謝飛，李格

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣東順德528300；2.中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽合肥2300312）

Deltamax高壓緩沖器的研制

謝飛1，2，李格2

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣東順德528300；2.中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽合肥2300312）

高壓緩沖器（core snubber）是抑制超導(dǎo)托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST加熱中性束器高壓故障時(shí)短路電流的重要裝置。在鐵芯疊片近飽和等效電阻理論基礎(chǔ)上，修正原模型忽略等效電感的模式模型，針對(duì)等效電阻和電感共同作用的實(shí)際工況，通過(guò)仿真模型和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到基于Deltamax材料緩沖器物理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，所研制緩沖器經(jīng)96.5 kV／4 nF實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可有效抑制短路電流在400 A之內(nèi)，保障核心部件離子源安全運(yùn)行，測(cè)試值與理論分析模型基本吻合，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

加熱中性束；高壓緩沖器；B-H曲線；分布電容；放電試驗(yàn)；電弧電流

超導(dǎo)托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST（experimental advanced superconducting tokamak）國(guó)家大科學(xué)工程項(xiàng)目，自2006年首次成功完成放電實(shí)驗(yàn)，獲得電流200 kA、時(shí)間接近3 s的高溫等離子體放電以來(lái)，EAST國(guó)際顧問(wèn)委員會(huì)就強(qiáng)烈建議高功率加熱是EAST要作為未來(lái)深入研究計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。

在托卡馬克里，加熱中性束（heating neutral beam，HNB）加熱是除了歐姆加熱之外，對(duì)等離子體外部加熱和維持的4種主要方式（加熱中性束、低雜波、電子回旋頻段波、離子回旋頻段波）中加熱效率最高、物理驅(qū)動(dòng)機(jī)理最明晰的加熱方式，同時(shí)也是EAST升級(jí)實(shí)驗(yàn)水平及正在建設(shè)的聚變堆ITER所采用的芯部輔助加熱和非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)主要手段之一［2-3］。

強(qiáng)流離子源加速器是大功率加熱中性束器關(guān)鍵的核心部件。由于其工作狀態(tài)的特殊性，必須對(duì)其加以故障限流保護(hù)，以免負(fù)載故障時(shí)吸收能量過(guò)大而損壞。高壓緩沖器（core snubber）是一種用多個(gè)鐵心磁環(huán)套在通向離子源的電流導(dǎo)線上實(shí)現(xiàn)保護(hù)離子源的裝置，其原理是利用鐵磁材料渦流損耗和磁滯損耗消耗故障能量。

由于鐵芯緩沖器的等效分析方法在已有文獻(xiàn)中都是基于等效電阻和將等效并聯(lián)電感視為無(wú)窮大而忽略的模型，對(duì)緩沖器不同信號(hào)激勵(lì)表現(xiàn)出不同的電感作用的分析甚少。因此給出了一種電路理論分析結(jié)合仿真模擬方法，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)基于新型Deltamax材料的緩沖器。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)合理性。

1 中性束加熱系統(tǒng)分析

我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的50-80 keV／4 MW／10-100 s加熱中性束系統(tǒng)主要由大功率高壓電源系統(tǒng)、高壓傳輸線和離子源加速器等組成［4-7］，是由包括燈絲電源、弧電源、加速級(jí)電源、抑制極電源、緩沖器電源和偏轉(zhuǎn)磁體電源等組成［8］。燈絲電源和弧電源用于加熱鎢燈絲并使之放電，產(chǎn)生等離子體弧流，加速后以離子束形式引出。加速極電源和抑制極電源為離子源引出系統(tǒng)的加速極和抑制極供電，電壓分別為100 kV和-5 kV，提供離子束引出功率。偏轉(zhuǎn)磁鐵電源為偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈供電，將未中性化的離子偏轉(zhuǎn)吞噬。其中燈絲電源和弧電源均浮在加速極直流電源100 kV的高電位上。

強(qiáng)流離子源是HNB核心部件，其熱負(fù)荷和電氣絕緣對(duì)過(guò)壓、過(guò)流非常敏感。在高壓鍛煉和離子束引出階段，電極間打火、擊穿現(xiàn)象頻繁發(fā)生。每次擊穿在電極上的能量沉積和短路電流峰值必須加以限制（約5 J）［8］，避免損壞離子源。

現(xiàn)有的100 kV／100 A高壓PSM電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)為μs量級(jí)，其變壓器內(nèi)部的分布電容儲(chǔ)能可達(dá)40 J以上［9］，一旦發(fā)生打火擊穿，可在幾μs內(nèi)通過(guò)開(kāi)關(guān)切斷電源，起到一定的保護(hù)作用。而雜散電容儲(chǔ)能必須通過(guò)串聯(lián)保護(hù)單元吸收，高壓緩沖器是目前世界上所有HNB無(wú)一例外地抑制短路電流保護(hù)離子源的重要手段。

圖1是離子源和電源電路示意圖。

圖1 離子源和電源電路示意圖Fig.1 Schematic of ion source and power supply

針對(duì)ESAT HNB離子源和電源電路分析可知，雜散電容是由離子源自身電容C1、HNB測(cè)試平臺(tái)對(duì)地電容C3、傳輸線電容C2和電源系統(tǒng)電容（C4、C5、C6）等組成。除了離子源電容C1以外，其余雜散電容均是懸浮在高壓100 kV之上，相當(dāng)于并聯(lián)，在后圖中用C0表示。根據(jù)國(guó)外同類(lèi)裝置的經(jīng)驗(yàn)，這些分布電容值之和約為3.5 nF［10-11］。

2 Deltamax材料特性分析

高壓緩沖器是利用鐵磁材料的渦流損耗和磁滯損耗吸收分布電容儲(chǔ)能的一種常用的方法。鐵磁材料在磁化與反磁化的過(guò)程中有一部分能量不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芩鶕p耗即鐵耗。

有研究表明［12-15］，當(dāng)激勵(lì)的脈沖信號(hào)為高頻時(shí)，不規(guī)則渦流損耗將成為鐵耗的主要組成部分。由于鎳鐵系合金材料在高頻低于1 MHz脈沖激勵(lì)下仍具有較高的磁導(dǎo)率，因此在選擇鐵磁材料時(shí)，優(yōu)先考慮鎳鐵系合金材料。Deltamax是一種微晶取向50-50 Ni-Fe合金材料，具有性能優(yōu)異的矩形B-H回線，低矯頑力，高磁通密度和高矩形系數(shù)，可以做到1／4 mil的厚度，其典型B-H參數(shù)飽和磁通密度（BS）為1.5 T，剩磁磁通密度（Br）為1.47 T。

3 高壓緩沖器設(shè)計(jì)

3.1 等效電路分析

根據(jù)HNB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)故障打火擊穿時(shí)，離子源的阻值由穩(wěn)態(tài)1 000 Ω變?yōu)椋?6］僅100 mΩ，相當(dāng)于故障短路。分析可知，離子源短路時(shí)的雜散電容放電情況如圖2所示，其中C0為回路總雜散電容，緩沖器簡(jiǎn)化成電感Ls和非線性電阻Rs的并聯(lián)。

取任一鐵芯疊片分析，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。假設(shè)穿過(guò)鐵芯電流上升速度很快，可以近似認(rèn)為鐵片僅由剩磁區(qū)Br向飽和區(qū)Bs過(guò)渡，而無(wú)發(fā)生磁通轉(zhuǎn)向的過(guò)渡區(qū)域。其中W表示疊片寬度，d表示疊片厚度，a表示疊片飽和深度，r表示該疊片對(duì)應(yīng)的半徑。

圖2 離子源短路等效電路圖Fig.2 Schematic of equivalent circuit of ion source fault

圖3 反向磁化的鐵芯疊片層示意圖Fig.3 Schematic of configuration in the tape during magnetic reversal

該鐵芯疊片磁通為

外層飽和區(qū)感應(yīng)電壓為

感應(yīng)電壓V在疊片外層區(qū)域產(chǎn)生渦流，該渦流流通路徑的電阻近似為

式中：ρ為鐵芯材料的電阻率，Ω／m。

實(shí)驗(yàn)所得渦流損耗通常是簡(jiǎn)化計(jì)算所得的渦流損耗的2～3倍［17-19］。根據(jù)文獻(xiàn)［13］工程經(jīng)驗(yàn)，取2.5，即渦流滿足：

當(dāng)疊片沒(méi)有完全飽和時(shí)，即a＜d／2，疊片內(nèi)部中還存在磁場(chǎng)強(qiáng)度H為0的內(nèi)層剩磁區(qū)。在剩磁區(qū)中，任取一條包含短路電流iA的閉合曲線，由安培環(huán)路定律，可得任一疊片中的渦流電流ie滿足：

式中：iA是短路電流，ie是載流導(dǎo)線匝數(shù)。

若用rn表示鐵芯第n層疊片的半徑，an表示第n層的飽和深度，則

第n層與最內(nèi)層的飽和深度的關(guān)系滿足：

式中：n＝1，2，…，NL，其中NL為鐵芯疊片層數(shù)。

近似得到故障時(shí)的瞬態(tài)短路電流iA滿足方程：

式中：RS為總渦流等效電阻，文獻(xiàn)［13］在忽略并聯(lián)電感作用時(shí)求解得到

式中：Nc為串聯(lián)鐵芯數(shù)；r1為最內(nèi)層疊片半徑，m；r0為最外層疊片半徑，m。求解方程（8）可得放電時(shí)間常數(shù)：

短路電流iA隨時(shí)間變化，其值為

此模型在較低的電壓下測(cè)試，可忽略并聯(lián)電感對(duì)弧電流的影響，弧電流的實(shí)測(cè)波形與理論波形有較好吻合。但在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電容電壓超過(guò)某一電壓（飽和閾值電壓）時(shí)，弧電流出現(xiàn)了振蕩，此時(shí)，緩沖器阻抗降低。分析其并聯(lián)電感解析式為

式中：S為磁路面積，l為磁路路徑，μ為磁導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，由于鐵芯疊片厚度很薄，由式（6）、（7）、（14）可近似為

圖4 時(shí)變電感與電阻對(duì)時(shí)間的函數(shù)圖Fig.4 Schematic of variable inductance as a function of time

時(shí)變電感LS和時(shí)變電阻RS是隨時(shí)間常數(shù)τ的減函數(shù)，其對(duì)時(shí)間的函數(shù)圖如圖4所示，當(dāng)鐵芯疊片最內(nèi)層達(dá)到完全飽和時(shí)，時(shí)變電阻和時(shí)變電感出現(xiàn)最低值。入并聯(lián)電感后電路特性的變化情況，修正等效電阻計(jì)算時(shí)忽略電感的影響因素，建立故障仿真電路如圖5所示，其中SC1，SC2為HNB梯度極分壓電容，R1、R2、R3為梯度極分壓電阻。

在100 kV電壓放電時(shí)，考慮時(shí)變電感時(shí)的仿真電流波形如圖6所示。

圖5 電流仿真波形圖Fig.5 Schematic of simulated current waveform

圖6 不同信號(hào)激勵(lì)下的電流響應(yīng)仿真圖Fig.6 Schematic of simulated current waveform of different signals

在鐵芯近飽和工況下，考慮時(shí)變并聯(lián)電感效應(yīng)時(shí)比Fink-Baker-Owen的分析理論預(yù)測(cè)高1.5～2倍，多次實(shí)測(cè)電流驗(yàn)證了該結(jié)論，所以在設(shè)計(jì)參數(shù)上擬采取引入工程修正系數(shù)Ke來(lái)代表并聯(lián)電感時(shí)的影響因子。分析可知，對(duì)于式（12）當(dāng)τ＝1.317時(shí)，電流出現(xiàn)峰值，因此電流解析式可修正為

3.3 緩沖器參數(shù)設(shè)計(jì)

由式（16）可知：主回路中的放電電壓V0和分布電容C0，這是設(shè)計(jì)電路本身所決定的，可以看作是常數(shù)；C0V0確定時(shí)，只要γ足夠小，就可以限制峰值電流在規(guī)定值之內(nèi)，根據(jù)式（10）可知，限制γ值大小主要取決于以下幾個(gè)因素：1）增加鐵芯Nc；2）選擇內(nèi)、外半徑的比例；3）選取B和ρ較高的鐵磁材料。

為了得到較小的γ，可以從上述3方面來(lái)分析：基于EAST裝備空間的考慮，鐵芯數(shù)在其他條件優(yōu)選后再定；鐵芯外徑和內(nèi)徑的比值r0／r1越大，γ也就越小，綜合考慮到材料的利用率問(wèn)題，在r0／r1＞2.5時(shí)，γ的變化值就不太明顯，因此選取r0／r1＜2.5［17］。

由于鐵芯疊片之間的絕緣層具有最高耐壓等級(jí)VL，為了防止疊片的感應(yīng)電壓擊穿絕緣材料，因此感應(yīng)電壓不能夠超過(guò)最大的耐壓等級(jí)VL，一般在4～5 V，鐵芯的感應(yīng)電壓最外層最大，而為了保證緩沖器的正常工作，最內(nèi)層鐵芯疊片不能完全飽和，綜合考慮得到鐵芯疊片的最小厚度d0滿足公式［12］：

通過(guò)上述分析，確定了緩沖器的參數(shù)如表1所示。

表1 緩沖器典型參數(shù)Table 1 Specification of snubber

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該緩沖器是否符合故障限流的功能，在實(shí)驗(yàn)室搭建了圖7所示的一個(gè)1∶1的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模擬測(cè)試［10］。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由100 kV可調(diào)高頻開(kāi)關(guān)脈沖電源、偏置電源（30 V／150 A）、4 nF高壓電容、緩沖器樣機(jī)、高壓短路開(kāi)關(guān)、銅熔絲等組成。其中，當(dāng)?shù)刃殡x子源負(fù)載的銅熔絲吸收能量大于5 J，熔絲熔斷；當(dāng)小于5 J，熔絲保持完好。在初始電壓V0為96.5 kV的故障電流波形圖如圖8所示，短路電流在350 A左右，銅絲未熔斷，表明吸收能量在5 J以下，緩沖器設(shè)計(jì)符合要求。

圖7 緩沖器測(cè)試電路Fig.7 Schematic of core snubber testing experiment syetem

圖8 96.5 kV實(shí)驗(yàn)短路電流波形Fig.8 Schematic of the short circuit current waveform，96.5 kV high voltage experiment

4 結(jié)論

1）Deltamax材料在低于1 MHz脈沖激勵(lì)下仍具有較高的磁導(dǎo)率，磁通密度較一般鐵磁材料高，是一種制造緩沖器的理想材料。

2）Fink-Baker-Owen緩沖器近飽和工況下的分析模型未考慮并聯(lián)電感效應(yīng)，考慮后其故障峰值電流將比原模型高2～3倍，引入工程修正系數(shù)來(lái)代替并聯(lián)電感時(shí)的影響因子可修正原設(shè)計(jì)模型。

3）采用修正的模型，根據(jù)研究結(jié)果建立EAST HNB故障仿真電路，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本吻合。

［1］中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所.第二屆EAST國(guó)際顧問(wèn)委員會(huì)總結(jié)報(bào)告［R］.［S.l.］：2006.Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences.The second session of the EAST international advisory committee final report［R］.［S.l.］：2006.

［2］劉勝，胡純棟.利用密度反饋實(shí)現(xiàn)離子源長(zhǎng)脈沖放電［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2009，21（9）：1331-1334.LIU Sheng，HU Chundong.Long pulse ion source discharge based on plasma density feedback［J］.High Power Laser and Particle Beams，2009，21（9）：1331-1334.

［3］YASUHIKO T.Negative ion source development for fusion application［J］.Review of Scientific Instruments，2010，81（2）：114-117.

［4］王海田.直流故障電流限制器的理論研究與應(yīng)用研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011：11-21.WANG Haitian.Research on theory and application of DC fault current limiter［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong U-niversity，2011：11-21.

［5］潘圣民，傅鵬，蔣力.采用DSP和CPLD的100 kV高壓脈沖電源控制系統(tǒng)［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（7）：1667-1671.PAN Shengmin，F(xiàn)U Peng，JIANG Li.Control system of 100kV high voltage pulse source using DSP and CPLD［J］.High Voltage Engineering，2009，35（7）：1667-1671.

［6］ALEX J，SCHMIN K W.A high voltage power supply for negative ion HNB based on PSM technology［C］／／The 17th Proceedings of SOFE.San Diego，USA，1997：1063-1066.

［7］楊雷，傅鵬，劉小寧.采用脈沖階梯調(diào)制技術(shù)的50kV／100A直流高壓電源設(shè)計(jì)［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（9）：2220-2225.YANG Lei，F(xiàn)U Peng，LIU Xiaoning.Design of a 50 kV／100 A high voltage DC power supply using PSM technology［J］.High Voltage Engineering，2009，35（9）：2220-2225.

［8］蔣力.PSM大功率高壓電源分析與研究［D］.合肥：中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，2010：60-68. JIANG Li.The analysis and research of high-power＆highvoltage power supply based on PSM technology［D］.Hefei：Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，2010：60-68.

［9］楊雷，傅鵬，劉小寧.大功率直流高壓電源的變壓器分布電容分析［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（6）：1403-1408.YANG Lei，F(xiàn)U Peng，LIU Xiaoning.Analysis of the stray capacitances in the transformer of the high-power and highvoltage DC power supply［J］.High Voltage Engineering，2009，35（6）：1403-1408.

［10］LI Ge，WANG Haitian，CAO Liang.The engineering design of NB snubber［J］.IEEE Transactions on DEI，2011，18（4）：1287-1292.

［11］BOWEN N，DEITZ A，MURRAY H，et al.Design and test of the transmission line to the TFTR neutral beam ion sources［C］／／The 8t h Symposium on Engineering Problems of Fusion Research.New York，USA，1979：705-708.

［12］王海田，李格，曹亮.EAST加熱中性束器用高壓緩沖器分析［J］強(qiáng)激光與粒子束，2010，22（6）：1374-1377.WANG Haitian，LI Ge，CAO Liang.Snubber for EAST neutral beam injector［J］.High Power Laser and Particle Beams，2010，22（6）：1374-1377.

［13］FINK J H，BAKER W R，MOWREN H.Analysis and application of a transformer core that acts as an arc snubber［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，1980，8（1）：33-38.

［14］BISHOP J E L.Eddy-current-limited growth of ferromagnetic domains on the surface of square-loop alloy tapes［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，1976，9（14）：2095-2100.

［15］GOODENOUGH J B.Summary of losses in magnetic materials［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2002，38（5）：3398-3408.

［16］MEISTER R，BRAUN SBERGER U，S CHWARZ U，et al.Test and design of a passive core snubber for the protection of neutral beam injectors［C］／／The 13th Symposium on Fusion Technology.Varese，Italy，1984：817-822.

［17］WILLIAMS H J，SCHOCKLEY W，KITTLE C.Studies of the propagation velocity of a ferromagnetic domain boundary［J］.Phys Rev，1950，80（6）：1090-1094.

［18］CHOI J，NAMIHIRA T，SAKUGAWA T，et al.Loss characteristics of a magnetic core for pulsed power applications［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2007，35（6）：1791-1796.

［19］WINTER S D，KUENNING R W，BERG G G.Pulse properties of large 50-50 NiFe tape cores［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1970，6（1）：41-45.

Research and development of the core snubber based on Deltamax

XIE Fei1，2，LI Ge2
（1.Department of Electronic and Information Engineering，Shunde Polytechnic，Shunde 528300，China；2.Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China）

The core snubber is a very important device which is designed to limit the short current within the HNB（heating neutral beam）in the superconducting Tokamak（EAST）during the period of a high voltage breakdown.Based on the equivalent resistance theory regarding the iron core lamination，the patterns of the former model which neglected equivalent inductance were corrected，and taking into account the actual working conditions of the combined actions of equivalent resistance and inductance，through a simulation model and experiment optimization，the physical and structural design parameters of the new snubber were designed with Deltamax cores.This snubber was tested at 96.5 kV with a 4nF discharged capacitor and the peak short current was within 400 A，ensuring the safe operation of the iron source-the core part.The test value and theoretical analysis agreed basically，proving the entire system can run reliably.

heating neutral beam；core snubber；B-H curve；stray capacitance；discharge experiment；arc current

10.3969／j.issn.1006-7043.201211084

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201211084.html

TM402

A

1006-7043（2014）06-0766-05

2012-11-26.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-05-14 15：53：10.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41301009）；國(guó)家磁約束核聚變能研究專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2010GB108003，2011GB113005-1）.

謝飛（1980-），男，講師，博士.

謝飛，E-mail：xiefei＠ipp.ac.cn.