三電極氣體開(kāi)關(guān)在LHCD高壓電源中的應(yīng)用研究

楊志剛，黃懿赟，傅　鵬，張　健，郭　斐，孫浩章

（1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所，合肥230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院，合肥230026）

三電極氣體開(kāi)關(guān)在LHCD高壓電源中的應(yīng)用研究

楊志剛1，2，黃懿赟1，2，傅鵬1，2，張健1，郭斐1，孫浩章1

（1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所，合肥230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院，合肥230026）

為在低雜波電流驅(qū)動(dòng)（LHCD）系統(tǒng)打火等嚴(yán)重故障時(shí)及時(shí)保護(hù)高壓電源，提出了設(shè)置三電極氣體開(kāi)關(guān)作為第一級(jí)快保護(hù)方案，并研制了一套能通流60 kA、5 μs快速導(dǎo)通的三電極氣體開(kāi)關(guān)。通過(guò)聯(lián)合LHCD高壓電源與開(kāi)關(guān)進(jìn)行短路故障保護(hù)實(shí)驗(yàn)，證明了開(kāi)關(guān)工作性能穩(wěn)定，大大提高了LHCD高壓電源運(yùn)行的安全性與可靠性，在脈沖功率裝置中具有較好的應(yīng)用前景。

三電極氣體開(kāi)關(guān)；低雜波電流驅(qū)動(dòng)（LHCD）；高壓電源；短路故障保護(hù)

引言

EAST（experimental advanced superconductingtokamak）是中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所自行設(shè)計(jì)和研制的世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，是“九五”國(guó)家重大科學(xué)工程項(xiàng)目之一。EAST裝置從2006年9月建成至今，已成功進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，為獲得更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要配備功率更高的輔助加熱系統(tǒng)［1］。EAST輔助加熱是“十一五”國(guó)家發(fā)改委國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，于2008年7月立項(xiàng)，2011年11月開(kāi)工建設(shè)，預(yù)期建設(shè)4 MW中性束加熱和4 MW低雜波電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，建設(shè)周期4年，于2015年2月順利通過(guò)國(guó)家各部委驗(yàn)收。輔助加熱高壓電源課題組承擔(dān)了其中6 MW/4.6 GHz的低雜波電流驅(qū)動(dòng)LHCD（low hybrid current drive）輔助加熱系統(tǒng)高壓直流電源的研制任務(wù)。由于速調(diào)管處在高壓電源的強(qiáng)電場(chǎng)條件下，這使得負(fù)載瞬間打火短路故障時(shí)有發(fā)生。研究表明，負(fù)載在打火時(shí)吸收的能量必須要小于10 J，否則大功率速調(diào)管將損壞，代價(jià)是很昂貴的［2］。因此，對(duì)于高壓電源短路故障保護(hù)的研究十分必要。課題組為了保護(hù)速調(diào)管和高壓電源，以一套LHCD高壓直流電源為平臺(tái)，分析了高壓電源短路故障的過(guò)程，研制了一套三電極氣體開(kāi)關(guān)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三電極氣體開(kāi)關(guān)滿(mǎn)足高壓電源短路故障保護(hù)的要求。

1　高壓電源介紹

6 MW/4.6 GHz輔助加熱高壓直流電源由4套相同的基于PSM開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的大功率脈沖電源高壓電源組成，單套LHCD高壓電源主要由10 kV開(kāi)關(guān)柜、接觸器柜、多繞組整流變壓器、PSM電源模塊、RPSM電源模塊、限流電阻、假負(fù)載、上位機(jī)人機(jī)交互操作軟件、光-電和電光接口轉(zhuǎn)換電路、故障檢測(cè)與處理裝置、以邏輯控制器和脈沖控制器為核心的控制單元等組成，其主要技術(shù)要求列于表1中。所有電源由微波系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)行，電源運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置和控制信號(hào)的傳輸以及測(cè)量信號(hào)的傳輸采用了光纖傳輸技術(shù)確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備運(yùn)行安全。

表1　1.5 MW高壓電源的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1　Main technical parameters of 1.5 MW high voltage power supply

圖1　LHCD高壓直流電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1　Topological structure of LHCD high voltage DC power supply

如圖1所示為一套LHCD高壓電源的主回路拓?fù)洹＝涣麟娋W(wǎng)通過(guò)10 kV開(kāi)關(guān)柜、軟啟動(dòng)接觸器柜控制2臺(tái)2 000 kVA整流變壓器的進(jìn)線(xiàn)，整流變壓器原邊繞組連接組別是延邊三角形，分別移相±7.5°，每臺(tái)整流變壓器有32個(gè)副邊繞組，共64個(gè)繞組，交替星形和三角形接法，再經(jīng)PSM電源模塊三相全橋不控整流，串聯(lián)輸出對(duì)負(fù)載（6只大功率速調(diào)管并聯(lián)）進(jìn)行供電［3］。

LHCD高壓電源的負(fù)載速調(diào)管是一種脈沖大功率負(fù)載，要求電壓調(diào)整范圍為0～100%、負(fù)載響應(yīng)在μs量級(jí)，在高壓鍛煉和微波驅(qū)動(dòng)階段，電極間發(fā)生打火或擊穿故障時(shí)，完善可靠的保護(hù)措施必不可少。LHCD高壓電源設(shè)計(jì)了3級(jí)保護(hù)單元：第1級(jí)保護(hù)為三電極氣體開(kāi)關(guān)保護(hù)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生打火故障時(shí)，三電極開(kāi)關(guān)會(huì)在μs量級(jí)時(shí)間內(nèi)將高壓輸出短路保護(hù)，保護(hù)負(fù)載不受損害；第2級(jí)保護(hù)為IGBT快速關(guān)斷保護(hù)，當(dāng)PSM模塊輸入過(guò)流時(shí)，IGBT會(huì)在ms量級(jí)內(nèi)關(guān)斷，從而切斷電源與負(fù)載的回路，保護(hù)負(fù)載；第3級(jí)保護(hù)為繼電控制系統(tǒng)的保護(hù)，故障檢測(cè)裝置將故障信號(hào)通過(guò)光纖傳遞到繼電控制系統(tǒng)，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在s量級(jí)內(nèi)跳開(kāi)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的真空斷路器。前兩級(jí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間快，用于微波系統(tǒng)過(guò)流、打火、過(guò)壓等保護(hù)時(shí)間要求高的快保護(hù)；第3級(jí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作較慢，用于過(guò)壓、欠壓等保護(hù)時(shí)間要求不高的慢保護(hù)［4］。

2　三電極氣體開(kāi)關(guān)的研制

2.1開(kāi)關(guān)調(diào)研與選型

脈沖功率系統(tǒng)中幾種常用的大電流開(kāi)關(guān)有觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、引燃管、贗火花開(kāi)關(guān)和氣體火花開(kāi)關(guān)［5-9］，項(xiàng)目組對(duì)這幾種開(kāi)關(guān)進(jìn)行了調(diào)研，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

單套LHCD高壓電源最大輸出電壓50 kV，發(fā)生短路故障時(shí)，要求在μs級(jí)關(guān)斷電源。綜合電源保護(hù)要求和調(diào)研情況，項(xiàng)目組決定為高壓電源研制一套三電極氣體開(kāi)關(guān)。

2.2開(kāi)關(guān)的制造

合肥雷科電子科技有限公司是注冊(cè)于合肥國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，集產(chǎn)、學(xué)、研于一體的高新科技企業(yè)。項(xiàng)目組與該企業(yè)簽訂了三電極氣體開(kāi)關(guān)及其配套的氣壓控制系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)的聯(lián)合研制合同。經(jīng)過(guò)一年多的合作，研制成功一套三電極氣體開(kāi)關(guān)，其主要參數(shù)如表3所示。從表中對(duì)比可以看出，研制的三電極氣體開(kāi)關(guān)實(shí)際值基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)值的要求。實(shí)驗(yàn)開(kāi)關(guān)實(shí)物照片如圖2所示。

表2　幾種脈沖功率開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)Tab.2　Main technical parameters of several pulse power switches

表3　三電極氣體開(kāi)關(guān)的主要參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of three-electrode gas switches

圖2　三電極氣體開(kāi)關(guān)實(shí)物Fig.2　Product of three-electrode gas switch

2.3開(kāi)關(guān)試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)

2.3.1出廠(chǎng)試驗(yàn)

三電極氣體開(kāi)關(guān)產(chǎn)品 （型號(hào)為L(zhǎng)KKG-XJD-4）及其配套的氣壓控制系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)制造完成后，進(jìn)行了一系列的出廠(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)原理如圖3所示，首先按照原理搭建試驗(yàn)平臺(tái)，然后進(jìn)行測(cè)試，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。其中50 kV時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了研制的三電極氣體開(kāi)關(guān)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)值的要求。

圖3　三電極氣體開(kāi)關(guān)的出廠(chǎng)試驗(yàn)原理Fig.3 Factory test schematic of three-electrode gas switch

表4　三電極氣體開(kāi)關(guān)的出廠(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4　Factory test data of three-electrode gas switch

2.3.2聯(lián)合實(shí)驗(yàn)

對(duì)三電極氣體開(kāi)關(guān)的出廠(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收后，項(xiàng)目組將其聯(lián)合一套LHCD高壓電源進(jìn)行了短路故障保護(hù)實(shí)驗(yàn)。按照?qǐng)D1搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，電源滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)，輸出電壓為50 kV，用1 200 Ω假負(fù)載代替速調(diào)管，過(guò)流設(shè)定值85 A，三電極氣體開(kāi)關(guān)串熔絲，并聯(lián)在假負(fù)載兩端，控制和復(fù)位信號(hào)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電壓用電阻分壓器（1：10 000）測(cè)量，電流用LEM器件（1：10）測(cè)量，并用Tektronix TPS2024示波器采集波形，實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。由圖可以看出，當(dāng)速調(diào)管發(fā)生打火故障，三電極氣體開(kāi)關(guān)大約在5 μs觸發(fā)動(dòng)作，電源被關(guān)斷保護(hù)；然后電流沖擊到約200 A開(kāi)始下降，大約有50 μs的拖尾，這是由于電源的分布參數(shù)引起的，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與出廠(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖4　三電極氣體開(kāi)關(guān)50 kV時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形Fig.4 Factory test waveforms of three-electrode gas switch at 50 kV

圖5　LHCD電源滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)短路故障保護(hù)實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Short circuit fault protection waveforms of LHCD power supply at full power

3　結(jié)語(yǔ)

本文在LHCD高壓電源短路故障保護(hù)研究的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要分析了高壓電源短路故障的過(guò)程，提出了為高壓電源短路故障保護(hù)設(shè)置第一級(jí)快保護(hù)的方案，從開(kāi)關(guān)調(diào)研、選型、制造、出廠(chǎng)試驗(yàn)等方面介紹了三電極氣體開(kāi)關(guān)的研制過(guò)程，并通過(guò)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)證明了三電極氣體開(kāi)關(guān)能滿(mǎn)足高壓電源短路故障第一級(jí)快保護(hù)的要求，并大大提高了LHCD高壓電源運(yùn)行的安全性與可靠性。同時(shí)也驗(yàn)證了三電極氣體開(kāi)關(guān)在脈沖功率裝置上，工作性能穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用前景。

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Study on Three-electrode Gas Switch Applied in LHCD High Voltage Power Supply

YANG Zhigang1，2，HUANG Yiyun1，2，F(xiàn)U Peng1，2，ZHANG Jian1，GUO Fei1，SUN Haozhang1
（1.Institute of Plasma Physics，Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China；
2.Science Island Branch of Graduate School，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

A schieme applying the three-electrode gas switch as the first level fast protection is proposed to make sure safe operation of low hybrid current drive（LHCD）system in time when serious faults happen such as arc inside the LHCD cham-ber.And a set three electrode gas switch is developed which flow current 60 kA and fast operate in 5 μs.The switch work stable is provedby the short-circuit fault protection experiment which applied the switch to the high voltage power supply system.The three-electrode gas switch greatly improves the security and reliability of LHCD high voltage power supply in operation，and it has good application prospect in the pulse power devices.

three-electrode gas switch；low hybrid current drive（LHCD）；high voltage power supply；short-circuit fault protection

楊志剛

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.3.6

TM 206

A

楊志剛（1989-），男，通信作者，博士研究生，研究方向：聚變工程變電站技術(shù)，E-mail：yangzhigang@ipp.ac.cn。

黃懿赟（1974-），男，博士，研究員，研究方向：聚變工程輔助加熱電源技術(shù)，E-mail：yyhuang@ipp.ac.cn。

傅鵬（1962-），男，博士，研究員，研究方向：聚變工程電力電子和開(kāi)關(guān)技術(shù)，E-mail：fupeng@ipp.ac.cn。

張?。?979-），男，博士，副研究員，研究方向：聚變工程輔助加熱電源技術(shù)，E-mail：zhangj@ipp.ac.cn。

郭斐（1988-），男，碩士，工程師，研究方向：聚變工程輔助加熱電源技術(shù)，E-mail：guofei@ipp.ac.cn。

孫浩章（1986-），男，本科，工程師，研究方向：聚變工程輔助加熱電源技術(shù)，E-mail：guofei@ipp.ac.cn。

2015-11-17

國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（2009GB102004）

Project Supported by the National Magnetic Confinement Fusion Energy Development Research Special Project（2009GB 102004）