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伴随着人们对高效、绿色能源的迫切需求，聚变能源作为未来能源之一，备受世界各国关注。此前，国家原子能机构已经布局建设一体化核聚变研究创新体系研究平台。其中，中国环流三号（HL-3）作为我国目前设计参数最高、规模最大、最先进的磁约束核聚变实验研究大科学装置，被称为中国新一代的“人造太阳”[1]。其等离子体体积达到国内现有装置2倍以上，等离子体电流能力提高到2.5 MA以上，等离子体离子温度可达到1.5亿℃，能实现高密度、高比压、高自举电流运行[2]，是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置，也是我国消化吸收ITER技术不可或缺的重要平台[3]，是加快中国经济绿色低碳转型，着力解决制约国家发展和安全的重大难题的科学基础研究装置。
核工业西南物理研究院负责设计、建造、运行的HL-3装置已于2022年12月装置建成并实现放电；2022年10月，HL-3装置等离子体电流突破115万安培；2023年8月，HL-3首次实现100万安培等离子体电流高约束运行[4]；多次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录。标志着我国已自主掌握大型先进磁约束核聚变实验装置的设计、建造、运行技术，并为深度参与ITER计划及未来自主设计建造聚变堆提供重要技术支撑。
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HL-3装置运行时，各配套磁体电源分别向不同的线圈释电，以约束和调整等离子体位置和形态。其中CS四限象电源由8套±30 kA/750 V可控硅变流器并联汇流，形成240 kA级供电能力。为有效保护HL-3装置和供电电源，在发生故障或需要保护时需快速释放转移线圈中的巨大能量，在电源和装置的联通线路上，可以通过并联非线性电阻、并联旁路开关（Crowbar）等手段迅速为故障释能提供通道。旁路开关已在高压直流输电[5-7]和聚变领域具有研究和应用[8-9]，如李华等[10]结合国内外超导聚变装置简述了机械开关、人工电流过零关断开关全控器件混合式直流开关在聚变中的最新研究进展。指出磁体线圈电流及储能较小时可直接配置机械开关。开断电流大时人工过零关断开关为主流选择，全控器件因自身参数限制，虽具有未来发展趋势，但提高器件的开断电压和电流的技术挑战仍有待解决，暂未能有广泛应用。温家良等[11]针对EAST超导托卡马克电源系统，设计了一种新型高功率双向直流快速15 kA晶闸管能量转移开关。白小龙[12]基于ITER磁体电源系统直流开关，提出一种新的聚变装置直流开关的设计思路。
国内，EAST全超导托卡马克，线圈的失超保护系统采用了并联熔断器的机械开关方式[13]，而中国科学院等离子体物理研究所研制的15 kA晶闸管分断开关已在EAST装置中成功应用[14]。中国聚变工程试验堆（China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）其超导线圈失超保护开关最大电流分断能力预计大于70 kA[10]。国际上，ITER保护系统的直流开关设计电流参数约为70 kA[15]。韩国KSTAR超导托卡马克装置选用真空断路器并联晶闸管的半控混合式直流开关，其电流设计能力近40 kA[16]。日本JT-60SA采用IGCT作为固态开关，其电流最大开断能力可达25.7 kA[17]。
起旁路作用的机械开关动作时间随电流增大而延长。半控型混合式直流开关的成本相对较低。全控型混合式直流开关，关断可控、动作迅速，但器件价格高，有待于全控型器件的发展和性能提升。而随着聚变系统需求容量的不断增加，运行电流的不断攀升，旁路开关的热、动稳定及可靠性要求愈发严苛。半控型晶闸管（Thyristor）作为一种三端四层的半导体器件，体积小，通过控制门极触发电流来实现导通或截止，响应速度快，能承受较高的电压和电流。反向特性好，适宜反向阻断的电路应用。
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HL-3的Crowbar选用成本相对较低，控制响应速度快的晶闸管方案，无机械触点，电流自然衰减，匹配前级CS电源±240 kA/750 V激励，Crowbar冲击电流设计能力需大于220 kA，为双向旁通型，直接并联于电源和装置回路，当发生故障或需保护时启动Crowbar快速释放装置线圈中的主要能量。因Crowbar仅针对最极端故障，大部分时间处于待机状态，供电、器件状态和连锁控制的检测保养较少，存在一定的失效概率。启动Crowbar时可与前级可控硅电源联动，利用可控硅电源导通管做续流提供备用通道，双通道结合，提升保护系数，有效保障HL-3科学装置的安全。
由HL-3仿真运行电流衰减曲线可见，如图1所示，其冲击电流大于220 kA，在7.0 s内呈指数衰减，单峰i2t瞬时最大值大于9.0×109 A2·s，5.0 s内衰减至零附近。从安全角度出发，需以晶闸管通态平均电流为基础，进而匹配CS磁体电源可控硅型号KPc-4 600 A/3 400 V，预计电压安全系数大于4.5，选用60只并联，理论通流量276 kA。预计单只晶闸管平均最大瞬时冲击电流约为3 667 A，兼顾元件参数离散差异和母排线路杂散参数导致的均流偏差，综合取值0.8，其平均和不均流电流负荷率分别为79%和98.75%，相比其他电力电子开关元件，KPc-4 600 A/3 400 V晶闸管器件具有极强的短时耐受能力，查询其通态浪涌电流和周波数的关系曲线可知周波数10/@50 Hz和100/@50 Hz的通态浪涌电流值分别大于30 kA和大于10 kA。
Figure 1. Crowbar application parameters
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将电流衰减曲线按照积分法则，i2曲线与时间轴形成区域面积，在电流衰减4 s后，积分基本不再增加，至少要达到2.6×1010 A2·s。采用直流电流进行等效测试，要求提供的直流短时能量需大于2.6×1010 A2·s。稳态测试中采用一套DC 20 V/51 kA低压直流源，如进行10 s耐受测试，折算的稳态电流对于每个Crowbar中的晶闸管元件约为850 A，不均流晶闸管元件约为1 000 A。
$$ {Q_{{\mathrm{plus}}}} = \int_0^{{t_1}} {({i^2}t)} {\mathrm{d}}t $$ (1) 式中：
Qplus ——积分能量（J）；
i ——电流瞬时值（A）；
t ——时间（s）。
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均流的可靠性是Crowbar设计及应用的关键，直流工况下的硬件均流，需要充分匹配线路的杂散参数，将60只晶闸管，均分为6个模块，每模块为1臂，臂上下分5层双面对称压装分布10只元件，如图2所示，组成开关的6个臂模块，采用等路径物理均流，3和4号支路母排故意折弯，使其路径与其余臂导电等长，归集汇入正负极。
Figure 2. Equivalent physical path and forced current sharing layout
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因可控硅元件参数的离散性，生产时元件未能具有完全相同的正向特性，且其特性也仅能限制在一定的动态范围内。而在相同的电压下，元件因正向特性差异极易造成电流不均。且阳极电压较低时更容易引起并联元件不能同时导通，当并联元件的开通门槛电压差异较大，门槛电压较低的元件往往先导通，使其余未导通元件阳极电压保持在首先导通的元件门槛电压[18]，使它们无法导通。
为了提高并联元件同时导通率，匹配伏安特性是必要的，而小电流区由于元件负荷都较轻，虽然电流差异大，但并不至于过热损坏元件。但大电流工作区时，通态伏安特性差异会引起不均衡的元件电流分配，因此必须对并联元件的通态（正向）峰值压降进行严格的筛选，尽量使直接并联元件的通态（正向）峰值压降差小于5 mV。匹配元件的通态伏安特性时，优先考虑大电流区特性[19]，如图3所示，使各元件特性呈U形或马鞍形排布，以保证大电流区有较好的均流。
Figure 3. Effect of volt-ampere characteristics on current distribution
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采用等路径使主臂物理性均流，而模块内对称压装晶闸管元件可以串接附加电阻强迫均流，以降低晶闸管参数离散及臂内线路阻抗差异影响，进而提高动态均流的可靠性。KPc-4 600 A/3 400 V晶闸管斜率电阻值rT为0.115 mΩ，附加强迫均流电阻值Radd预计大于rT值10倍以上[20]，附加电阻可以采用高阻性的不锈钢或镍烙等合金材料绕组而成，稳态电流下，附加电阻吸收的热量可由（2）式计算得到[21]。
$$ {Q_{\mathrm{H}}} = {I^2} {R_{{\mathrm{add}}}}t $$ (2) 式中：
QH ——注入附加电阻热量（J）；
I ——施加于电阻上的电流（A）；
Radd ——强迫电阻（Ω）；
t ——施加时间（s）。
注入电阻的能量使电阻升温，预计的温升可由（4）得出。质量m可以拆分成密度ρm和体积v的乘积，进一步将体积v拆分成材料长度L和截面积s的乘积，并联立式（2）和式（3），可以得出冲击工况下附加电阻的温升计算公式为：
$$ Q_{\mathrm{H}}=cm\Delta T $$ (3) $$ \Delta T = \dfrac{{{I_2} R t}}{{c {\rho _{\mathrm{m}}} (L s)}} $$ (4) 式中：
c ——电阻材料的比热（J·kg-1·℃-1）；
m ——质量（kg）；
∆T ——温升（ºC）；
ρm ——密度（kg/m3）；
L ——材料长度（cm）；
s ——截面积（cm2）；
R ——电阻（Ω）。
Radd需大于等于1.15 mΩ，附加钢或镍烙金属外形尺寸与稳态冲击下材料的耐受能力，需要综合电阻值和外形配比，进行验算。
$$ {R_{{\mathrm{add}}}} = {\rho _{\mathrm{R}}}\dfrac{L}{s} $$ (5) 式中：
ρR ——电阻材料的电阻率（Ω·m）。
单只晶闸管3.67 kA电流冲击持续1 s，均流电阻预计温升442 ºC；晶闸管1.02 kA（0.85 kA×1.2）电流冲击持续10 s，电阻预计温升328.6 ºC。此时金属材料必将熔解或损伤，而在确保电阻值不变的前提下，成比例增加电阻的长度和截面积，进而增加均流电阻的热容量，以此来降低器件的热应力，当长度和截面积分别增加4倍，电阻的质量相应增加16倍，热冲击温升减低16倍，此时，对应的温升区间为20.5～27.6 ºC。
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多并联装置中，并联臂除了受自身电流变化的磁场影响外，还会受其余臂换流时磁场的耦合影响。更需要注意并联母排的设置方式，如增大每臂母线之间的距离及母线对柜体的距离，以免引起有害的影响及干扰[18]。短路时母线所承受的电动力和最大计算应力分别为[21]：
$$ F=\dfrac{2K_xi_{\text{1}}i_{\text{2}}L_{\mathrm{h}}}{L\mathrm{_a}}10^{-7} $$ (6) $$ \sigma=\dfrac{F^3L\mathrm{_a}}{80.167L_{\mathrm{h}}b^2} $$ (7) 式中：
F ——作用力（N）；
i1，i2 ——导体中的电流瞬时值（A）；
Lh ——平行导体长度（cm），取166 cm；
La ——导体的轴向距离（cm），取50 cm；
Kx ——形状系数，其数值与导体截面形状及相互位置有关，当Lh>La时，Kx = 1；
b ——导体厚度（cm），取2.8 cm。
对于母线要求允许应力须大于短路时母线所承受的最大计算应力。母线允许应力，Pa；硬铜为137 MPa，硬铝为69 MPa，铝合金6063为160 MPa，钢为98 MPa。当Crowbar通过220 kA瞬时电流时，各桥臂预计瞬时电流为36.6 kA；则对应的电动力约为892 N，母线所受的最大应力约为20.4 MPa，当均流偏离到极端0.8的特殊状况下，电动力约增大1.56倍，最大应力增加3.79倍，达77.316 MPa。因铜导体成本高且易老化，而铝和铜相比虽电阻率偏高，但在满足电导电流密度，电阻率，温升允许前提下，采用热容量更大的铝合金材料，利用大截面及强比热容量，扩大储热能力和散热面积。可使导电母排热吸收能力有所增长，进而提升Crowbar整体的热稳定性。绝缘支撑及紧固选用中温下机械强度高，高温下电气性能稳定的环氧树脂绝缘板。其具有较高的绝缘能力和抗压强度，并能够有效避免漏电、击穿等事故的发生。同时其耐热性能好，在180 ºC下亦不变形。
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变流应用中，可控硅可采用窄脉冲和宽脉冲触发[22]，Crowbar多并联同时触发的特殊性，瞬时导通的一致要求，使触发的复杂程度更高。常规双窄脉冲触发模式，脉冲间隔60º，时间跨度3.3 ms，要求极强的触发前沿徒度，如第一脉冲未导通，并联器件的通态特性，使阳极电压减低，未导通晶闸管无法再触通，而已导通的晶闸管通路电流急剧增大过载造成损坏。如此往复几次，使开关整体抗峰值电流能力急剧下降，Crowbar整体击破，丧失基本保护功能。
宽度大于60º，小于120º的宽脉冲，虽提高了触发的可能性，但对前沿徒度的持续性，要求极高。合理利用晶闸管开通特性粒子的输运时间[23]，在极短时间内，多次强触发，可增加触发的成功率[19]。针对60只晶闸管并联同时导通一致性需求，选用宽脉冲高频脉冲列技术，如图4所示，在20 µs内形成多个波次的徒脉冲，其第一波电流幅值大于2 A，前沿徒度大于1.5 A/µs，第5波电流幅值大于0.8 A，对比图5晶闸管门级触发特性曲线，高频脉冲列及门极强触发电压下将有效提高晶闸管触发导通的一致性。
Figure 4. Kpc4 600/3200 SCR gate trigger characteristic curve
Figure 5. High-frequency pulse train and its current output characteristics
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为验证Crowbar的热及导通一致性，考核在高、低压时的导通差异，验证系统配置了一台高压DC 0~800 V/1 kA直流源和一套DC 20 V/51 kA低压直流源，如图6所示。开关中6模块支路分别卡装直检式霍尔电流传感器，各晶闸管上卡装4 000 A级均流传感器，进行单模块，双模块，三模块，6模块12只元件进行分层及上下错层，及全模块导通测试。高压电源驱动下随阳极电压升高，晶闸管触发导通数量增多。低压直流DC 20 V/51 kA源触发和热验证时，任选模块在最上和下侧晶闸管串联强迫均流电阻上分别贴装热电偶测温，进行DC 0.85 kA持续10 s热验证，实测一次性导通率53只，模块间均流系数大于0.94，强迫均流电阻温升小于60 ºC，模块内10晶闸管均流系数大于0.92，低阳极电压情况下，通流能力已达243 kA，满足配套需求。
Figure 6. Test schematic
主回路电压幅值的升高，可增大可控硅阳极和阴极间的场强，加快门极驱动电荷的扩散速率，提升晶闸管的导通成功率，DC 0～800 V/1 kA直流源激励下，瞬时电流不足以覆盖60只可控硅的擎住电流，而DC 20 V/51 kA低压激励时，阳极电压不足以匹配所有可控硅门极驱动电荷的扩散速率，因此未能全部触通。在HL-3现场该双向旁通型Crowbar就近置于装置侧部下方，2023年一次聚变试验中，因误操作，导致大电流瞬时冲击Crowbar，历时约3 s，冲击期间开关主体虽有晃动，但仍安全挺过，后经故障分析，数据核对，确认开关承受电流峰值已超160 kA。
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托卡马克装置是一个集众多学科于一体构成的庞大系统工程，仅装置及其配套设施的供电电源技术研究，就包括电力电子、电机与拖动、大功率高压脉冲、电气工程与自动控制，以及计算机应用等技术。随着对等离子体物理特性的深入理解和不断探索，电源控制系统性能要求愈加严苛。历经多年的沉淀和发展，西南所电源控制系统已从单一的功能电路板迭代至高性能实时操作系统。可采用反射内存共享网络、Lab VIEWRT、FPGA等技术，有效确保控制等离子体位形时激励电源稳定可靠、实时的快速配置需求[24]。
基于Lab VIEWRT和FPGA的HL-2A磁场电源实时控制系统，只需在上位机中设定电源运行参数，应用消息处理机制将电源的运行参数传输至电源实时控制系统。系统即实时解析每个控制周期内的各磁场电源的运行参数，7813R FPGA板卡根据同步信号、使能信号、故障输入/输出信号和当前的触发延迟等完成实时周期测量和延时设定产生触发脉冲输出,实现对晶闸管电源的控制。而Crowbar的触发需将结合四象限电源的电压、电流方向，放电线圈的运行状态和控制保护系统的综合信号来判断并触发对应支路的保护开关，如图7所示。
Figure 7. Crowbar trigger decision structure diagram
Large Capacity Crowbar for HL-3 Fusion
doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.15
- Received Date: 2024-04-13
- Accepted Date: 2024-05-08
- Rev Recd Date: 2024-05-07
- Available Online: 2024-05-30
- Publish Date: 2024-05-10
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Key words:
- nuclear fusion /
- thyristor /
- crowbar /
- protection switches /
- design application
Abstract:
| Citation: | WU Linjun, LI Haiyan, LEI Xiao, et al. Large capacity crowbar for HL-3 fusion [J]. Southern energy construction, 2024, 11(3): 137-145 doi: 10.16516/j.ceec.2024.3.15
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