HT-7超导托卡马克电源更新改造

HT-7超导托卡马克电源更新改造1.意义与理由极向场电源是托卡马克主要的子系统之一，它为等离子体的产生、约束、维持、加热，以及等离子体电流、位置、形状、分布和破裂的控制，提供必要的工程基础和控制手段。整个电源系统包括建立等离子体和提供等离子体欧姆能量的加热场电源、控制等离子体水平方向位移的垂直场电源、控制等离子体垂直方向位移的水平场电源，及其它偏磁场电源、校正场电源等。电源系统对于装置运行的性能与安全，物理实验的成败与效率，有着至关重要的作用。HT-7托卡马克电源系统始建于1994年，一直运行至今，为HT-7装置取得好的实验结果提供了重要的工程基础和保证。但是当时建造HT-7电源时，设计参数为短脉冲运行，且最大时间为1秒，随着HT-7装置物理运行参数的日益提高，特别是在HT-7装置运行领域拓宽到稳态运行后，其最长放电时间已经达到60秒。因此该电源多年来一直超负荷运行，热稳定大大超出设计范围。HT-7下一阶段放电时间长度目标为300秒或更长，现有电源再也不能满足长时间稳态运行的物理要求了，必须进行升级改造。另外，该电源系统的主要部件，是俄罗斯60到70年代旧产品，且由于当时装置建设经费非常紧张，很多关键高电压大电流设备均是手工制作，因此这套电源在运行中故障率较高。该电源运行10年来，很多部件已经损坏，同时当时从俄罗斯带进来的备件也已经使用完毕，而且这些40年前生产的备件已经很难购到，如不对电源主要设备更换和改造，将严重影响HT-7装置放电。HT-7U是一个全超导托卡马克装置，它的所有线圈均是超导磁体构成的。它有12套能输出正负电流的极向场电源系统。相对HT-7而言，它的电源系统更复杂，技术要求更高。由于电源负载是超导磁体它的控制和保护技术必须非常可靠。我们以HT-7U托卡马克的技术要求，对HT-7电源系统进行改造和升级，使该电源现在可以用在HT-7装置上，满足HT-7物理实验的需要，另一方面也可以作为HT-7U电源的预研。因此，HT-7电源系统的升级改造也是必需的。2.升级改造内容目前在HT-7超导托卡马克上所使用的电源系统是一个120MW的品闸管可控电源系统，电压是0—4kV。其电源为脉冲运行，脉冲长度为满参数1秒，占空比为1秒比180秒，在降低电流和增加占空比时可以扩宽脉冲长度到60秒左右。从现在的物理实验来看，该电源已达到或超过其使用极限，要进行更高的等离子体放电，只能更换和对其主要设备进行改造。要满足HT-7超到托克马克日益增加的物理运行参数，必须要求其电源系统性能可靠;欧姆加热电源必须能驱动等离子体电流达到250kA以上，并产生4.0kV的高压击穿等离子体；垂直场电源能控制等离子体在其水平位置的漂移，其在等离子体位置产生的磁场强度要超过1200高斯；水平场电源需产生100高斯磁场控制等离子体的垂直位移;偏磁场电源对托克马克的偏置磁通达到0.6伏秒；同时还要使原来的脉冲电源改成稳态电源。因此主要改造内容如下：整流系统。该电源的主要设备之一是120MW的品闸管整流系统，它是90年代我们建造HT-7装置时，从俄罗斯廉价买回的60到70年代生产并使用和闲置多年的旧产品，且脉冲运行。现拟全部更换成稳态运行性能较好的晶闸管整流系统。变压器。原总容量54兆伏安变压器，是由本所工厂91年加工制造，其设计参数是脉冲运行，脉冲宽度一秒。该变压器制作工艺较差，同时由于HT-7放电参数不断提高，变压器负荷远远超过原来的设计值，10余年来该变压器基本一直在超参数运行，绝缘已经老化。需全部更换。•等离子体击穿开关。在托克马克放电建立等离子体时，必须在真空室中建立一个高电压，击穿气体，而产生等离子体。该开关输出电压4.0kV，电流8.0kA，由15000mF电容器、品闸管、充电机、引燃管等组成。该开关要求能输出高电压，且能通过大电流。原来开关为脉冲运行，现拟改成稳态运行的开关，满足超导托克马克稳态运行的需要。•电源交流开关。交流开关是用来保护整个电源系统短路或其它故障，同时在电源维护时将高电压和整个电源断开。原来电源使用120MW交流发电机供电，其保护可以通过电机的灭磁来实现。现电源将改成110kV/10kV变电所供电，该电网短路容量较大，必须安装高压真空开关柜对电源进行保护。直流保护开关。HT-7超到托克马克电源系统向其数个磁场线圈供电，其磁体线圈的损坏将带来整个托克马克装置的破坏。为了快速保护磁体系统，必须设置直流开关，在线圈故障或电源失控时将其大感性直流迅速断开。该开关系统有一级保护的品闸管开关、后备保护的直流快速开关和爆炸开关。其最大开关参数为15kA/2.5kV。偏磁电源、水平场电源的改进。该电源应该能稳态运行。•整个电源系统的水冷设备。由于原来电源系统为脉冲运行，运行时间仅为1秒，可以依靠自然冷却。新建的电源系统为稳态运行，必须依靠去离子水循环冷却。冷却水参数，去离子程度为：耐电压4kV/cm，水流量：100吨/每小时。•控制系统。原控制系统为10多年前建造，控制设备落后，很多硬件设备运行多年后，性能下降故障率非常高；同时该控制方式也已经不能满足日益提高的托克马克运行参数需求。拟更换大部分硬件，用实时操作系统QNX、各种工业控制计算机、现场总线构成一个实时快