CFETR 失超保護系統(tǒng)總體設計研究

許強林，李華，宋執(zhí)權，徐猛，張希寧

（1.中國科學院合肥物質科學研究院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學，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、轉移支路開關、后備保護開關以及消耗能量的移能電阻等設備構成，圖1 顯示失超保護單元基本原理結構。超導磁體正常工作時，主回路導通，轉移支路斷開。一旦控制系統(tǒng)接收到超導磁體發(fā)生失超故障或系統(tǒng)其他故障保護信號，旁路開關打開斷開主回路，閉合換流開關，主回路上電流迅速向轉移支路換流。待旁路開關完全恢復阻斷電壓性能，斷開換流開關，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，設置與主回路開關串聯的后備保護開關，以確保在旁路開關或換流開關開斷失效時，后備保護開關動作迅速斷開回路，將磁體能量迅速轉移并消耗在移能電阻上。

圖1 失超保護單元基本原理結構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的種類以及直流開斷方案的不同。通常直流開關主要分為機械開關、固態(tài)開關、混合式開關，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，混合式開關結合了通態(tài)損耗低、快速無弧分斷的優(yōu)點，是當前直流開關研究的熱點。而全控型半導體器件關斷可控，不需要額外的過零電路和輔助充電設備，因此基于全控器件的混合式開關是未來的發(fā)展趨勢[14]。

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

1 系統(tǒng)設計參數

超導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，每個線圈儲能8.52 GJ，總儲能136.37 GJ?？紤]將2 個線圈串聯構成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，其設計參數要求如表1 所示。

表1 TF 失超保護單元設計參數Tab.1 Design parameters of TF quench protection unit

PF 由7 個磁體線圈組成，CS 由8 個磁體線圈構成，表2 為PF/CS 失超保護單元的設計參數。

本次分析所比較的是《北語詞表》和經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)詞的頻數標記統(tǒng)一為“0”，無法取得定量數值，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)及以上的詞數與比例，見表1。

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

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

此方案為首選方案，優(yōu)點是成本低、占地少、技術相對成熟且可行性高；主要缺點是不同電流下人工過零關斷的技術失效風險相對稍高，真空開關的電氣壽命較短，需要經常檢查和維護。其拓撲結構如圖2 所示，真空開關并聯在機械旁路開關兩端，電容器與雙向晶閘管拓撲構成人工過零放電回路，后備保護開關采用爆炸開關，與機械旁路開關串聯，移能電阻并聯在旁路開關和爆炸開關串聯而成的支路兩端。電容器需要預先儲能，在晶閘管控制導通后和電抗器形成諧振回路，產生所需的放電電流并在真空開關的滅弧室內形成人工過零點，從而順利分斷真空開關。

基本動作邏輯如下：

1）系統(tǒng)正常工作時，旁路開關（BPS：Bypass Switch）和真空開關（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BPS 支路流通。

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

3）當電流完全轉移到VCB 時，開始觸發(fā)VCB分斷和晶閘管導通。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)后備保護開關選用爆炸開關，爆炸開關作為最后一道防線，在前述開關失效的情況下必須在1 ms 內迅速開斷回路，產生高壓將大電流迅速轉移到移能電阻中。

人工過零關斷的機械開關回路設計參數如表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）。

根據磁體設計參數要求，CFETR 移能電阻需要消耗約200 GJ 的巨大能量，移能電阻將設計成標準模塊化結構，可方便地改變阻值和耗能容量。電阻由標準模塊構成，若干個模塊可以疊放在一起構成堆棧單元，然后再由若干個堆棧單元經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，電阻設計最大溫升為200 K。

對于爆炸開關的結構設計，應滿足如下要求：

1）開關閉合正常運行時，應能分別穩(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）若開關動作分斷時，應分別能在1 ms 時間內安全、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，分別產生20 kV和15 kV 的高電壓，將直流大電流快速轉移到與之并聯的移能電阻支路的高壓大電流開斷能力。

3 系統(tǒng)總體設計方案二——混合式直流開關設計方案[17]

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

圖3 混合式直流開關拓撲結構圖Fig.3 Topology of hybrid DC switch

開關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)開關斷開不參與通流，機械旁路開關的三級觸頭均閉合，電流大部分經主觸頭以及提供后備保護的爆炸開關構成的支路流通。

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

3）隨后分斷弧觸頭，固態(tài)開關同時接收到導通信號，電流開始向固態(tài)開關支路轉移。換流結束后，快速隔離觸頭快速無弧分斷。

4）固態(tài)開關分斷，電流迅速換流至移能電阻消耗磁體能量。

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

該方案多觸頭機械開關的三個觸頭中，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無弧快速分斷。但弧觸頭需要短時承載大電流，且產生較高的弧壓實現快速換流。此外，固態(tài)開關需能快速分斷直流大電流，產生并承受高電壓。正常通流狀態(tài)下的爆炸開關需要和旁路機械開關一樣具有承受主回路額定電流的能力。失超態(tài)下的爆炸開關還需能在失超保護系統(tǒng)主保護開關故障時快速、可靠分斷電路。此外，考慮到換流回路的分布參數對系統(tǒng)換流時間等指標的影響，需合理進行結構設計，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和換流開關構成的主保護開關，后備保護的爆炸開關、移能電阻、控制和過壓保護設備等主要設備。對于上述兩種方案，最大不同是采用的換流開關不同，除此之外其它各設備基本相同。根據初步構思和設計，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)主要設備的占地要求（不含移能電阻）。由于固態(tài)開關占地面積遠大于人工過零回路，因此總體來說，混合式直流開關設計方案需要更大空間。

表4 主要設備占地要求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開關及設備進行了初步成本預算。對于人工過零關斷機械開關設計方案，其單套TF 磁體失超保護單元的真空開關及人工過零電路預算約為580 萬元，而混合式直流開關設計方案的單套TF 磁體失超保護單元中的固態(tài)開關的預算約為1 170 萬元。因此混合式直流開關設計方案預算較大，成本更高。

5 結論

本文基于CFETR 失超保護系統(tǒng)設計需求，描述了相關系統(tǒng)設計參數，并介紹了兩種系統(tǒng)總體設計方案?？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斷。從發(fā)展前景來說，備選的混合式直流開關方案具備較好的先進性和前瞻性。