均方误差 建模和模拟在工程 1687 - 5605 1687 - 5591 Hindawi出版公司 359210年 10.1155 / 2008/359210 359210年 研究文章 超导磁体系统的瞬态行为的聚变反应堆ITER期间安全排放 美里 a . M。 1 芬克 年代。 2 Fietz w·H。 2 Kotenko 伊戈尔 1 电力能源系统和高压技术研究所(IEH) 卡尔斯鲁厄大学 Kaiser街12 76128年卡尔斯鲁厄 德国 uni-karlsruhe.de 2 Forschungszentrum卡尔斯鲁厄技术合作物理学研究所 Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344年Eggenstein-Leopoldshafen 德国 dlr.de / tp 2008年 06 11 2008年 2008年 29日 01 2008年 06 07年 2008年 2008年 版权©2008 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

调查的瞬态行为的环形和极向场线圈磁铁系统国际热核实验反应堆安全放电期间,建立了网络模型与集中元素。Frequency-dependant网络元素的值,即电感和电阻计算的有限元方法。这样,可以确定过电压。根据这些过电压,线圈的绝缘协调已被选中。

 1。介绍

国际热核实验反应堆(ITER)之间的步骤是今天的等离子体物理研究和明天的由聚变电厂生产的电力 1]。等离子体是由环向磁场的磁场限制(TF)线圈,极向场线圈(PF)和中央电磁(见图 1)。

ITER托卡马克反应堆的剖视图。

由于所需的巨大磁场,线圈需要超导。在淬火时,当导体从超导变为正常导通状态,存储磁性能量必须由一个快速卸离线圈放电电路。因此通过过热损伤是可以避免的。启动快速放电,抵消电流开关使用可能导致瞬时高压绕组。这些瞬变会导致内部振荡过电压。

在这个调查中,瞬态行为的ITER环向磁场(TF)和极向场线圈(PF)模拟期间安全排放。

TF线圈是平等和系列。18 TF的TF线圈系统由线圈和9快放电单元(FDUs)。系统的结构如图 2。确定后的瞬态行为的系统图 7,导致电压TF线圈端将申请一个线圈的详细模型的进一步调查。

TF的简化模拟电路线圈系统在快速放电(电源已断开连接的)。

圈数,PF线圈有不同直径和结构。PF线圈2,3,4,5并行连接,根据图感到兴奋 3。PF线圈1和6分别是兴奋。因为他们的几何、PF3和PF6最低的共振频率。所以这两个线圈是建立的模型来确定PF线圈的绝缘绕组内压力在安全排放。

外PF线圈电路PF2、PF3 PF4、PF5。

PF线圈3,共振频率最低的是确定。所以在安全放电,只有电路PF2 PF5被认为是。所有的线圈和转换器是并行的。垂直转换器的主要目的是控制等离子体垂直位移。验证计算方法,一些测量线圈与单个TF进行模型,具有减少规模相比,未来TF线圈( 2- - - - - - 6]。

 2。ITER TF和PF线圈和他们的网络模型

线圈是“D”形,特遣部队由192绕组。绕组包封装在一个钢情况由径向板(见图7 4)。绝缘导体包围着一个由环氧树脂浸渍聚酰亚胺薄膜和玻璃( 7]。线圈终端项目的低弯曲部分的案件。所有其他煎饼关节(即两倍。,joints linking radial plates) are contained within a local extension of the case.

横截面的TF线圈。

PF线圈环形式,有不同的圈数。给出了图结构 5。

ITER PF线圈的横截面的一部分。

ITER TF线圈截面的一部分显示了三种不同类型的电气绝缘。

网络模型为一个TF线圈。

周围的6 PF线圈放置圆形舷外TF线圈的腿。PF线圈是自营至于径向磁加载和垂直加载传播的TF线圈情况下支持旨在允许自由线圈的径向扩张。PF的铅线圈是由方钢管,其中包含圆形超导体。超导材料是合金niobium-titanium。它包含多个丝股圆形导体。广场管道周围是绝缘用环氧树脂浸渍聚酰亚胺薄膜和干燥的玻璃。

2.1。TF网络模型

每个线圈特遣部队由134变成嵌在径向板(见图 4)。每个把模仿了一个电阻,电容,一个电感。7双煎饼串联连接。转身径向之间的电容代表绝缘板。径向板块相互之间的电容耦合和接地情况。从[ 8),证明了径向板与双中心的煎饼(氦气入口的位置)通过一个电阻是最好的链接方法。对ITER TF,电阻的值给出 2 * 50 k Ω = One hundred. k Ω 。此外,仪表电缆的影响被认为是在这里。仪表电缆用额外的参数表示氦气入口和地面之间。图 7显示了一个特遣部队的建立网络模型线圈。径向的frequency-dependant阻尼板有限元模型处理。

2.1.1。频率灵敏度的抗性

测量表明,超导丝不参与高频振荡的快速瞬态过程cable-in-conduit导体(软)中使用类型相似的ITER特遣部队( 3, 4]。4 K的可能的原因是,周围的皮肤深度铜矩阵细丝很小已经kHz的频率范围。此外,超导体的渗透通量也相关的时间常数。换句话说,围绕铜的瞬态波传播矩阵。因此,对于网络模型,超导股被认为正常的方式进行。

总线圈的直流电阻,一个1.0米的价值 Ω 被发现,假设残余电阻率(存款准备金率) 9120年)稳定的铜。它可以证明,没有有效的皮肤或邻近效应售票员作为一个整体。频率依赖的有效抵抗只是由于局部电流位移内链由一个当地的集肤效应和由于当地链之间的邻近效应。计算频率相关的阻力 R_skin ( f ),分析公式和有限元法(FEM)都可以使用。有限元法(指的是项目麦克斯韦( 9]在这个项目)已被选为做阻力的比值的计算由特定频率直流值。一些结果如表所示 1。

电阻率。

电阻率 频率(赫兹)
25 One hundred.
37 170年
108年 470年
533年 20000年
860年 50000年
2.1.2。Turn-to-Radial板电容

转和径向板块之间的电容可以视为圆柱形电容器( 2]。一层的之间的电容 k并给出径向板 C k , T 来 R = 2 π ε 0 ε r l k ln ( R 一个 / R 我 ) , 在哪里 R 一个 和 R 我 外部和内部线圈的半径。 l k 层绕组的长度吗 k ( k = 1 , … , 11 ) 。

 2.1.3。辐射板径向平板电容

邻国之间的电容电容器可以视为板径向电极板。电容器是由两个径向盘子 C R 来 R = ε 0 ε r l * W d , 在哪里 l = 34.1 米 ( 8。 ) 的长度是线圈中心。 W是辐射板的宽度方向从一层一层1 - 11和 d 之间的绝缘厚度径向盘子。它可以证明这个公式有一个好的近似与不同半径的公式与应用程序。

 2.1.4。地面电容

有相当大的接地电容在最里面的,最外层。计算的参数( 2)适用。

 2.1.5节讨论。仪表电缆的电容

60米的仪表电缆长度造成相当大的地面的功放。假定单位长度电容是0.4 nF / m。

 2.1.6。自我和相互电感

自我和相互电感的直流值使用分析公式计算圆柱导体( 10]。的自身电感的层 k是由 l k = μ 0 2 π * l k * ( ln ( 4 l k d ) − 0.75 ) , 在哪里 l k 层的长度是 k和 d线圈的直径。

之间的互感 k th绕组和 j th绕组计算通过使用诺伊曼方程 米 = μ 0 4 π ∗ ∮ l 1 ∮ l 2 d l 1 d l 2 r 12 , 在哪里 l 1 的长度吗 kth绕组和 l 2 的长度吗 j 绕组。 d l 1 元素的长度吗 k 绕组, d l 2 元素的长度吗 j th绕组, r 12 是两个线圈之间的距离。

一个特遣部队的总电感线圈与MATLAB程序计算值为0.3498 h,同意与0.349 h的价值发现在文献[ 5]。自我的直流值的计算和互感是上面所讨论的。

在瞬态过程中,有许多不同频率的部分,这些都包含在一个电压信号和电流信号。得到正确的频率响应,它是必要的在模型中设置特定的电感值对应的频率。这意味着频率相关电感需要计算。这已经完成了使用有限元方法(FEM),因为描述的涡流效应不能通过分析公式。

FEM discretises 2 d或3 d领域。地区复杂的结构分为小三角形,三角形的内部可以近似处理均匀。连续是理想化与有限数目的元素节点。这个解决方案向精确解是收敛的。更详细的信息可以在[读取 11]。

 2.1.7。确认第一个主导共振频率

要做一块更好的语句对刺激信号的频率响应,包含不同的频率,有必要知道第一个主导共振频率或所谓的单个线圈的谐振频率的网络模型。由于集肤效应,在高频电流导体的内部区域中被取代。有频率的依赖:增加导体的交流电阻和电感减小。

所以真正的共振频率的线圈不能直接计算。迭代法的应用是必要的:FEM-using计划麦克斯韦,电阻和电感的直流值计算。然后集中元素的值插入到瞬态程序ATP ( 12)和共振频率决定。有了这个新的谐振频率,应用有限元法。这个过程反复进行,直到共振频率收敛于真实的线圈的谐振频率。最后50千赫导致这个计算单个ITER TF线圈。

 2.1.8。ITER TF的简化网络模型线圈与地球系统没有和功放

磁铁,其中一个重要的参数是过电压的线圈终端可能会导致绝缘击穿和其他可能引发连锁故障事件。通过线圈的电压端子和瞬态分析的快速放电单元(FDU), TF线圈的电路系统分析(见图使用[16] 8)。这里的TF线圈被简化为一个纯电感。这是真的,当放电事件只是分析,没有任何进一步的故障条件。但如果有短路线圈终端地面,线圈终端和地面之间的参数必须考虑分析的电压线圈终端和其他参数FDUs [ 8]。

TF线圈系统电路分析。

替代的18个纯电感在图 8通过18耦合线圈模型图 7会导致巨大的计算时间。因此,电路中各总结和分布式。完整的系统的网络模型和简化的线圈如图 9。在这两种情况下,所有18 TF线圈之间的耦合因素被认为是。耦合因素的值被从[ 5]。

ITER TF线圈系统的网络模型,9 FDUs显示为块。

在图 9,地球各分为两个部分。代表了一部分辐射板和地面之间的绝缘;此外电阻的值 1 Ω 形成的情况被考虑。另一部分代表了各由仪表电缆,因此电感 μ 从仪表电缆也被认为是H。

 2.1.9。网络模型的可采性进行裁决

可容许的网络模型可以评估计算频率范围。的传播速度 c = c 0 μ r ε r = 1.5 * 10 8 女士 。

2.2。PF网络模型

最大允许频率的线圈 f 马克斯 = c 8 l = 1.1 兆赫 ( 与 l = 34.1 米 ) 。

共振频率要低得多,网络模型是容许的。

模型的建立为PF线圈2和3中,TF线圈的过程是一样的。在图 10PF3的网络。

网络模型的双重煎饼PF线圈3。

 3所示。安全放电特遣部队和PF线圈在正常和故障情况下

如果一个淬火(即。,the conductor is no longer superconducting) is detected, the fast discharge is initiated to extract the stored energy of the coils and to avoid damage.

电流转换从连续小径到真空断路器的路径(见图 11)和电源短路的,关掉。交换机连接带电计数脉冲电容器。柜台电流穿过真空断路器(江苏省)线圈电流方向相反。由此产生的电流减少。

模型的快速放电电路TF线圈。

在当前达到零交点和断路器中电弧熄灭,断路器打开。短的线圈电流整流电流路径的阻尼电阻路径能量是废除了阻尼电阻( R d )。

最大电压特遣部队系统的阻尼电阻的60 KA 6 kV(见图 12)。作为减刑的此刻,柜台脉冲电容器不是完全放电,放电持续超过缓冲器的缓冲电路电阻( R sn ),导致2 kV FDU终端的脉冲上升时间约1微秒。在图所示的电流 13。

特遣部队快速放电瞬态分析的结果; U AB :电压FDU; U c :电容上的电压;上面的结果相比,有一个很好的协议( 10]。

特遣部队快速放电瞬态分析的结果; 我 江苏省无锡 :电流断路器; 我 R d :电流放电电阻器; 我 SN :当前缓冲器电路。

线圈的瞬态行为是两种不同的情况下决定。

3.1。正常的情况下

检测到淬火和能源存储在线圈必须提取。TF线圈电流68 kA系统兴奋。当电流关闭,安全排放。

最大电压TF线圈终端研究与模型图 2。详细的模型图 9单一的TF线圈是兴奋与这个电压和最大电压线圈决定( 6]。

PF的线圈励磁,阶跃函数上升时间为1毫秒从1 kV 9 kV到网络(见图 10)是应用。

 3.2。故障情况下

单一TF线圈模型(1 kHz, 50千赫)是快速放电(参见图检查 14)。最大电压确定正常情况下,两条断层情况下在每一个类型的绝缘。结果列于表 2。所有情况下,第一个5秒用于充电和运行一个68 kA通过线圈的直流电流。

计算最大电压的概述,径向板,和导体绝缘1 kHz和50千赫模型(网络计算的元素1 kHz和50 kHz,职责)的TF线圈。

f (赫兹) 最大电压计算(kV)
绝缘类型 快速放电 故障案例1 故障案例2
地面 1 3所示。5 8.1 16.4
50 3所示。5 8.1 16.4
辐射板 1 0.7 0.7 4.8
50 0.6 0.7 4.8
导体 1 0.6 0.8 4.3
50 0.5 0.8 3所示。7

快速放电没有错。终端电压对地(例如, l 宣告),3467 V ( t = 5.0085 秒),上升时间从零点到最高:1.6毫秒,电容器放电:−696 V,上升时间:1.1微秒 ( t = 5.00100 秒)、终端到终端电压(例如, l 8 ):3467 V,上升时间:1.6毫秒 ( t = 5.0085 秒)。

两FDUs检查故障的故障案例1,即整流电阻路径只是成功的七个FDUs虽然目前仍在旁路路径两FDUs。从不同的终端电压到地面图中可以看到 15。

对地电压线圈3、8、14、15快放电期间FDU2和FDU3的失败。

第二故障情况下,假设系统中电压不平衡,引起的故障,与地球终端电压的增加,导致了接地故障时间和地点的最大电压。第二故障情况下,增加几微秒的时间范围内最大径向板和导体绝缘电压,和一些毫秒最大范围的地面绝缘电压。这种差异的原因*是最大的终端电压上升到地面和终端之间的最大电压线圈没有发现相同的线圈在表 3[14]。最大电压如图 16。

直流和交流电压(峰值)测试线圈特遣部队的地面,径向板,并根据计算导体绝缘电压的两个不同的故障情况。

测试电压(kV)
绝缘 基于故障案例1 根据故障情况2
地面 18 34
辐射板 5 11
导体 5 11

快速放电的失败2 FDUs和接地故障。在终端最大电压: l 的宣告, U= 16.35 kV振荡 t= 5.087秒,从8.06 kV最大电压上升时间:3、5毫秒,最大终端,终端电压: l 2 , U = 13.49 kV在 t= 5.0819秒,上升时间从2.69 kV最大kV: 2.4微秒。

TF线圈系统分析与PSpice软件项目计划的耦合矩阵可以包括在内。计算导致的结果,它可以无视越来越频繁,尤其是共振频率。

确定PF线圈系统,执行类似的分析。在快速放电电路如图 31和2的,所有可能的组合故障FDUs模拟。4.6 kV的最大潜力地发生在上部终端PF线圈4 FDU5不开放。

对于PF线圈、故障案例1意味着只有一个FDU的故障,故障案例2是错1接地故障。这个接地故障发生在潜在的最大的终端出现后关掉电源。PF线圈4的详细线圈模型类似于PF线圈3的模型图所示 10。在共振频率与集中元素的值,它是由一个阶跃函数最大值发生在故障情况下4.6 kV的潜力。电力供应中断和潜在的上升时间确定为8毫秒。

现在一个阶跃函数上升时间应用于详细的模型。后三种情况被认为是达到4.6千伏的电压:

电压保持恒定(阶跃函数);

电源是关闭(故障案例1);

电源关闭,发生接地故障(故障案例2)。

因为功放的详细模型,有振荡线圈中产生过电压。结果表中可以看到 4。

概述计算最大电压的21.5 kHz的PF线圈模型4。

最大电压计算(kV)
绝缘类型 阶跃函数 故障案例1 故障案例2
地面 4.8 3所示。3 2。9
辐射板 0.9 0.9 1.0
导体 1.0 0.9 1.2

造型PF的线圈,软件ATP ( 12使用了)。ATP不允许包括完整的PF系统的耦合矩阵。所以没有考虑其他PF线圈的影响。

 4所示。结论

ITER的瞬态行为的数值调查特遣部队在快速放电线圈在正常情况下和在故障情况下显示的显著增加径向压力板和导体绝缘故障的结果两个相邻FDUs紧随其后的是一个额外的接地故障。设计和测试电压必须根据实际的故障场景选择确定的ITER社区。

极向场线圈,PF线圈4显示终端潜力最大的快速放电期间一个FDU的错。它显示过电压,绝缘协调必须选择。

进一步的活动要做中央电磁及其与PF线圈的磁相互作用和在快速放电故障条件下的等离子体。

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