ИТЭР: Система питания электромагнитов
15 декабря в НИИЭФА прошли испытания мегаваттного резистора системы защиты сверхпроводящих катушек ИТЭР от потери сверхпроводяшего состояния (т.н. квенч). Магнитная система реактора ИТЭР превосходит все предыдущие магниты по величине запасаемой энергии - 55 гигаджоулей (12 тонн тротилового эквивалента), что в 5 раз больше предыдущего рекорда - 27 километрового магнита БАК. В случае потери сверхпроводящего состояния, эту энергию необходимо быстро отвести от катушек и сбросить в резисторы, пока катушки не поплавились.
Резисторная сборка мощностью 2,5 гигаватта, поглощающая до 55 гигаджоулей, изготавливается в России, в НИИЭФА им. Ефремова. Думаю, начало испытаний таких резисторов - повод рассказать о всей системе электропитания сверхпроводящих магнитов токамака ИТЭР.
Рис. 1. Модуль воздухоохлаждаемого резистора. Всего таких будет 1200 штук в системе защиты.
Для начала давайте перечислим магниты ИТЭР: 6 отдельный модулей центрального соленоида (CS), 18 катушек тороитального поля (TF), 6 катушек полоидального поля, 18 корректирующих (СС), 2 катушки вертикальной стабилизации (VS).
Рис. 2. Магнитная система iter
С точки зрения блоков питания этих катушек они делятся на катушки постоянного тока, которые надо один раз зарядить замкнуть накоротко, только компенсируя потери (это все 18 катушек TF, объединенных по току последовательно, а так же верхняя и нижняя PF катушки (PF1 и PF6)), переменные катушки PF2...4 CS1...6 и относительно слаботочные быстропеременные коррекционные катушки. Скорость изменения тока в катушках напрямую влияет на мощность блока питания конкретной цепи.
В целом система электропитания катушек устроена таким образом: 400 киловольтная линия питания от национальной сети через трансформаторы преобразуется 66 киловольта, от которых запитаны фазосдвинутые трансформаторы, выдающие 2 комплекта трехфазного напряжения . Выходное переменное напряжение выпрямляется 2 комплектами 6-пульсных активных выпрямителей на тиристорах ABB со встроенным фотодиодом активации, с индуктивной отвязкой. Поскольку полный ток на выходе может достигать 55 кА, то в каждом плече используется много (как я понял - до 16 штук) параллельных IGCT. В каждом из конверторов есть так же тиристорный байпас для замыкания тока катушки после ее зарядки (достижения нужного значения тока). Блоки питания распологаются в двух зданиях “конверсии магнитной энергии”.
Рис.3. Полноточный выпрямитель. Cлева установка подачи деоинизированной воды, в центре выпрямитель. Обратите внимание на размер токовых шин внизу и вверху выпрямителя.
Рис. 4. Здания преобразователей БП магнитов ИТЭР.
Рис. 5. План расположения преобразователей БП магнитов ИТЭР в зданиях.
Основная разница между блоками питания для разных катушек состоит в их функционале - если для всех 18 TF характерен режим зарядили в начале месяца и оставили циркулирующий ток, то для CS1...6, PF2...5 необходимо не только быстро менять ток, но и менять его полярность. TF преобразоваель, умеющий создавать ток только одной полярности, ровно в два раза проще. Кроме того, в силу очень немаленьких реактивных мощностей для катушек PF2...5 можно увидеть объединение БП по 3 штуки (т.е. общая мощность системы питания этих 4 полоидальных катушек - 1080 мегаватт - 60% от общей!).
Корректирующие катушки имеют примерно тот же дизайн, но на гораздо меньшей мощности.
Для преобразователей такой мощности критичной становится управление потоками реактивной мощности, взаимодействие с питающей сетью, и ЭМ излучение, связанное с разрывами больших токов при переключении тиристоров активных выпрямителей. Поэтому все преобразователи имеют общее управление, а переключение тиристоров сфазировано для минизизации импульсов реактивной мощности. Кроме того, сам пространственный дизайн токопроводов оптимизировался на предмет уменьшения индуктивности и уровней излучения.
Рис.6. Структурная схема цепей питания токомака. Оранжевые прямоугольники - катушки, зеленое - элементы коммутации.
Блоки питания и катушки соеденены через систему токопроводов, коммутационных блоков SNU (Switching network Unit) и каждая из катушек подключена к экстракционной системе FDU (Fast Discharge Unit). Расскажем о них подробнее.
Характерные токи в 10...68 килоампер надо доставить от зданий магнитных конверторов. до 39 криофидеров расположенных выше и ниже самого токамака, в которых происходит передача сформированного тока в сверхпроводник. Всего длина токопроводов составит 10,5 км. В целом они представляют собой алюминиевые бруски сечениями ~200x300 с каналом в центре для охлаждающей воды. Изготавливаются тоже в России, в НИИЭФА.
Рис. 7. Проектное изображение расположения токопроводов и коммутирующей аппаратуры вокруг токамака.
В цепь каждой катушки встроено комплексное коммутирующее устройство, задача которого состоит в резком изменении токов катушек при старте токамака путем ступенчатой перекоммутации цепи на последовательный резистор - при этом происходит индуктивно-резистивный скачок напряжения на катушке, который транслируется в пробой плазмы и создание в нем тока. При этом происходит экстракция довольно значительной энергии (до 2.1 гигаджоуля, что соотвествует энергии состава весом 1500 тонн на скорости 190 км/ч), которая сбрасывается в резисторы. Для коммутационных изменений в этом устройстве используется несколько пневматических выключателей (обозначены на схеме как MS, MS1, FOS, FDS). Однако коммутация таких низкомных высоковольтных нагрузок довольно быстро изнашивает горящей дугой такие переключатели. Поэтому используется хитрая схема тиристорной подкомутации, когда ток на момент отключения FOS, FDS импульсно идет через тиристорные ключи. Кроме того, в устройстве предусмотрены снабберные цепочки, для рассеивания энергии больших импульсов напряжения. Еще одним интересным выключателем в SNU является пироактивируемый EPMS, “на крайний случай”. Все эти весьма уникальные по параметрам переключатели так же изготавливаются в НИИЭФА.
Рис. 8. Принципиальная схема SNU (слева), механические выключатели на 45 кА, резистор (снизу).
В системе питания катушек, кроме резисторов SNU есть еще большие резисторы, которые отвечают за аварийный сброс всей магнитный энергии в случае потери катушками сверхпроводящего состояния. К счастью потеря сверхпроводящего состояния для таких крупных катушек не означает мгновенных пробоев и горящих разрядных арок на чудовищных энергиях по всему токамаку. Начавшись в одном из витков кабеля по какой-то несчастливой случайности, процесс будет развиваться довольно медленно в силу большой массы катушки. Тем не менее, если не сбросить энергию, последствия будут катастрофичны. Принятая скорость экстракции - 11 секунд.
Последовательное включение резистора в цепь с током 68 килоампер тоже представляет собой не простую задачу и выполняется таким образом:
Рис.9. Схема коммутационной ячейки FDU.
Изначально основной выключатель пневматический BPS, вакуумный VCB, и страхующий пироровыключатель PB замкнуты. Перекоммутация начинается с открытия самого низкоомного выключателя BPS, после чего ток начинает течь через VCB, создавая на нем падение напряжения. Контримпульсный модуль CPC подключает конденсаторы через тиристоры таким образом, что бы создать напряжение противоположенного знака и происходит искусственное обнуление тока через VCB. VCB открывается, и теперь ток течет через резисторы экстракции энергии DR. Все это происходит по сигналу обнаружения квенча в катушке.
Хочется добавить, что в данном случае все эти наработки сразу уходят в промышленность, например на базе таких сильноточных преобразователей возможно создание электролизеров алюминия с улучшенными параметрами. Думаю, и технология создания механических выключателей с увеличением срока службы через подключение импульсного тиристорного блока тоже найдет свое применение.