短路的故障電流大，所以對整流橋器件和整流變壓器的沖擊也更大。而且由于極向場電源所帶負(fù)載為大電感負(fù)載，所以負(fù)載電流衰減較為緩慢。

(3)當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時，工作整流橋橋臂故障最為嚴(yán)重，而空載時橋臂故障又比小負(fù)載或滿載時橋臂故障嚴(yán)重。因此，空載的工作整流橋橋臂故障對整流橋器件及整流變壓器的沖擊都是最嚴(yán)重的。

3 結(jié)論

本文主要分析了ITER極向場電源整流器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及短路故障。首先分析了整流器系統(tǒng)的構(gòu)成形式，然后通過分析計算，最后通過系統(tǒng)仿真得出如下結(jié)論：

(1)在交流側(cè)各種短路故障中，整流變壓器副邊三相短路是最為嚴(yán)重的短路故障；

(2)在直流側(cè)各種短路故障中，環(huán)流電抗器前短路故障是最為嚴(yán)重的短路故障；

(3)在整流橋各種短路故障中，空載時的工作整流橋橋臂故障是最為嚴(yán)重的故障，而且短路電流在電路中的斷路器被斷開之前幾乎不會發(fā)生衰減。

[1]陳鵬.ITER極向場變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計[D].合肥：中國科學(xué)院等離子體物理研究所，2010.

[2]黃暉，杜世俊，傅鵬，等.ITER極向場電源的設(shè)計與仿真[J].通信電源技術(shù)，2008，25(3)：1-4.

[3]傅鵬，高格.晶閘管在大功率變流和開關(guān)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2004，19(8)：34-39.

Short circuit fault analysis of ITER poloidal field converter power supply

The poloidal field power supply system was an important part of ITER(international thermonuclear experimental rector)magnet power supply system.The power was provided to the poloidal field coils for plasma initiation,heating,plasma current shape and position control in different operation modes.The short-circuit fault of the poloidal field converter power system was analyzed.The simulation model of the PF converter power supply was built up by using the PSCAD(power system computer aided design)software,and the detailed short circuit fault analysis was carried out based on this model.All kinds of short circuit fault peak current were got,and short circuit fault analysis results were summarized.These results were important basis and reference for the converter structure design and fault protection studies.

poloidal field converter power supply;converter;short-circuit fault

TM 41

A

1002-087 X(2014)02-0337-04

2013-06-05

吳萬松(1986—)，男，安徽省人，碩士，主要研究方向為電工理論與新技術(shù)。

WU Wan-song,SONG Zhi-quan,FU Peng