EAST纵场电源移能电阻的加工制作

摘要:east 纵场电源最大输出电流为16千安, 纵场线圈储能 300兆焦 ,纵场关键技术要求失超保护系统可靠,在磁体失超时能迅速将300兆焦 能量迅速转移出来。达到保护磁体的目的。文章认真分析了移能电阻的特性及加工过程中的要点。

关键词:移能电阻 设计 加工

DS:直流快速开关 ES:爆炸开关

CS:短路开关 FU:快速熔断器

TF1 TF2: 纵场线圈 R:移能电阻

EAST 纵场电源最大输出电流为16kA,纵场线圈储能300MJ,纵场关键技术要求失超保护系统可靠,在磁体失超时能迅速将300MJ 能量迅速转移出来。达到保护磁体的目的。在设计过程中考虑的关键问题有如下几个:

1、电动力的考虑

2、电阻值的取值范围

3、电阻的温升和它对周围环境的影响及散热问题

3.1 电动力的考虑

EAST 纵场电源最大输出电流为16千安, 纵场线圈储能 300兆焦,纵场关键技术要求失超保护系统可靠,在磁体失超时能迅速将300兆焦 能量迅速转移出来。达到保护磁体的目的。而它的能量将通过移能电阻来释放,而此时如果移能电阻因为各种原因出现断路,那么300MJ的能量将会给磁体带来毁灭性的破坏,所以对电动力的考虑是非常谨慎的,首先我们研究了俄罗斯和法国的一些移能电阻的设计方案,取长补短后采用不锈钢板式W形的结构,因为在这种形状下的不锈钢板间的电动力是相互抵消的。另外在不锈钢板间的加工焊接也采用了半坡口焊接,焊接面积达1000平方毫米,根据焊接手册提供的10公斤/平方毫米的抗拉力计算,其抗拉力为10000公斤,远远大于500公斤的计算值。最后,为了确保纵场磁体的安全,该移能电阻在交付纵场主回路使用前,我们用直流脉冲发电机出25千安对其进行电动力的测试。测试结果充分证明了该移能电阻是安全可靠的。

3.2 电阻值的取值范围

EAST纵场线圈的储能为300MJ,在失超保护动作后需要将磁体贮能在短时间内消耗在移能电阻中,其保护动作时的电流愈小,磁体就会更安全,但泻能时间会很长。我们可以通过调整移能电阻阻值增大来使电流数值减小,但是调整移能电阻阻值增大会使失超保护时在磁体两端产生的电压增高,一旦取值错误将会对磁体造成严重危害,并且该电阻根据磁体运行参数的变化还要可调,纵场磁体设计的最高耐压为2000伏,磁体电流为14千安-20千安,电阻值为2000伏/20千安=100毫欧,因此我们设计了二台每台十二层,每层8 毫欧的电阻箱,并且可以通过层间电阻的串并得到不同的电阻值,在随后的EAST运行实验中,我们都能简便,快速地提供各种移能电阻阻值。

3.3 电阻的温升和它对周围环境的影响问题

我们知道钢铁越重它吸收能量越多,热稳定越好,但是其成本越高.但如果减少钢铁重量,其温升会很快,随后其能量的回吐也很快,对环境污染较为严重.根据材料手册查到300兆焦的能量能使1000公斤的不锈钢温升达到500度。这个温度是很多设备环境所不能忍受的,我们经过权衡计算采取了使用4000公斤重无磁不锈钢,温升125度的方案。此时,即使移能电阻的温度只有125度,但是随后它对能量的回吐将会对周围环境造成严重的负面影响.根据热学手册给出的参数:1立方米的空气温度每升高1度需要吸收833焦的能量计算, 纵场控制室的温度将达到100度以上,这将对人员,设备造成严重伤害.所以我们决定将其密封,并在柜体内部加装冷却水盘管进行冷却,该方案在随后的EAST运行中得到了充分的肯定.经过现场测量:在室温为20度时,失超保护动作后其柜体温度最高为40度,经过40分钟的水冷后,温度降到25度,并且没有感觉到室温的明显变化。

4、结语

文章通过对EAST装置和EAST纵场电源特性的了解后,对其极为重要的辅助设备:移能电阻的设计进行了全方位的认真考虑,并在二个关键点上:电动力和散热问题花费了功夫,在总体加工装配结束后投入EAST实验运行,其出色的效果得到了一致好评。