ITER PPEN主变压器电磁设计及其特性分析

发布时间：2020-07-24 05:05

【摘要】：国际热核聚变实验堆(ITER)是在建的世界上最大的托卡马克核聚变实验装置,其输电电压和配电装机容量达到400kV/1.2GVA/27GVA,其中脉冲功率电网(PPEN)是将400kV变换为66kV和22kV电压,为ITER 100路MVA级的磁体电源和微波加热系统提供专用的脉冲负荷供电和保护。ITER是脉冲工作方式;脉冲功率巨大,最大有功功率超过600MW;无功变化剧烈,最大无功功率超过900Mvar。如此复杂的工况,对组成PPEN的设备是前所未有的考验,尤其是PPEN最核心的设备-主变压器,其设计有别于常规电力变压器,这也是PPEN项目的最大难点之一。本文对PPEN主变压器的设计进行了详细的分析和研究,最终保障了设备的制造、试验和交付。具有创新和成果如下:论文针对ITER脉冲功率负荷运行特性,深入进行了变压器电磁分析,完成了变压器方案设计及工程设计;针对ITER三绕组负荷供电特点及其负荷平衡要求,进行功率潮流分析,提出了在低压绕组侧内置串联了一个电感值为2.72mH的电抗器,解决了三绕组无功不平衡的问题。并通过解析计算和仿真分析对变压器空载损耗、负载损耗和温升进行了分析,最终成功研制变压器,试验数据验证了变压器设计方案的正确性。论文从动稳定性和热稳定性两个方面深入分析了 PPEN主变压器短路故障。详细计算各种短路电流值,并利用变压器漏磁场分析专用软件BB-XCX008A对短路故障时漏磁场进行了分析和计算,结合短路电流和漏磁密求取PPEN主变压器的轴向电动力和辐向电动力和短路时绕组导体的温度值。最终验证该PPEN变压器具有承受短路故障的能力。论文对PPEN主变压器的绝缘水平进行了详细的研究和分析。基于二维电场有限元分析软件ELECTRO对PPEN主变压器的绝缘结构建立模型和详细的仿真分析,对电场云分布图及绝缘安全裕度进行计算和确认,依据IEC 60076.3: 2013完成了 PPEN主变压器出厂试验中的绝缘试验项目,验证了变压器绝缘结构设计的正确性和可靠性。PPEN三台主变压器于2016-2017年分别完成所有的制造、试验和交付,各项制造和试验指标均达到了 IEC标准和IO的技术要求。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL64
【图文】：

能源,能源需求,能源消费结构,能源供应

逦第１章绪论逦逡逑第１章绪论逡逑１．１论文研究背景逡逑１．１．１能源需求逡逑物质、能源和信息是构成自然社会的基本要素。其中，能源是国家政治、经逡逑济和文化的物质基础，是未来国家和人民的命脉之源。为满足人类越来越丰富的逡逑社会生活需求，能源的短缺问题日渐凸显。如图丨．１所示ｗ，从丨９８６年到２０１１逡逑年间世界各种能源消费结构图，可以看到能源的需求与日俱增，而且绝大部分仍逡逑然是煤、石油、天然气这三种不可再生能源。逡逑

结构图,托卡马克装置,结构图,成员方

真空系统、低温系统、电源系统、燃料循环系统、冷却水系统、氚增值系统等主逡逑要组成部分，涉及物理、化学、生物、材料、电气等多个学科交叉领域研宄的重逡逑要发展。ＩＴＥＲ实验装置结构图如图１．２所示＞］。ＩＴＥＲ装置本体及外围系统的逡逑设备和研究任务被划分为许多个大小不同的采购包项目，分配给各成员方按照逡逑２逡逑

结构图,电源系统,核心物质,聚变反应

ＩＴＥＲ装置的电源系统［１４￣｜６］是其核心系统之一，其主要任务是为等离子体实逡逑验的磁场约束、等离子体产生、位形控制、加热、控制系统以及附属设备提供所逡逑需的电能，如图１．３所示［１４］是〗丁￡１１电源系统的结构图。１ＴＥＲ电源系统主要包逡逑括脉冲功率电网（ＰＰＥＮ）、稳态功率电网（ＳＳＥＮ）、磁体电源系统（ＣＰＳ）和辅逡逑助加热电源系统（ＨＰＳ）等。脉冲功率电气网络从法国电网（ＲＴＥ）邋４００ｋＶ高压逡逑取电，经由３台相同的３００邋ＭＶＡ降压变压器变换成６６邋ｋＶ和２２邋ｋＶ的电压，逡逑主要为大型磁体线圈、微波加热电源系统和中性束加热电源等系统提供配电，另逡逑考虑ＩＴＥＲ装置在运行时，产生大量快速变化的无功功率，因此在６６ｋＶ母线侧逡逑安装有７５０Ｍｖａｒ的无功补偿和滤波装置，以保证ＩＴＥＲ装置供电与法国电网能逡逑够相互兼容。稳态功率电气网络也从法国电网（ＲＴＥ）４００ｋＶ高压取电，经由４台逡逑相同的７５ＭＶＡ降压变压器变换成２２ｋＶ等级的电压，主要是给ＩＴＥＲ实验装置逡逑的的常规设备供电

【参考文献】