高壓直流緩沖器的設(shè)計與分析

陳金林，李 格

（1.國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210008；2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽 合肥230031）

0 引 言

在磁約束核聚變實(shí)驗中，由于歐姆加熱的局限性，要進(jìn)一步提高等離子體的溫度，無論是國際熱核聚變實(shí)驗堆計劃（ITER）還是我國自主設(shè)計的大科學(xué)工程全超導(dǎo)托克馬克實(shí)驗裝置（EAST），都采用中性束注系統(tǒng)（NBI）輔助加熱提升等離子體溫度[1-2]。這種加熱方式效率最高、物理機(jī)制清晰[3]，是由一組大功率脈沖電源、傳輸線和中性束注入器等組成[4]。燈絲電源、弧電源、加速器電源、梯度極、傳輸線及離子源上都存在高壓工作的分布電容[5]，根據(jù)國外同類裝置的經(jīng)驗，分布電容值大約為3.5 nF。當(dāng)系統(tǒng)故障打火擊穿時，電源保護(hù)裝置可在幾個微秒內(nèi)通過切斷電源，使離子源的阻值突然變小，由穩(wěn)態(tài)時的1 000 Ω 變?yōu)?00 mΩ。 這些分布電容儲存的能量會流向離子源，放電回路相當(dāng)于短路，而NBI 系統(tǒng)設(shè)計要求離子源承受打火能量需低于5 J[6-7]，為此NBI 系統(tǒng)安裝高壓直流鐵芯緩沖器吸收電容儲能，并限制電容放電瞬態(tài) 電流峰值。

1 鐵芯緩沖器的原理分析

高壓直流緩沖器由多個鐵芯磁環(huán)套在通向離子源的電流導(dǎo)線上的組合單元，利用變壓器原理進(jìn)行設(shè)計，在直流線路發(fā)生短路故障時，吸收瞬態(tài)故障能量。在正常工作時，流經(jīng)傳輸線的電流為直流，緩沖器對主回路系統(tǒng)不產(chǎn)生影響；在離子源打火時，打火電流為高頻故障電流，其頻域分布非常寬，從數(shù)百千赫茲到數(shù)兆赫茲，產(chǎn)生交變的磁場，在鐵芯疊片中感應(yīng)出渦流，故障時緩沖器可以等效成一個非線性的電感和一個時變電阻的并聯(lián)，通過增加主回路的阻抗以抑制短路電流峰值，吸收故障能量，離子源放電回路相當(dāng)于變壓器的一次回路，鐵芯疊片渦流回路相當(dāng)于變壓器二次回路。高壓直流緩沖器就是分布電容放電回路的故障能量通過磁場交換至鐵芯二次回路，通過渦流損耗和磁滯損耗消耗能量。故障電流峰值的大小除與NBI 工作電壓、分布電容有關(guān)外，還與緩沖器的尺寸和鐵磁材料性質(zhì)有關(guān)，本文重點(diǎn)分析離子源打火時，高壓直流緩沖器的工作原理，并推導(dǎo)計算故障電流峰值參數(shù)，從而指導(dǎo)緩沖器的研制。

變壓器的簡化等效電路如圖1 所示，系統(tǒng)雜散電容為C0，根據(jù)國內(nèi)外同類裝置的經(jīng)驗，約為3.5 nF[6]。根據(jù)變壓器理論，可以將二次回路等效為電阻和電感的并聯(lián)和串聯(lián)兩種方式并入主回路，分別如圖1（a）和圖1（b）所示。

圖1 變壓器的等效電路

在圖1 中，傳輸線電阻為R1，傳輸線上的漏抗為XL，緩沖器的等效激勵電感為XM，即故障時磁場儲能，由于R1、XL相比很小，可以忽略，故串聯(lián)回等效電路和并聯(lián)等效電路，都可以簡化為圖1（c）。

高壓緩沖器鐵芯與電源傳輸線的結(jié)構(gòu)如圖2所示，NC為緩沖器鐵芯磁環(huán)串聯(lián)個數(shù)，NT為鐵芯磁環(huán)纏繞匝數(shù)，iA為傳輸線的故障電流。圖2 中，Nr為載流導(dǎo)線的匝數(shù)；r1為緩沖器磁環(huán)疊片的內(nèi)半徑，r0為外半徑；rN為鐵芯第N 匝疊的半徑，NL為鐵芯疊片的總層數(shù)，W 為單個鐵芯疊片的寬度，d 為單個鐵芯疊片的厚度；VS為整個緩沖器折算到一次回路的等效電壓。

圖2 緩沖器的實(shí)體及結(jié)構(gòu)示意圖

高壓緩沖器在放電時一般遵守B-H 曲線，-Br為反向剩磁磁密，Bs為正向飽和磁密，B 為磁密變化量，H為磁場強(qiáng)度。為避免緩沖器在工作時進(jìn)入正向飽和區(qū)，故障前設(shè)置反向偏置電流穿過緩沖器，鐵芯進(jìn)入反向深度飽和，當(dāng)NBI 正常工作時，導(dǎo)線直流電流和反向偏置電流疊加，使得鐵芯的磁通狀態(tài)進(jìn)入線性區(qū)附近，此時等效電感很小，對系統(tǒng)不產(chǎn)生影響；當(dāng)NBI 電源打火時，放電電流很大，鐵芯會從飽和區(qū)附近迅速進(jìn)入線性區(qū)，此時鐵芯對放電回路產(chǎn)生很大的電感，對快速上升的打火電流有較強(qiáng)的抑制峰值的作用。

通過分析計算單片鐵芯疊片感應(yīng)的渦流，計算等效電阻，如圖3 所示，感應(yīng)渦流在每個疊片外圈形成1個閉合回路。從外圈向內(nèi)逐漸飽和，隨著故障電流的增大，疊片磁密飽和厚度不斷增加，直至全部飽和，直至剩磁為零，鐵芯疊片的厚度為d，飽和區(qū)的厚度為a，則內(nèi)層剩磁區(qū)域的厚度為d-2a；當(dāng)鐵芯疊片沒有完全飽和時，內(nèi)層中會存在磁場強(qiáng)度為0 的剩磁區(qū)，剩磁外圍是環(huán)繞1 周的感應(yīng)電流ie。

圖3 單個疊片中的渦流

2 高壓緩沖器等效電阻和電感

根據(jù)渦流的流通路徑可以計算得到疊片磁通量、鐵芯感應(yīng)的電壓、電阻、渦流和損耗[6]，碳鋁合金電阻并聯(lián)在緩沖器兩端，緩沖器折算到一次回路相當(dāng)于電阻和電感的并聯(lián)[7]。根據(jù)能量守恒定律、安培環(huán)路定律可以計算出渦流損耗電阻值為：

其中：ρ 為鐵芯電阻率。由此可以看出，緩沖器等效電阻是時間變化的函數(shù)，飽和深度的時間函數(shù)為[7]：

疊片的飽和深度滿足a1=a0fa，由此可見緩沖器的飽和深度從內(nèi)層疊片至外層依次降低，最外層疊片r0最后才全部飽和。

3 故障電流計算

根據(jù)放電回路基爾霍夫電流定律，故障時的瞬態(tài)短路電流iA滿足方程：

計算可得故障電流為：

當(dāng)γt=1.317 時，故障電流出現(xiàn)的峰值為：

4 高壓緩沖器參數(shù)設(shè)計

從式（5）可知，通過選擇合適的γ，可控制故障電流的峰值。γ 值大小主要取決于如下幾個因素，疊片層NL和鐵芯數(shù)NC正相關(guān)；合適的內(nèi)、外半徑比r0/r1；參數(shù)B 和ρ 較大的鐵磁材料。鐵芯外徑與內(nèi)徑的比值r0/r1越大，γ 越小，但當(dāng)r0/r1＞2.5 時，γ 的變化就不太明顯，考慮材料的利用效率，優(yōu)選取r0/r1＜2.5；受制于NBI 系統(tǒng)空間限制，鐵芯數(shù)不會太多，在其他條件優(yōu)選后基本確定；所以需要選擇鐵芯應(yīng)該選取B和ρ 值較高的材料。常見的典型參數(shù)如表1 所示。

表1 snubber 典型參數(shù)

常見的幾種材料的基本參數(shù)分析如下：較其他材料，deltamax 和FINEMET 材料的磁密變化量有明顯優(yōu)勢，分別為2.97 T 和2.62 T；在頻率脈沖為2 MHz和10 MHz 的作用下，F(xiàn)INEMET 材料的相對磁導(dǎo)率分別約為鐵基非晶合金材料的2.0 倍、3.4 倍，相對磁導(dǎo)率與等效電感呈正相關(guān)，電感值會過低不利于抑制故障電流得峰值；同時，deltamax 材料的占空比高，有利于減小緩沖器體積，且在1 MHz 以上頻率脈沖作用下，該材料有較高的磁導(dǎo)率和較好的消除故障能量特性[8]。因此，deltamax 和FINEMET 兩種材料是制造緩沖器所需的理想材料。

5 結(jié) 論

本文對EAST NBI 系統(tǒng)的高壓緩沖器進(jìn)行理論分析，根據(jù)變壓器原理分析了緩沖器的工作原理，推導(dǎo)出了等效電阻和等效電感，計算出了故障電流峰值參數(shù)，給出了緩沖器設(shè)計指導(dǎo)原則，并著重分析了不同鐵磁材料的性能。