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随着磁约束聚变的发展,托卡马克装置的参数越来越高,周围环境中会产生非常强的空间磁场;同时,等离子体破裂过程时电流迅速衰减,形成很大的瞬态磁场。如图1所示,ITER装置周围的最大稳态磁场超过200 mT最大磁场变化率也超过7 T/s[1],这种高强度的空间杂散磁场会影响主厅内与聚变装置相关部件和系统的稳定运行。
强磁场引起的电磁干扰是托卡马克装置及其电源系统的一个独特问题。开展电磁干扰研究,解决干扰问题,对保证托卡马克装置的正常运行和物理实验的发展具有重要意义。ITER组织计划建设一个高功率磁场抗扰度测试系统以验证被测部件能够在对应环境下可靠工作,如图2所示。同时,随着聚变装置所用的变流器容量增大和非同相逆并联结构的应用,强磁场电磁干扰问题在工业中日益突出。因此,该平台的成功构建也可以为业界的EMC测试提供必要的手段。
磁场抗扰度测试需要在X、Y和Z三个正交方向上进行,因此磁场均匀区域最好是一个立方体。而在ITER组织规定中,产生均匀磁场的尺寸为2.1 m×2.1 m×2.1 m [1]。为了计算方便,引入以下参数:
1) 最小磁场(Bmin):均匀区域内磁感应强度的最小值。
2) 最大磁场(Bmax):均匀区域内磁感应强度的最大值。
3) 磁场均匀度(η):最大和最小磁场的比值。
$$ \eta = \frac{{{B_{\max }}}}{{{B_{\min }}}} $$ (1) 高功率磁场抗扰度测试系统核心部件是能产生均匀磁场的感应线圈,目前主要包括螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、多线圈组和三维正交线圈等结构。螺线管线圈是一种常见的结构,世界各地的科学家已经对这些线圈的结构、原理、测试和应用进行了研究[2-4]。亥姆霍兹线圈结构简单,是研究最多的形式,相关科研工作者做了设计[5],对其磁场均匀性进行了研究[6-7],对于其结构、原理和优化有着详细的分析[8-9]。而对于需要更高磁场均匀性的场合,可以使用多线圈组结构,科学家们研究了不同线圈组的磁场均匀性,包括三线圈系统的研制[10-12],四线圈系统的设计[13],三维球形线圈[14]研究,并进行更多的改进优化方案[15-17]。正交线圈结构也有相应的阐述[18-19]。由于方形结构在大型设备的制造和焊接过程中比圆形具有更多优势[20-21],因此ITER组织[1]和IEC(国际电工委员会)在磁场抗扰度试验中推荐了方形结构。
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方形螺线管线圈如图4所示,线圈平均边长a和线圈轴向高度h以及安匝数为NI。基于理想模型,通过磁场数值计算得到了2.1 m/0.5 T和1 m/0.5 T条件下磁场均匀度η和总线圈损耗P相对于线圈尺寸(a和h)的分布,如图5所示。导体电流密度取为J=4 A/mm2。
通过图5提取线圈参数,如表1所示。
类型 2.1 m/0.5 T 1 m/0.5 T 导体截面/mm2 200×60 200×60 匝数 50 36 绝缘间距/mm 10 10 横向尺寸 2.8 m/3.2 m 1.3 m/1.7 m 纵向尺寸/m 3.49 2.51 总重量/t 19.5 7.0 电流/kA 45.0 35.6 电感/mH 5.27 0.983 电阻/mΩ 1.470 0.514 功耗/MW 2.981 0.651 Table 1. Basic parameters of square solenoid coil
图6所示为有限元仿真模型,计算磁场情况,如图7所示。对于2.1 m/0.5 T结构,最小磁场为500.0 mT,最大值为648.2 mT,磁场均匀性为1.296。对于1 m/0.5 T结构,最小磁场500.0 mT,最大磁场为550.9 mT,磁场均匀性为1.102。
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三线圈结构如图8所示。有三组线圈(C1、C0、C−1):边长为a3,两个侧边线圈之间的距离为h3,两侧的安匝数为N31I,中间线圈的安匝数为N30I。侧线圈与中间线圈的匝数比定义为β3,可描述为
$$ \left\{ \begin{gathered} {\beta _3}{\text{ = }}{{{N_{31}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{N_{31}}} {{N_{30}}}}} \right. } {{N_{30}}}} \\ {M_3}{\text{ = }}{N_{30}}I + 2{N_{31}}I \\ \end{gathered} \right. $$ (2) 式中:
M3——线圈的总安匝数。
最佳磁场均匀性参数之间的关系为[9]:
$$ \left\{ \begin{gathered} \dfrac{{{a_3}}}{s} = 1.392{\text{ + }}176.2{{\rm{e}}^{ - 5.601\eta }} \\ {\beta _3} = 1.029{\text{ + }}27.82{{\rm{e}}^{ - 3.532\eta }} \\ \dfrac{{{h_3}}}{s} = 0.9442 \cdot \dfrac{{{a_3}}}{s} - 0.238\;4 \\ \end{gathered} \right. $$ (3) 2.1 m/0.5 T和1 m/0.5 T下的参数按表2所示的公式计算,电流不得太大(I≤100 kA)。由于匝数必须为整数,绘制磁场均匀性误差和2.1 m/0.5 T匝数的分布曲线,如图9所示。
参数 2.1 m/0.5 T 1 m/0.5 T a3/m 3.178 1.764 m h3/m 2.500 1.427 m β3 1.311 1.601 M3/MA 2.300 1.267 MA N30+2N31 ≥23 ≥12.67 Table 2. Parameters of three-coil
$$ \sigma {{ = }}\frac{{\eta {{ - }}{\eta _0}}}{{{\eta _0}}} \times 100{\text{% }} $$ (4) 在误差为1的前提下,通过相同的方法获得了2.1 m/0.5 m/0.5 T的最小整数圈数N0=7、N1=9和I=92.0 kA,N0=3、N1=5和I=97.5 kA。
根据上述线圈结构参数和线圈产生磁场的能力,可以估算不同最小试验磁场下的总线圈重量和总线圈功率损耗。总重量G3和总功率损失P3可表示为
$$ \left\{ \begin{gathered} {G_3} = \rho {V_3} = \frac{\rho }{J} \cdot 4{a_3} \cdot {M_3}{\text{ = }}\frac{\rho }{J} \cdot 4{a_3} \cdot ({N_0} + 2{N_1})I \\ {P_3} = \frac{{{J^2}{V_3}}}{\sigma } = \frac{J}{\sigma } \cdot 4{a_3} \cdot {M_3}{\text{ = }}\frac{J}{\sigma } \cdot 4{a_3} \cdot ({N_0} + 2{N_1})I \\ \end{gathered} \right. $$ (5) 式中:
ρ —— 导体质量密度(kg/m3);
J —— 导体电流密度,J=4 A/mm2;
σ —— 导体电导率(S/m);
V3—— 总体积(m3)。
采用既有400 mm×60 mm铝母线,层间绝缘10 mm。
通过计算得到线圈参数,如表3所示。
类型 2.1 m/0.5 T 1 m/0.5 T 导体截面/mm2 400×60 400×60 匝数 9/7/9 5/3/5 绝缘距离/mm 10 10 横向尺寸 2.778 m/3.578 m 1.364 m/2.164 m 纵向尺寸/m 3.120 2.047 总重量/t 19.7 6.1 t 电流/ kA 92.0 97.5 电感/mH 5.27 0.983 电阻/mΩ 0.419 0.128 功耗/MW 3.544 1.084 Table 3. Basic parameters of square three-coil
基于上述参数,建立图10所示的仿真模型,以计算磁场分布,如图11所示。对于2.1 m/0.5 T,最小磁场为500.0 mT,最大值为651.7 mT,磁场均匀性为1.303。对于1 m/0.5 T,最小磁场为500.0 mT,最大磁场为553.4 mT,磁场均匀性为1.107。方形螺线管线圈功耗2.981 MW (2.1 m/0.5 T)和0.651 MW (1 m/0.5 T),对比三线圈结构3.544 MW (2.1 m/0.5 T)和1.084 MW (1 m/0.5 T)在功耗方面更占优势。选择方形螺线管作为最终结构。
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在直流稳态磁场试验中,要求直流电源系统为线圈系统提供稳定可控的直流电流,即需要提供45 kA (2.1 m/0.5 T)和35.6 kA (1 m/0.5 T)两种电流,可使用ITER现有的直流电源测试平台提供,可输出±55 kA、±1 050 V的电源,设备参数如表4所示,可以看出其输出足以满足需求。
参数 值 容量/MVA 82 电压 66 kV/1.0 kV 短路阻抗 16%±7.5%+1% 输出电流/kA ±55 输出电压/kA ±1.05 Table 4. Equipment parameters of DC power test platform for ITER
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基于图3所示的电路拓扑,假设峰值充电电流为I0,无论换向时间如何,线圈电流可以表示为:
$$ \left\{ \begin{gathered} {i_L} = {I_0}{{\rm{e}}^{ - t/\delta }} \\ \tau {\text{ = }}\frac{L}{{R{\text{ + }}{R_0}}} \\ \end{gathered} \right. $$ (6) 如果线圈的磁场产生效率定义为K,则相应的磁场变化率为:
$$ \frac{{{\rm{d}}B}}{{{\rm{d}}t}} = K\frac{{{\rm{d}}{i_L}}}{{{\rm{d}}t}} = - \frac{{K{I_0}\left( {R + {R_0}} \right)}}{L}{{\rm{e}}^{ - {t \mathord{\left/ {\vphantom {t \tau }} \right. } \tau }}} $$ (7) 磁场变化率要求在14 T/s到30 T/s之间;也就是说,最大磁场变化率为30 T/s。
$$ \frac{{K{I_0}\left( {R + {R_0}} \right)}}{L}{\text{ = }}30\;{{\rm{T}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\rm{T}} {\rm{s}}}} \right. } {\rm{s}}} $$ (8) 如果要求磁场变化率在14 T/s和30 T/s之间保持50 ms,则:
$$ 30{{\rm{e}}^{ - {{50} \mathord{\left/ {\vphantom {{50} \tau }} \right. } \tau }}}{\text{ = }}14 \Rightarrow \tau {\text{ = }}\frac{L}{{R + {R_0}}} = 65.6\;{{\rm{ms}}} $$ (9) 1) 2.1 m/0.5 T线圈
对于2.1 m/0.5 T线圈,可计算L=5.27 mH、R=1.47 mΩ和R0=79 mΩ。对于该线圈,其磁场产生效率为K=11.1 mT/kA,I0=177.3 kA,假设能量放电电阻的温升上限设置为80 °C,并采用不锈钢电阻,则相应的线圈储能为82.83 MJ,相应的重量约为2.25 t。试验期间的放电电流波形如图12所示(假设变流器的输出电压为500 V)。
2) 1 m/0.5 T线圈
对于1 m/0.5 T线圈,可计算L=0.983 mH、R=0.514 mΩ和R0=14.5 mΩ。对于该线圈,其磁场产生效率为K=14 mT/kA,I0=140.6 kA,相应的线圈储能为9.72 MJ,相应的重量约为0.26 t。试验期间的放电电流波形如图13所示。
最终的方案如表5所示。
类型 直流稳态 直流瞬态 测试需求 0.5 T 14~30 T/s (>50 ms) 2.1 m/0.5 T 45.0 kA/2.981 MW 82.83 MJ/79 mΩ 1 m/0.5 T 35.6 kA/0.651 MW 9.72 MJ/14.5 mΩ Table 5. Power scheme
Research on the High Power Magnetic Field Immunity Test System for ITER
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.02.003
- Received Date: 2022-03-31
- Rev Recd Date: 2022-05-08
- Available Online: 2022-06-02
- Publish Date: 2022-06-25
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Key words:
- immunity test /
- induction coil /
- solenoid /
- magnetic field measurement /
- finite element method /
- magnetic field uniformity
Abstract:
Citation: | XU Xuesong, HUANG Ya, LEI Hong, JIANG Li, ZHANG Jie, WANG Kun. Research on the High Power Magnetic Field Immunity Test System for ITER[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2022, 9(2): 26-32. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.02.003 |