CSNS/RCS磁铁电源的谐振单元保护装置
发布时间：2021-07-05 08:44
位于广东东莞的中国散裂中子源（CSNS）是新中国第一台大规模快循环同步加速器（RCS）,为了在整个环形加速器维持同步的正弦磁场,全环采用一台谐振电源励磁,并将所有电磁铁串联,配合电容器、电抗器构成谐振电路,分布在周长300多米的环形设备楼周围,组成一个庞大的CSNS/RCS谐振电源网络。如果发生电容或电抗器故障,则谐振网络损坏,感应电压将对设备造成破坏。虽然国内各加速器实验室对电源有较多研究,但研究方向普遍面向直流稳定度、主回路拓扑与开关元件、数字控制领域研究。对交流谐振网络的保护没有参考资料。为了保障散裂中子源顺利竣工和可靠运行,必须为谐振网络自行研制一套保护设施。首先,本文针对交流励磁电源及谐振网络进行了原理研究,对谐振网络等效电路进行分析、计算,从而得出谐振网络的额定参数。针对谐振元件的保护,本文提出了采用多路实时波形采集的方法对各网孔的谐振电流和谐振电压进行真有效值监测,并在异常时进行联锁保护的解决办法。其次,在电容监测方面,我们利用FPGA剩余的强大计算能力,充分利用采样数据,进行FFT分析得出基波电流、电压,采用SOPC片上系统进行电容器介损在线监测和电容值在线监测。以利于...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CSNS结构示意图
华南理工大学工程硕士学位论文2图1-1CSNS结构示意图CSNS/RCS是新中国首台大型快循环同步加速器。RCS和以往大型加速器采用的储存环结构完全不同，他的作用是在环形轨道中利用高频功率源对质子束流进行反复加速，达到足够的能量后，引出进行科学研究。CSNS质子束流以40ms为一个周期，从直线加速器不断重复注入RCS的环形轨道中。在每个周期开始时质子迅速注入RCS，并进行高速圆周运动，在旋转中被高频系统反复加速。在0～20ms内，质子环绕RCS旋转的频率由1.02MHz加速到2.44MHz；在时间达到20ms时，质子从RCS引出到靶站用于科学研究。从上面的介绍中可以看出：在每个周期的0～20ms时质子旋转速度是不断提高的，所以在这段时间内要维持其旋转轨道的半径不变，环形轨道的磁场也要按正弦规律不断上升，才能和质子的运行速度相匹配。在20～40ms时，质子束已经离开RCS，轨道中没有粒子束流，也就对磁场波形不做要求。综上所述，RCS对励磁电流的需求如图2所示。显然，这一波形与我国以往各种加速器采用的直流恒流电源完全不同。图1-2RCS对励磁电流的需求虽然我国对高能加速器的励磁电源有长期的运行经验和较多的研究，但研究对象均为恒流直流电源。CSNS/RCS与以往任何一座大型加速器都有很大的差异，没有运行经
第１章绪论5是带直流偏置的正弦波[14]。如图3所示。图1-3励磁电流波形RCS主磁铁由24块电磁铁组成，各个电磁铁必须逐个串联，由同一个励磁电源供电，确保每块电磁铁的励磁电流幅值和相位完全相同[15]。由于25Hz交流具有较大的di/dt，使磁铁的感抗远大于直流电阻，感应电压很高。若将24块电磁铁直接串联，总感应电压约为125kV，这作为工程项目显然是无法实现的。为了减少感应电压，RCS主磁铁采用谐振网络连接，用串联电容器补偿磁铁无功，同时用并联电抗器确保直流分量的正常流通。这使得RCS主磁铁形成了复杂的串并联谐振网络。依靠谐振元件的补偿作用，主磁铁网络两端的总电压峰值限制在6kV以内，从而可以采用中压电力设备进行励磁。这种谐振网络最早称为怀特（White）谐振网络[16]。是参考怀特（MiltonGrandisonWhite,1910-1979）先生于1956年设计的一种用于同步加速器磁铁电源的电路拓扑结构，并在此基础上改进而成的。怀特电路结构首次用于普林斯顿大学和宾夕法尼亚大学联合研制的一台3BeV（现在称为GeV）质子同步加速器。它位于普林斯顿大学Forrestal研究中心，于1963年12月7日正式投入使用[17]。怀特电路针对交直流叠加励磁型电感负载，采用储能变压器、储能电容器和负载一起组成多元谐振电路，降低了电源输出侧的总电压。同时也能通过谐振网络储存无功，降低了励磁电源对负载的无功输出，使电源的输出功率大部分是有功功率[18]。近年来，随着电力电子技术的发展，怀特电路有了新的变化。美国费米实验室在90年代建设的8GevSynchrotron加速器首次使用“串联型怀特谐振网络”，是近年来最大的改进。日本于2009年建成的J-PARK部分电源，以及本文所述的CSNS/RCS谐振电源均采用这种新型拓扑。为了区分清楚，下文将改进前的电路
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种降低功耗并提高通道密度的集成多路复用输入ADC方案[J]. 胡晓兰,高兴. 集成电路应用. 2018(03)
[2]并联电容器保护与监测一体化实施方案[J]. 甘景福,王增平,林一峰. 电力科学与工程. 2017(05)
[3]并联电容器组电容量变化对不平衡电流保护的影响分析[J]. 李凯枫. 广西电力. 2017(01)
[4]容性设备介损测量算法的对比与改进[J]. 袁飞. 电工电气. 2015(04)
[5]高压并联电容器装置的保护整定[J]. 李振,庞素红. 电力电容器与无功补偿. 2015(01)
[6]中国散裂中子源磁铁电源系统[J]. 齐欣,张旌,郝祖岳,张文庆. 电力电子技术. 2014(12)
[7]BEPCⅡ磁铁电源快速检测系统的实现[J]. 陈素颖,战明川,龙锋利,叶卫东. 原子能科学技术. 2014(11)
[8]新型并联电容器保护方案优化设计[J]. 丁祖军,曲振峰,徐顺刚,王华. 电测与仪表. 2011(04)
[9]HIRFL-CSR二极磁铁电源的研制[J]. 王有云,高大庆,丁军怀,石立峰. 原子能科学技术. 2010(04)
[10]高速A/D转换器的研究进展及发展趋势[J]. 吴兴斌. 微电子学. 2009(03)
硕士论文
[1]35kV高压并联电容器组运行状态监测装置的研究及应用[D]. 韩晓勃.华北电力大学 2017
[2]电力电容器安全运行分析与在线监测技术研究[D]. 潘佩明.华北电力大学 2015
[3]并联电容器绝缘在线监测与故障诊断方法研究[D]. 熊文清.湖南大学 2012
[4]电容性设备介质损耗角检测方法与实现[D]. 刘润泽.西安科技大学 2011
[5]10kV电力电容器故障远程预警系统[D]. 邹正华.华南理工大学 2010
[6]移相电容器绝缘在线监测系统研究[D]. 周文杰.湖南大学 2009
本文编号：3265752
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CSNS结构示意图
华南理工大学工程硕士学位论文2图1-1CSNS结构示意图CSNS/RCS是新中国首台大型快循环同步加速器。RCS和以往大型加速器采用的储存环结构完全不同，他的作用是在环形轨道中利用高频功率源对质子束流进行反复加速，达到足够的能量后，引出进行科学研究。CSNS质子束流以40ms为一个周期，从直线加速器不断重复注入RCS的环形轨道中。在每个周期开始时质子迅速注入RCS，并进行高速圆周运动，在旋转中被高频系统反复加速。在0～20ms内，质子环绕RCS旋转的频率由1.02MHz加速到2.44MHz；在时间达到20ms时，质子从RCS引出到靶站用于科学研究。从上面的介绍中可以看出：在每个周期的0～20ms时质子旋转速度是不断提高的，所以在这段时间内要维持其旋转轨道的半径不变，环形轨道的磁场也要按正弦规律不断上升，才能和质子的运行速度相匹配。在20～40ms时，质子束已经离开RCS，轨道中没有粒子束流，也就对磁场波形不做要求。综上所述，RCS对励磁电流的需求如图2所示。显然，这一波形与我国以往各种加速器采用的直流恒流电源完全不同。图1-2RCS对励磁电流的需求虽然我国对高能加速器的励磁电源有长期的运行经验和较多的研究，但研究对象均为恒流直流电源。CSNS/RCS与以往任何一座大型加速器都有很大的差异，没有运行经
第１章绪论5是带直流偏置的正弦波[14]。如图3所示。图1-3励磁电流波形RCS主磁铁由24块电磁铁组成，各个电磁铁必须逐个串联，由同一个励磁电源供电，确保每块电磁铁的励磁电流幅值和相位完全相同[15]。由于25Hz交流具有较大的di/dt，使磁铁的感抗远大于直流电阻，感应电压很高。若将24块电磁铁直接串联，总感应电压约为125kV，这作为工程项目显然是无法实现的。为了减少感应电压，RCS主磁铁采用谐振网络连接，用串联电容器补偿磁铁无功，同时用并联电抗器确保直流分量的正常流通。这使得RCS主磁铁形成了复杂的串并联谐振网络。依靠谐振元件的补偿作用，主磁铁网络两端的总电压峰值限制在6kV以内，从而可以采用中压电力设备进行励磁。这种谐振网络最早称为怀特（White）谐振网络[16]。是参考怀特（MiltonGrandisonWhite,1910-1979）先生于1956年设计的一种用于同步加速器磁铁电源的电路拓扑结构，并在此基础上改进而成的。怀特电路结构首次用于普林斯顿大学和宾夕法尼亚大学联合研制的一台3BeV（现在称为GeV）质子同步加速器。它位于普林斯顿大学Forrestal研究中心，于1963年12月7日正式投入使用[17]。怀特电路针对交直流叠加励磁型电感负载，采用储能变压器、储能电容器和负载一起组成多元谐振电路，降低了电源输出侧的总电压。同时也能通过谐振网络储存无功，降低了励磁电源对负载的无功输出，使电源的输出功率大部分是有功功率[18]。近年来，随着电力电子技术的发展，怀特电路有了新的变化。美国费米实验室在90年代建设的8GevSynchrotron加速器首次使用“串联型怀特谐振网络”，是近年来最大的改进。日本于2009年建成的J-PARK部分电源，以及本文所述的CSNS/RCS谐振电源均采用这种新型拓扑。为了区分清楚，下文将改进前的电路
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种降低功耗并提高通道密度的集成多路复用输入ADC方案[J]. 胡晓兰,高兴. 集成电路应用. 2018(03)
[2]并联电容器保护与监测一体化实施方案[J]. 甘景福,王增平,林一峰. 电力科学与工程. 2017(05)
[3]并联电容器组电容量变化对不平衡电流保护的影响分析[J]. 李凯枫. 广西电力. 2017(01)
[4]容性设备介损测量算法的对比与改进[J]. 袁飞. 电工电气. 2015(04)
[5]高压并联电容器装置的保护整定[J]. 李振,庞素红. 电力电容器与无功补偿. 2015(01)
[6]中国散裂中子源磁铁电源系统[J]. 齐欣,张旌,郝祖岳,张文庆. 电力电子技术. 2014(12)
[7]BEPCⅡ磁铁电源快速检测系统的实现[J]. 陈素颖,战明川,龙锋利,叶卫东. 原子能科学技术. 2014(11)
[8]新型并联电容器保护方案优化设计[J]. 丁祖军,曲振峰,徐顺刚,王华. 电测与仪表. 2011(04)
[9]HIRFL-CSR二极磁铁电源的研制[J]. 王有云,高大庆,丁军怀,石立峰. 原子能科学技术. 2010(04)
[10]高速A/D转换器的研究进展及发展趋势[J]. 吴兴斌. 微电子学. 2009(03)
硕士论文
[1]35kV高压并联电容器组运行状态监测装置的研究及应用[D]. 韩晓勃.华北电力大学 2017
[2]电力电容器安全运行分析与在线监测技术研究[D]. 潘佩明.华北电力大学 2015
[3]并联电容器绝缘在线监测与故障诊断方法研究[D]. 熊文清.湖南大学 2012
[4]电容性设备介质损耗角检测方法与实现[D]. 刘润泽.西安科技大学 2011
[5]10kV电力电容器故障远程预警系统[D]. 邹正华.华南理工大学 2010
[6]移相电容器绝缘在线监测系统研究[D]. 周文杰.湖南大学 2009
本文编号：3265752
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