?

Log in

Previous Entry | Next Entry

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.

Comments

( 13 comments — Leave a comment )
vlkamov
Apr. 24th, 2015 07:25 am (UTC)
> Резисторная сборка мощностью 2,5 гигаватта, поглощающая до 55 гигаджоулей

Вода была бы сильно сложнее ?
tnenergy
Apr. 24th, 2015 11:13 am (UTC)
Интересный вопрос. Думаю, что сыграла роль отработанность воздушных резисторов, и не не такая уж простота резисторов на массовых параллельно-последовательных ячейках с водой, в которых еще и проводимость надо строго контролировать.

Но в целом это скорее аргумент в духе "ну они наверное знают, что делают" чем точное понимание.
alexbreeze
Oct. 20th, 2015 11:26 am (UTC)
блин такие статьи читать хоть опять за учебник садись))) что тож полезно.
wormball
Jan. 3rd, 2016 09:13 am (UTC)
Самого-то главного не сказали! Что самое главное для резистора? Сопротивление! А чему оно равно - не сказано. Я бы вообще на месте авторов написал бы его аршинными буквами на боку оного резистора, чтобы никто не перепутал.
tnenergy
Jan. 3rd, 2016 09:35 am (UTC)
Ну да, впаяют еще не туда куда-нибудь.

Сопротивление этих резисторов, по идее порядка десятков миллиом в сборке, и для одного модуля, что на фото - несколько Ом.
Александр Шекилов
Mar. 23rd, 2016 04:16 pm (UTC)
куча турецких переносок, ставленных одну в другую, причем на добавочной переноске явно видно что провод сначала черный потом белый, и хотя в кадре не видно предательской скрутки изолентой. погнутый металлический стол, дешманские садовые стремянки, на фоне самопальных стеллажей. и над всем этим величественно выситься башня самого мощного резисторного блока в истории человечества.
Видимо такова природа российской науки, в незамысловатых условиях делать великие вещи. :-)) Словно кидаем вызов всему человечеству: нам наплевать что у нас в лаборатории нет нормальной проводки, нет нормальных столов, но все равно ЭТО сделаем.
А на самом деле обидно, что несмотря на мультимиллионные заказы, куратор или как там правильно, наверное рыло через которое течет все бабло, элементарно жлобиться на копеечные удобства сотрудников. не забыв стырить себе на маленькую дачу в подмосковье.

Edited at 2016-03-23 04:23 pm (UTC)
tnenergy
Mar. 23rd, 2016 07:18 pm (UTC)
Учитывая сложную внутреннюю структуру НИИЭФА есть подозрение, что делали этот резистор одни люди, а проверяли характеристики - другие.

В других подразделениях этого института бывает и получше, но в целом по слухам то еще заведение.
Александр Шекилов
Mar. 24th, 2016 12:35 pm (UTC)
ээ, меня просто зацепило профессионально. Я сам электрик, из украины. Просто кинулось в глаза. Такой же бардак всегда присутствует на типичной стройке.
Уж слишком массивная и не транспортабельная вещь, из за того и показалось что сборака была на месте. тем более что потолок явно промышленный- обрати внимание на высоту и конструкции сверху. наверняка его через верх будут вытягивать. хотя прижатый резиновый коврик намекает на то что резистор поставили сюда недавно, может быть мостовым краном.
П.с. Большущее тебе спасибо за твои посты, и за твой труд. Жаль что так мало людей интересуются ИТЕР, и вообще энергетикой. Впрочем как и космонавтикой. И от того махровым цветом растут "зеленые" энергетики, противники АЭС\ТАЭС. Если бы хотя бы каждый 5, хоть раз задумался над природой энергобогатсва современности, то ИТЕР закончили бы уже 10-20 лет назад. Цена не вопрос, любая война, даже такая хреновая (мягко, много матюков) на как на украине, подозреваю что уже превзошла цену ИТЕР. Было бы желание двигать науку. Нет понимания, что человечеству уже сегодня нужны могучие и компактные источники энергии, которые стабильно, круглосуточно и круглогодично будут давать гигаватты энергии. Это все бред, когда говорят что энергии больше чем надо, ее много никогда не бывает. И чем больше, чем компактней, тем лучше. Переведи всю промышленность, все транспортные средства на Электричество, даже атомная энергетика захлебнется. Представим, что завтра изобретут дешевый и компактный аккумулятор, и уже послезавтра можно будет запустить весь транспорт, включая корабли, и самолеты ( хотя бы винтовые) на электричестве. и что дальше? Сразу окажется что в мире электричества не хватает просто в разы. Что такую потребность почти невозможно вытянуть даже десятками АЭС. Мое мнение- любая "зеленая" энергетика просто паразитирует на соседних "грязных" энергетиках. Где то на гиктаймс читал, что в тайване оштрафовали владельца Теслы, за превышение СО, мотивируя тем, что на производство аккамуляторов, и электричества идет тьма вредных выбросов. Может и маразм, но доля истины здесь реально имеется.
П.п.с. И пока все кричат о зеленой энергетике, и о том что энергии полно, а я лично наблюдаю, как люди в селах (уже и в городах) отапливают свои дома тупо дровами. в 21 веке!!!!!!.

Edited at 2016-03-24 12:59 pm (UTC)
molchun22ru
Oct. 16th, 2016 04:28 pm (UTC)
спасибо, сам переноски не заметил :)
Александр Шекилов
Mar. 24th, 2016 12:53 pm (UTC)
где то встречал зеленых, которые квадратиками на карте сахары рисуют необходимую площадь солнечных электростанций. было дело я сам грубо подсчитывал, и оказалось что что бы заменить 4 гигаватную АЭС, надо минимум 100 квадратных километров!! батарей (на широте украины) (прошу не ругать, считал очень грубо, и навскидку, для себя). как техник, я для себя сразу все понял. квадратики рисовать хорошо, а строить, обслуживать, решать вопросы с аккумуляцией, и энергобалансом, это немного другое. И да, есть сомнения, имеется ли столько на планете редкоземельных элементов, дабы воплотить это безумие в жизнь.
Александр Шекилов
Mar. 24th, 2016 01:37 pm (UTC)
После твоих постов об ИТЕР, начал жестоко троллить своего главного инженера, грубо электрика с 30 летним стажем, и с институтом. В стиле: "Боря, а ты знаешь что такое "тяжелая электрика?" На недоуменное мычание-" это монтаж краном алюминиевой шины сечением в 48 000 квадратов" И злорадно наблюдать как инженер долго переваривает услышанное, затем переспрашивает еще раз, потом опять думает, и начинает "завариваться". :-))
tnenergy
Oct. 16th, 2016 11:03 pm (UTC)
Ссылка протухла. Доберусь до дома - починю, с собой исходника картинки нет.
( 13 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

March 2017
S M T W T F S
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031 
Powered by LiveJournal.com