高压直流缓冲器的设计与分析

0 引 言

在磁约束核聚变实验中，由于欧姆加热的局限性，要进一步提高等离子体的温度，无论是国际热核聚变实验堆计划（ITER）还是我国自主设计的大科学工程全超导托克马克实验装置（EAST），都采用中性束注系统（NBI）辅助加热提升等离子体温度[1-2]。这种加热方式效率最高、物理机制清晰[3]，是由一组大功率脉冲电源、传输线和中性束注入器等组成[4]。灯丝电源、弧电源、加速器电源、梯度极、传输线及离子源上都存在高压工作的分布电容[5]，根据国外同类装置的经验，分布电容值大约为3.5 nF。当系统故障打火击穿时，电源保护装置可在几个微秒内通过切断电源，使离子源的阻值突然变小，由稳态时的1 000 Ω 变为100 mΩ。 这些分布电容储存的能量会流向离子源，放电回路相当于短路，而NBI 系统设计要求离子源承受打火能量需低于5 J[6-7]，为此NBI 系统安装高压直流铁芯缓冲器吸收电容储能，并限制电容放电瞬态 电流峰值。

1 铁芯缓冲器的原理分析

高压直流缓冲器由多个铁芯磁环套在通向离子源的电流导线上的组合单元，利用变压器原理进行设计，在直流线路发生短路故障时，吸收瞬态故障能量。在正常工作时，流经传输线的电流为直流，缓冲器对主回路系统不产生影响；在离子源打火时，打火电流为高频故障电流，其频域分布非常宽，从数百千赫兹到数兆赫兹，产生交变的磁场，在铁芯叠片中感应出涡流，故障时缓冲器可以等效成一个非线性的电感和一个时变电阻的并联，通过增加主回路的阻抗以抑制短路电流峰值，吸收故障能量，离子源放电回路相当于变压器的一次回路，铁芯叠片涡流回路相当于变压器二次回路。高压直流缓冲器就是分布电容放电回路的故障能量通过磁场交换至铁芯二次回路，通过涡流损耗和磁滞损耗消耗能量。故障电流峰值的大小除与NBI 工作电压、分布电容有关外，还与缓冲器的尺寸和铁磁材料性质有关，本文重点分析离子源打火时，高压直流缓冲器的工作原理，并推导计算故障电流峰值参数，从而指导缓冲器的研制。

变压器的简化等效电路如图1 所示，系统杂散电容为C0，根据国内外同类装置的经验，约为3.5 nF[6]。根据变压器理论，可以将二次回路等效为电阻和电感的并联和串联两种方式并入主回路，分别如图1（a）和图1（b）所示。

图1 变压器的等效电路

在图1 中，传输线电阻为R1，传输线上的漏抗为XL，缓冲器的等效激励电感为XM，即故障时磁场储能，由于R1、XL 相比很小，可以忽略，故串联回等效电路和并联等效电路，都可以简化为图1（c）。

高压缓冲器铁芯与电源传输线的结构如图2所示，NC 为缓冲器铁芯磁环串联个数，NT 为铁芯磁环缠绕匝数，iA 为传输线的故障电流。图2 中，Nr 为载流导线的匝数；r1 为缓冲器磁环叠片的内半径，r0 为外半径；rN 为铁芯第N 匝叠的半径，NL 为铁芯叠片的总层数，W 为单个铁芯叠片的宽度，d 为单个铁芯叠片的厚度；VS 为整个缓冲器折算到一次回路的等效电压。

图2 缓冲器的实体及结构示意图

高压缓冲器在放电时一般遵守B-H 曲线，-Br 为反向剩磁磁密，Bs 为正向饱和磁密，B 为磁密变化量，H为磁场强度。为避免缓冲器在工作时进入正向饱和区，故障前设置反向偏置电流穿过缓冲器，铁芯进入反向深度饱和，当NBI 正常工作时，导线直流电流和反向偏置电流叠加，使得铁芯的磁通状态进入线性区附近，此时等效电感很小，对系统不产生影响；当NBI 电源打火时，放电电流很大，铁芯会从饱和区附近迅速进入线性区，此时铁芯对放电回路产生很大的电感，对快速上升的打火电流有较强的抑制峰值的作用。

通过分析计算单片铁芯叠片感应的涡流，计算等效电阻，如图3 所示，感应涡流在每个叠片外圈形成1个闭合回路。从外圈向内逐渐饱和，随着故障电流的增大，叠片磁密饱和厚度不断增加，直至全部饱和，直至剩磁为零，铁芯叠片的厚度为d，饱和区的厚度为a，则内层剩磁区域的厚度为d-2a；当铁芯叠片没有完全饱和时，内层中会存在磁场强度为0 的剩磁区，剩磁外围是环绕1 周的感应电流ie。

图3 单个叠片中的涡流

2 高压缓冲器等效电阻和电感

根据涡流的流通路径可以计算得到叠片磁通量、铁芯感应的电压、电阻、涡流和损耗[6]，碳铝合金电阻并联在缓冲器两端，缓冲器折算到一次回路相当于电阻和电感的并联[7]。根据能量守恒定律、安培环路定律可以计算出涡流损耗电阻值为：

其中：ρ 为铁芯电阻率。由此可以看出，缓冲器等效电阻是时间变化的函数，饱和深度的时间函数为[7]：

叠片的饱和深度满足a1=a0 fa，由此可见缓冲器的饱和深度从内层叠片至外层依次降低，最外层叠片r0最后才全部饱和。

其中，

3 故障电流计算

根据放电回路基尔霍夫电流定律，故障时的瞬态短路电流iA 满足方程：

计算可得故障电流为：

其中，，

当γt=1.317 时，故障电流出现的峰值为：

4 高压缓冲器参数设计

从式（5）可知，通过选择合适的γ，可控制故障电流的峰值。γ 值大小主要取决于如下几个因素，叠片层NL 和铁芯数NC 正相关；合适的内、外半径比r0/r1；参数B 和ρ 较大的铁磁材料。铁芯外径与内径的比值r0/r1 越大，γ 越小，但当r0/r1 ＞2.5 时，γ 的变化就不太明显，考虑材料的利用效率，优选取r0/r1 ＜2.5；受制于NBI 系统空间限制，铁芯数不会太多，在其他条件优选后基本确定；所以需要选择铁芯应该选取B和ρ 值较高的材料。常见的典型参数如表1 所示。

表1 snubber 典型参数

常见的几种材料的基本参数分析如下：较其他材料，deltamax 和FINEMET 材料的磁密变化量有明显优势，分别为2.97 T 和2.62 T；在频率脉冲为2 MHz和10 MHz 的作用下，FINEMET 材料的相对磁导率分别约为铁基非晶合金材料的2.0 倍、3.4 倍，相对磁导率与等效电感呈正相关，电感值会过低不利于抑制故障电流得峰值；同时，deltamax 材料的占空比高，有利于减小缓冲器体积，且在1 MHz 以上频率脉冲作用下，该材料有较高的磁导率和较好的消除故障能量特性[8]。因此，deltamax 和FINEMET 两种材料是制造缓冲器所需的理想材料。

5 结 论

本文对EAST NBI 系统的高压缓冲器进行理论分析，根据变压器原理分析了缓冲器的工作原理，推导出了等效电阻和等效电感，计算出了故障电流峰值参数，给出了缓冲器设计指导原则，并着重分析了不同铁磁材料的性能。