КОНДЕНСАТОРНАЯ БАТАРЕЯ БЫСТРОГО РАЗРЯДА ИТЭР

ВВЕДНИЕ

Сверхпроводящие магнитные системы, способные хранить энергию до десятков гигаджоулей используются в современных электрофизических устройствах. Защита таких систем обеспечивается блоками быстрой разрядки (Fast Discharge Units). В случае отказа, в частности гашение в сверхпроводящей катушке, довольно быстрый и безопасный разряд энергии от магнитной системы предоставляется FDU, что приводит к разрыву питания катушки и обеспечивает рассеивание энергии в резисторы высокой энергии (ёмкости). ИТЭРовский FDU должен прерывать токи вплоть до 70кА с напряжением до 10кВ. FDU содержит в себе двухступенчатый переключатель, состоящий из переключателя ByPass (BPS, контактор с пневматическим приводом) и быстрый вакуумный автоматический выключатель (VCB). Другая важная часть FDU – это конденсаторная батарея для генерации импульса встречного тока. Закрытый BPS имеет номинальный ток до 70 кА. Как только BPS открывается, ток переходит в замкнутые контакты VCB. Вскоре после этого открывается вакуумный выключатель, и конденсаторная батарея генерирует встречный импульс, который компенсирует ток в VCB. Таким образом, в FDU предусмотрена коммутация без дугового тока. [1]

В Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ИТЭР) используются сверхпроводящие магнитные системы генерации и удержания плазмы. Важной задачей является защита этих магнитных систем (например, при гашении, локальный отказ сверхпроводящего состояния катушечного провода). В случае выхода из строя катушки система быстрого разряда должна обеспечивать отключение питания током сверхпроводящих катушек и подключение цепи катушки к силовым резисторам, способным рассеивать энергию магнитного поля поврежденных катушек. Проект ИТЕР включает в себя 21 комплект коммутационных аппаратов для быстрого защитного разряда энергии под названием блоки быстрой разрядки (FDU). [2]

Схемы питания FDU

Существует два варианта схем питания FDU. Первый вариант для катушек с неизменным током (система тороидального поля), представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема питания блока быстрой разрядки для однонаправленной катушки тока

Второй вариант для катушек с переменной величиной и направлением тока (системы полоидального поля, центральный соленоид) представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема питания блока быстрой разрядки для двунаправленной катушки тока

FDU состоит из механического переключателя (BPS), вакуумного выключателя (VCB) и параллельной конденсаторной батареи (CPC), а также автоматического выключателя с принудительным срабатыванием (pyrobreaker, PB). Для предотвращения перенапряжения на клеммах катушки предусмотрена схема демпфера (SC). BPS ИТЭР использует комплект Siemens BPS + VCB. [2]

ФДУ должен обеспечивать быстрый разряд (за несколько секунд) энергии магнитного поля сверхпроводящей катушки (до 4,5 ГДж). С этой целью FDU разрывает цепь и направляет ток I от сверхпроводящей катушки в разрядные резисторы DR. В начальном состоянии BPS и VCB замкнуты, а установившийся ток I ≈ 70 кA протекает через массивные контакты BSP; конденсаторная батарея противотока заряжена. В случае гашения система защиты реактора запускает цикл отключения FDU. Во-первых, выполняется медленный процесс открытия контакта BPS и ток I поступает в замкнутые контакты VCB. Затем через, быстрый промежуток времени, активируется пружинный привод VCB. После срабатывают тиристорные переключатели CPC, и ток разряда CPC проходит через контакты VCB в направлении, противоположном току I катушки. Для этого тиристор VT1 срабатывает в однонаправленный FDU (рис. 1), в то время как в двунаправленном FDU (рис. 2) тиристоры VТ1, VT2 или VT3, VT4 срабатывают в зависимости от направления тока в катушке I. Когда ток VCB контактов уменьшается до 0, то дуга между контактами выключателей гаснет. В результате контактные устройства FDU переходят в открытое состояние и ток от сверхпроводящей катушки проходит через DR. таким образом, реализуется довольно быстрый разряд (вывод) энергии катушки.

Конденсаторная батарея

На рисунке 3 представлена схема разгрузки однонаправленной конденсаторной батареи и на рисунке 4 представлена схема разгрузки для двунаправленной конденсаторной батареи. Параметры конденсаторных батарей представлены в таблице 1.

Рисунок 3. схема разгрузки однонаправленной конденсаторной батареи

Рисунок 4. схема разгрузки для двунаправленной конденсаторной батареи

Таблица 6.

Параметры конденсаторной батареи

Конденсаторная батарея имеет особенности, отличающие ее от обычной:

·Ключ переключатель разрядки для двухнаправленной конденсаторной батареи выполнен в виде тиристорного моста.

· Изоляции высокого напряжения должна выдержать 28 кВ переменного тока против рамки, заземленной металлом.

·Конденсаторы, переключатели полупроводников и изоляция должны быть сконструированы для того, чтобы выдерживать напряжение тока на долгий период времени (до 100 000 часов).

· Конденсаторные батареи могут быть подключены параллельно или последовательно, чтобы CPC достиг выходного тока 140 кА и выше и выходного напряжения 10 кВ.

Батарея состоит из 3 биоэнергетических D-65C 935-500 импульсных конденсаторов производства ICAR (Италия). Концепция высоковольтной платформы реализована в конструкции конденсаторной ячейки. Согласно этой идее, все высоковольтные компоненты разрядной цепи и зарядного устройства расположены на платформе, изолированной от заземленных металлических каркасов и низковольтных устройств. Нет гальванической связи между высоковольтной и низковольтной зонами.

Список литературы:

1. iter.org
2. B. Fridman, R. Enikeev, N. Kovrizhnykh, A. Pekhotnyi, A. Roshal, R. Serebrov, K. Kharcheva «CAPACITOR BANK FOR FAST DISCHARGE UNIT OF ITER FACILITY» // D.V. Efremov Institute of Elecrophysical Apparatus – 2011