超导磁约束聚变装置中爆炸开关的设计与研制
发布时间：2021-06-30 12:45
超导磁约束聚变被认为是有望解决人类能源危机的重要途径。爆炸开关,作为超导线圈发生失超时的后备保护开关,以其动作迅速、可靠性高的特点,为超导线圈的安全运行提供了保障。万安培级感性直流开断技术,由于不存在交流电路的自然过零点现象,一直是世界各国开关领域研究的难题。超导磁约束聚变装置中的爆炸开关是串联于主回路、由炸药驱动分断的直流开关,需稳态通以数万安培直流电流,同时满足故障时在数百微秒内分断主回路的要求。相比于一般断路器,爆炸开关导体结构复杂、驱动机构不稳定性高、动作时间极短。当前国内外此类爆炸开关的的设计通常是基于大量的试验来进行相关验证,缺乏可参考的理论设计依据。而在爆炸开关的导体系统、驱动机构、水冷系统等部分的设计中,理论模型的建立可以为设计及优化带来极大的便利并大大缩短设计周期。论文主要工作内容和创新如下:在国内首次研制了双级式结构、采用水作为燃弧介质、最高参数40kA/10kV的爆炸开关样机,并进行了实验验证。各项性能指标达到设计要求,提高了我国超导聚变装置爆炸开关的研制水平。在爆炸开关的导体系统设的计中,基于数据拟合方法,推导出爆炸开关导电部件接触电阻的经验公式。采用理论计算与...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１显示了除ＣＣ线圈外的ＣＦＥＴＲ磁铁系统的主要部件
电源系统用以产生、约束、加热和维持等离子体，并且对等离子体的电流、位置、??形状、分布和破裂进行相关控制。电源系统影响了整个超导磁约束聚变装置的运??行与安全，并直接决定了相关物理实验的成败与效率。??以ＥＡＳＴ为例，其纵场电源系统为ＴＦ线圈提供稳定状态的电源来产生纵向??磁常它接收来自交流电网的交流电，并将交流电转换为直流电，为ＴＦ线圈供??电。??Ａ｜?８丨?Ｃ丨?Ａ－，?Ｃ?２??ｊｊｊ?Ｍ??＼Ｕ?＼Ｕ?Ｕｊ?＼ｕ??ＴＦ?ｃｏｉｌｓ???Ｏｕｕｕ???图１．２?ＥＡＳＴＴＦ电源主电路图??为了达到上述所需的ＴＦ电源输出电压低、工作电流大的要求，ＥＡＳＴ选用??了?１２脉冲中点变流器，其主电路配置如图１．２所示。这种变流器由两组６脉冲??中点变流器组成，与中间相反映器（ＬＰ１、ＬＰ２）直接并联。一个六脉冲中点变??流器的整流变压器与一个三角形中点变流器的整流变压器使两个变压器的二次??电压相差３０，以提供１２脉冲操作。??ＥＡＳＴ极向场电源系统负载为十四个相互耦合布置的超导线圈，如图１．２所??示。其中７和９，?８和１０号两组线圈串联连接，因此极向场电源系统负载可以等??效为十二组相互耦合的超导线圈，它们可以由十二组独立可调的相控变流器供电，??极向场电源供电系统配置如图１．３所示。??５??
?第１章绪论???ＨＶＢＣ１?／??ＨＶＢＣ２?（＿＿Ｊ??ｒ￣?Ｉ．?Ｉ?￣ｉ??ＩＩ?Ａ?？?Ａ??７＊－?－Ｍ－］?７？．．?｛??ＰＳ１?ＰＳ２?ＰＳ１１?ＰＳ１２??图１．３极向场电源系统电路图??极向场电源系统的工作过程可以分为：预磁阶段、等离子体产生阶段、等离??子体电流快速上升阶段、等离子体电流慢上升段、等离子体平顶阶段、等离子体??电流下降阶段。若其中任一阶段超导磁体出现失超，失超保护开关需立即动作，??将磁体中的能量转移至移能电阻中释放。等磁体恢复超导态后，才可重新开始上??述工作过程。??１．３超导磁约束聚变装置磁体电源失超保护系统的介绍??超导磁体因为昂贵的价格，复杂发热结构以及漫长的建造周期，其安全运行??十分重要，因此必须加入失超保护系统来保证其在故障状态下不会损毁。为了降??低失超现象出现的可能性，大量的监测和防范措施被运用在了超导磁体的工程设??计里，但在实际的运行过程中，想要绝对避免失超现象的发生是不可能的［｜４］。??一旦超导线圈出现失超，其内部储存的巨大电磁能将变为热能释放出来。在这个??巨大热能的释放过程中，明显的温度梯度将导致线圈的应力变形并且破坏导体的??绝缘强度；巨大的热能如果不及时释放，还会导致磁体最终烧毁甚至引起火灾及??爆炸［１５］。??１．３．１失超保护系统的概念与基本开断原理??失超保护系统通过大功率直流开关在超导磁体失超时，将磁体中存储的巨大??电磁能迅速转移到移能电阻上进行耗能，以保护磁体不在失超后损毁。当失超发??生时，超导体温度会因欧姆加热而急剧增加，如果没有外部电阻器，持续的电流??将导致过热和潜在的破坏。失
【参考文献】：
期刊论文
[1]简论金属材料JC本构模型的精确性（英文）[J]. 周琳,王子豪,文鹤鸣. 高压物理学报. 2019(04)
[2]CFETR物理与工程研究进展[J]. 高翔,万宝年,宋云涛,李建刚,万元熙. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(04)
[3]人造太阳与人类终极能源[J]. 徐鸣. 江苏政协. 2017(10)
[4]核聚变装置中直流保护开关的研究进展[J]. 李华,宋执权,汪舒生,卢应峣,傅鹏. 中国电机工程学报. 2016(S1)
[5]典型战斗部水下爆炸侵彻仿真[J]. 李惠明,陈智刚,赵东华,杨力,李超,赵长啸. 工程爆破. 2016(04)
[6]直流断路器电弧研究的新进展[J]. 荣命哲,杨飞,吴翊,孙昊,李阳,纽春萍. 电工技术学报. 2014(01)
[7]国际热核实验反应堆（ITER）计划与未来核聚变能源[J]. 潘传红. 物理. 2010(06)
[8]基于EAST超导纵场线圈的换流分析[J]. 江加福,刘小宁,许留伟,廖燕川. 高电压技术. 2009(01)
[9]基于LS-DYNA软件的水下爆炸数值模拟研究[J]. 辛春亮,秦健,刘科种,徐更光. 弹箭与制导学报. 2008(03)
[10]我国超导托卡马克的现状及发展[J]. 李建刚. 中国科学院院刊. 2007(05)
本文编号：3257767
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１显示了除ＣＣ线圈外的ＣＦＥＴＲ磁铁系统的主要部件
电源系统用以产生、约束、加热和维持等离子体，并且对等离子体的电流、位置、??形状、分布和破裂进行相关控制。电源系统影响了整个超导磁约束聚变装置的运??行与安全，并直接决定了相关物理实验的成败与效率。??以ＥＡＳＴ为例，其纵场电源系统为ＴＦ线圈提供稳定状态的电源来产生纵向??磁常它接收来自交流电网的交流电，并将交流电转换为直流电，为ＴＦ线圈供??电。??Ａ｜?８丨?Ｃ丨?Ａ－，?Ｃ?２??ｊｊｊ?Ｍ??＼Ｕ?＼Ｕ?Ｕｊ?＼ｕ??ＴＦ?ｃｏｉｌｓ???Ｏｕｕｕ???图１．２?ＥＡＳＴＴＦ电源主电路图??为了达到上述所需的ＴＦ电源输出电压低、工作电流大的要求，ＥＡＳＴ选用??了?１２脉冲中点变流器，其主电路配置如图１．２所示。这种变流器由两组６脉冲??中点变流器组成，与中间相反映器（ＬＰ１、ＬＰ２）直接并联。一个六脉冲中点变??流器的整流变压器与一个三角形中点变流器的整流变压器使两个变压器的二次??电压相差３０，以提供１２脉冲操作。??ＥＡＳＴ极向场电源系统负载为十四个相互耦合布置的超导线圈，如图１．２所??示。其中７和９，?８和１０号两组线圈串联连接，因此极向场电源系统负载可以等??效为十二组相互耦合的超导线圈，它们可以由十二组独立可调的相控变流器供电，??极向场电源供电系统配置如图１．３所示。??５??
?第１章绪论???ＨＶＢＣ１?／??ＨＶＢＣ２?（＿＿Ｊ??ｒ￣?Ｉ．?Ｉ?￣ｉ??ＩＩ?Ａ?？?Ａ??７＊－?－Ｍ－］?７？．．?｛??ＰＳ１?ＰＳ２?ＰＳ１１?ＰＳ１２??图１．３极向场电源系统电路图??极向场电源系统的工作过程可以分为：预磁阶段、等离子体产生阶段、等离??子体电流快速上升阶段、等离子体电流慢上升段、等离子体平顶阶段、等离子体??电流下降阶段。若其中任一阶段超导磁体出现失超，失超保护开关需立即动作，??将磁体中的能量转移至移能电阻中释放。等磁体恢复超导态后，才可重新开始上??述工作过程。??１．３超导磁约束聚变装置磁体电源失超保护系统的介绍??超导磁体因为昂贵的价格，复杂发热结构以及漫长的建造周期，其安全运行??十分重要，因此必须加入失超保护系统来保证其在故障状态下不会损毁。为了降??低失超现象出现的可能性，大量的监测和防范措施被运用在了超导磁体的工程设??计里，但在实际的运行过程中，想要绝对避免失超现象的发生是不可能的［｜４］。??一旦超导线圈出现失超，其内部储存的巨大电磁能将变为热能释放出来。在这个??巨大热能的释放过程中，明显的温度梯度将导致线圈的应力变形并且破坏导体的??绝缘强度；巨大的热能如果不及时释放，还会导致磁体最终烧毁甚至引起火灾及??爆炸［１５］。??１．３．１失超保护系统的概念与基本开断原理??失超保护系统通过大功率直流开关在超导磁体失超时，将磁体中存储的巨大??电磁能迅速转移到移能电阻上进行耗能，以保护磁体不在失超后损毁。当失超发??生时，超导体温度会因欧姆加热而急剧增加，如果没有外部电阻器，持续的电流??将导致过热和潜在的破坏。失
【参考文献】：
期刊论文
[1]简论金属材料JC本构模型的精确性（英文）[J]. 周琳,王子豪,文鹤鸣. 高压物理学报. 2019(04)
[2]CFETR物理与工程研究进展[J]. 高翔,万宝年,宋云涛,李建刚,万元熙. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(04)
[3]人造太阳与人类终极能源[J]. 徐鸣. 江苏政协. 2017(10)
[4]核聚变装置中直流保护开关的研究进展[J]. 李华,宋执权,汪舒生,卢应峣,傅鹏. 中国电机工程学报. 2016(S1)
[5]典型战斗部水下爆炸侵彻仿真[J]. 李惠明,陈智刚,赵东华,杨力,李超,赵长啸. 工程爆破. 2016(04)
[6]直流断路器电弧研究的新进展[J]. 荣命哲,杨飞,吴翊,孙昊,李阳,纽春萍. 电工技术学报. 2014(01)
[7]国际热核实验反应堆（ITER）计划与未来核聚变能源[J]. 潘传红. 物理. 2010(06)
[8]基于EAST超导纵场线圈的换流分析[J]. 江加福,刘小宁,许留伟,廖燕川. 高电压技术. 2009(01)
[9]基于LS-DYNA软件的水下爆炸数值模拟研究[J]. 辛春亮,秦健,刘科种,徐更光. 弹箭与制导学报. 2008(03)
[10]我国超导托卡马克的现状及发展[J]. 李建刚. 中国科学院院刊. 2007(05)
本文编号：3257767
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