ITER: Си­сте­ма элек­тро­пи­та­ния маг­ни­тов

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.