許強林，李華，宋執(zhí)權(quán)，徐猛，張希寧

（1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026）

0 引言

失超保護系統(tǒng)是中國聚變工程實驗堆（CFETR）磁體電源系統(tǒng)中的重要組成部分，一般由主回路開關(guān)、轉(zhuǎn)移支路開關(guān)、后備保護開關(guān)以及消耗能量的移能電阻等設(shè)備構(gòu)成，圖1 顯示失超保護單元基本原理結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)磁體正常工作時，主回路導(dǎo)通，轉(zhuǎn)移支路斷開。一旦控制系統(tǒng)接收到超導(dǎo)磁體發(fā)生失超故障或系統(tǒng)其他故障保護信號，旁路開關(guān)打開斷開主回路，閉合換流開關(guān)，主回路上電流迅速向轉(zhuǎn)移支路換流。待旁路開關(guān)完全恢復(fù)阻斷電壓性能，斷開換流開關(guān)，電流再次換流到移能電阻上，進而消耗磁體中的巨大能量。此外，設(shè)置與主回路開關(guān)串聯(lián)的后備保護開關(guān)，以確保在旁路開關(guān)或換流開關(guān)開斷失效時，后備保護開關(guān)動作迅速斷開回路，將磁體能量迅速轉(zhuǎn)移并消耗在移能電阻上。

圖1 失超保護單元基本原理結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic principle structure of quench protection unit

當前國際上聚變裝置磁體電源的失超保護系統(tǒng)各有特點，主要區(qū)別在于采用的直流開關(guān)的種類以及直流開斷方案的不同。通常直流開關(guān)主要分為機械開關(guān)、固態(tài)開關(guān)、混合式開關(guān)，其換流開斷方案一般有直接開斷型[1-2]、電容放電人工過零換流型[3-9]、全控混合式開斷方案型[10-13]。其中，混合式開關(guān)結(jié)合了通態(tài)損耗低、快速無弧分斷的優(yōu)點，是當前直流開關(guān)研究的熱點。而全控型半導(dǎo)體器件關(guān)斷可控，不需要額外的過零電路和輔助充電設(shè)備，因此基于全控器件的混合式開關(guān)是未來的發(fā)展趨勢[14]。

本文主要描述CFETR 磁體電源失超保護系統(tǒng)的設(shè)計概況，主要從系統(tǒng)需求、系統(tǒng)總體設(shè)計方面介紹當前研究與設(shè)計現(xiàn)狀，為實際工程制造和測試以及工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

超導(dǎo)磁體失超保護單元主要分為縱場線圈（TF）失超保護單元和極向場/中心螺管線圈（PF/CS）失超保護單元。其中，縱場磁體電感26.742 H，由16 個線圈串聯(lián)，每個線圈儲能8.52 GJ，總儲能136.37 GJ。考慮將2 個線圈串聯(lián)構(gòu)成1 組，共用一個失超保護快速放電單元，一共8 個失超保護單元，其設(shè)計參數(shù)要求如表1 所示。

表1 TF 失超保護單元設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of TF quench protection unit

PF 由7 個磁體線圈組成，CS 由8 個磁體線圈構(gòu)成，表2 為PF/CS 失超保護單元的設(shè)計參數(shù)。

本次分析所比較的是《北語詞表》和經(jīng)ictclas分詞所生成的《魯迅小說》詞表中的雙音節(jié)以上的詞，未包括單音節(jié)詞。原因是《北語詞表》對單音節(jié)詞的頻數(shù)標記統(tǒng)一為“0”，無法取得定量數(shù)值，只能舍棄?！遏斞感≌f》詞表中單音節(jié)詞為2297個；《北語詞表》中單音節(jié)詞為2628個。雙音節(jié)及以上的詞數(shù)與比例，見表1。

表2 PF/CS 失超保護單元統(tǒng)一設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameters of PF/CS quench protection unit

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案一——人工過零關(guān)斷機械開關(guān)設(shè)計方案[15-16]

此方案為首選方案，優(yōu)點是成本低、占地少、技術(shù)相對成熟且可行性高；主要缺點是不同電流下人工過零關(guān)斷的技術(shù)失效風(fēng)險相對稍高，真空開關(guān)的電氣壽命較短，需要經(jīng)常檢查和維護。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示，真空開關(guān)并聯(lián)在機械旁路開關(guān)兩端，電容器與雙向晶閘管拓撲構(gòu)成人工過零放電回路，后備保護開關(guān)采用爆炸開關(guān)，與機械旁路開關(guān)串聯(lián)，移能電阻并聯(lián)在旁路開關(guān)和爆炸開關(guān)串聯(lián)而成的支路兩端。電容器需要預(yù)先儲能，在晶閘管控制導(dǎo)通后和電抗器形成諧振回路，產(chǎn)生所需的放電電流并在真空開關(guān)的滅弧室內(nèi)形成人工過零點，從而順利分斷真空開關(guān)。

基本動作邏輯如下：

1）系統(tǒng)正常工作時，旁路開關(guān)（BPS：Bypass Switch）和真空開關(guān)（VCB：Vacuum Circuit Breaker）閉合，由于VCB 的阻抗較大，系統(tǒng)負載電流主要從旁路開關(guān)BPS 支路流通。

2）當檢測到發(fā)生失超時，BPS 斷開，并產(chǎn)生電弧，在弧壓作用下，BPS 支路電流迅速減小并全部轉(zhuǎn)移至VCB 支路。

3）當電流完全轉(zhuǎn)移到VCB 時，開始觸發(fā)VCB分斷和晶閘管導(dǎo)通。人工過零支路投入運行，使VCB 完全分斷，電流強迫換流至移能電阻，消耗磁體能量。

4）系統(tǒng)后備保護開關(guān)選用爆炸開關(guān)，爆炸開關(guān)作為最后一道防線，在前述開關(guān)失效的情況下必須在1 ms 內(nèi)迅速開斷回路，產(chǎn)生高壓將大電流迅速轉(zhuǎn)移到移能電阻中。

人工過零關(guān)斷的機械開關(guān)回路設(shè)計參數(shù)如表3所示。

人工過零回路中的放電電容需要能夠短時分別承受100 kA（TF 磁體電源）和45 kA（PF/CS 磁體電源）直流大電流，峰值電流達120 kA（TF 磁體電源）和60 kA（PF/CS 磁體電源）。

根據(jù)磁體設(shè)計參數(shù)要求，CFETR 移能電阻需要消耗約200 GJ 的巨大能量，移能電阻將設(shè)計成標準模塊化結(jié)構(gòu)，可方便地改變阻值和耗能容量。電阻由標準模塊構(gòu)成，若干個模塊可以疊放在一起構(gòu)成堆棧單元，然后再由若干個堆棧單元經(jīng)由母排連接而成電阻矩陣。每個標準堆棧單元可以耗能約1 GJ，電阻設(shè)計最大溫升為200 K。

對于爆炸開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)滿足如下要求：

1）開關(guān)閉合正常運行時，應(yīng)能分別穩(wěn)定可靠地承載100 kA（TF 磁體電源）和45 kA（PF/CS 磁體電源）直流大電流，并能承受峰值為450 kA 短路電流的動穩(wěn)定能力。

2）若開關(guān)動作分斷時，應(yīng)分別能在1 ms 時間內(nèi)安全、可靠地快速開斷100 kA（TF 磁體電源）和45 kA（PF/CS 磁體電源）直流大電流，分別產(chǎn)生20 kV和15 kV 的高電壓，將直流大電流快速轉(zhuǎn)移到與之并聯(lián)的移能電阻支路的高壓大電流開斷能力。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案二——混合式直流開關(guān)設(shè)計方案[17]

混合直流開關(guān)方案的優(yōu)點是控制簡單，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，高壽命，易于維護等；缺點是目前全控器件的關(guān)斷參數(shù)不夠高、器件價格高、占地面積大、技術(shù)可行性較低。考慮到成本過高，此方案僅為備選方案，以應(yīng)對未來的發(fā)展趨勢和需求。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖3 所示，大功率機械開關(guān)由主觸頭、快速隔離觸頭和弧觸頭構(gòu)成，雙向固態(tài)開關(guān)由二極管橋和全控器件組成，后備保護開關(guān)采用爆炸開關(guān)，與多觸頭機械開關(guān)串聯(lián)。移能電阻為耗能元件，與開關(guān)并聯(lián)。

圖3 混合式直流開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topology of hybrid DC switch

開關(guān)動作邏輯具體描述如下：

1）系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，固態(tài)開關(guān)斷開不參與通流，機械旁路開關(guān)的三級觸頭均閉合，電流大部分經(jīng)主觸頭以及提供后備保護的爆炸開關(guān)構(gòu)成的支路流通。

2）失超時，機械開關(guān)接收到分斷指令，主觸頭首先打開，電流強迫轉(zhuǎn)移至弧觸頭和快速隔離觸頭的串聯(lián)支路上，直至完全換流，主觸頭逐漸完全恢復(fù)高電壓阻斷能力。

3）隨后分斷弧觸頭，固態(tài)開關(guān)同時接收到導(dǎo)通信號，電流開始向固態(tài)開關(guān)支路轉(zhuǎn)移。換流結(jié)束后，快速隔離觸頭快速無弧分斷。

4）固態(tài)開關(guān)分斷，電流迅速換流至移能電阻消耗磁體能量。

爆炸開關(guān)是一種后備保護開關(guān)。當系統(tǒng)動作失敗，即旁路機械開關(guān)和固態(tài)開關(guān)均無法成功可靠分斷時，爆炸開關(guān)通過引爆自身的雷管和炸藥實現(xiàn)電路分斷，電流在高電壓下?lián)Q流至移能電阻，避免由于失超保護系統(tǒng)主保護開關(guān)故障導(dǎo)致超導(dǎo)磁體損壞的問題。

該方案多觸頭機械開關(guān)的三個觸頭中，主觸頭和快速高壓隔離觸頭分斷時觸頭兩端幾乎無壓降，且快速高壓隔離觸頭實現(xiàn)無弧快速分斷。但弧觸頭需要短時承載大電流，且產(chǎn)生較高的弧壓實現(xiàn)快速換流。此外，固態(tài)開關(guān)需能快速分斷直流大電流，產(chǎn)生并承受高電壓。正常通流狀態(tài)下的爆炸開關(guān)需要和旁路機械開關(guān)一樣具有承受主回路額定電流的能力。失超態(tài)下的爆炸開關(guān)還需能在失超保護系統(tǒng)主保護開關(guān)故障時快速、可靠分斷電路。此外，考慮到換流回路的分布參數(shù)對系統(tǒng)換流時間等指標的影響，需合理進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足系統(tǒng)需求。

4 主要工程指標對比分析

每個失超保護單元主要包括旁路開關(guān)和換流開關(guān)構(gòu)成的主保護開關(guān)，后備保護的爆炸開關(guān)、移能電阻、控制和過壓保護設(shè)備等主要設(shè)備。對于上述兩種方案，最大不同是采用的換流開關(guān)不同，除此之外其它各設(shè)備基本相同。根據(jù)初步構(gòu)思和設(shè)計，表4列出了在考慮了操作、維護和檢修空間的情況下，采用不同方案時失超保護系統(tǒng)主要設(shè)備的占地要求（不含移能電阻）。由于固態(tài)開關(guān)占地面積遠大于人工過零回路，因此總體來說，混合式直流開關(guān)設(shè)計方案需要更大空間。

表4 主要設(shè)備占地要求Tab.4 Land occupation requirements for main equipment

此外，考慮到兩種方案的差異性，僅對兩種方案中采用的不同的相關(guān)開關(guān)及設(shè)備進行了初步成本預(yù)算。對于人工過零關(guān)斷機械開關(guān)設(shè)計方案，其單套TF 磁體失超保護單元的真空開關(guān)及人工過零電路預(yù)算約為580 萬元，而混合式直流開關(guān)設(shè)計方案的單套TF 磁體失超保護單元中的固態(tài)開關(guān)的預(yù)算約為1 170 萬元。因此混合式直流開關(guān)設(shè)計方案預(yù)算較大，成本更高。

5 結(jié)論

本文基于CFETR 失超保護系統(tǒng)設(shè)計需求，描述了相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，并介紹了兩種系統(tǒng)總體設(shè)計方案?？紤]到可行性、成熟度以及成本控制等方面，首選方案為電容放電人工過零關(guān)斷。從發(fā)展前景來說，備選的混合式直流開關(guān)方案具備較好的先進性和前瞻性。