ИТЭР: коммутирующее оборудование
Как метко выразился один человек, «В проекте ИТЭР, если в зале стоит табуретка, то седушка у нее обязательно из гафния со внутренними каналами охлаждения, а ножки из сплава тантала, причем одну везут из Японии, а три других — из США». Этот проект словно создан для того, что бы любое оборудование было рекордным и поражающим воображение.
Электрическая разводка системы электропитания магнитов ИТЭР, включая коммутационное оборудование.
Сегодня — небольшой рассказ о системах, которые будут быстро подключать и отключать сверхпроводящие катушки ИТЭР и об очередной инженерной сложности, тем более, что в марте месяце прошли квалификационные испытания устройств, выполняющих эту задачу.
Для начала — немножко об электрике магнитной системы ИТЭР. Международный токамак будет иметь 48 сверхпроводящих магнитов, а именно:
- 18 тороидальных катушек (TF), электрически соединенных последовательно, однако имеющих одно устройство быстрого сброса энергии (FDU) на кажду пару катушек
- 6 модулей центрального соленоида (CS), подключенных независимо
- 6 полоидальных катушек (PF), подключенных независимо
- 9 пар корректирующих катушек (CС), подключенных независимо
Схема магнитной системы ИТЭР
Как можно догадаться, независимое подключение нужно для создания разного тока (=напряженности магнитного поля) в разных катушках с целью управления плазмой (ее положением, формой, током и т.п.). Управление током осуществляется двумя способами: во-первых набором мощнейших выпрямителей (десятки мегаватт, в сумме порядка 250), которые плавно создают и изменяют ток в катушках, а во вторых короткой вставкой резистора (разумеется, мегарезистороров общей мощностью в 2,5 гигаватта (!), это же ИТЭР) в цепь катушки, что бы изъять из нее часть энергии.
Чуть более подробная схема подключения магнитов ИТЭР к источникам питания
Операции вставки резистора — классический способ запуска токамаков. При этом резкое изменение поля в полоидальных катушках и центральном соленоиде создает вихревое электрическое поле, которое пробивает плазму и наводит в ней кольцевой ток, который является частью системы удержания плазмы.
Один модуль резисторной сборки ИТЭР — стальной с воздушным охлаждением, мощностью 2 мегаватта
За введение резисторов в цепи катушек и отвечает сегодняшний герой — SNU (Switching Network Unit), который и испытывали в НИИЭФА в марте 2017 (ну и кому интереснее, подробнее про систему электропитания магнитов ИТЭР). Всего в ИТЭР будет установлено 8 SNU (на CS и катушки PF1 и PF6).
Основная сложность в создании SNU — это токи до 60 килоампер и большая индуктивность коммутируемых катушек, которая приводит к появлению напряжения в 8,5 киловольт в момент разрыва контактов. Учитывая еще крайне низкое сопротивление цепей, в выключателе получается загоревшаяся с током 60 кА дуга, которая мгновенно приводит его в негодное состояние. А нам нужен ресурс выключателя в 30 тысяч выключений.
Тупик? Нет, мы же может все сделать гораздо сложнее!
Это схема SNU. К сожалению, приходится разбираться в многочисленных аббревиатурах, но попробуем: Итак, SNR — это те самые резисторы, которые вставляются в цепь катушки, вначале они параллельны цепи, через которую течет ток от выпрямителя к катушке, образованной размыкателями FOS и FDS. Внизу расположен тиристорный контрпульсный модуль TCB, выполненный из двух одинаковых цепей TH1, TH2, а параллельно FOS и FDS — замыкатели FMS и аварийный пирозамыкатель EPMS.
SNU на яву — красный и синий цилиндры — это FOS и FDS, а снизу виднеются ящики TH1, TH2 и пневмоавтоматики.
Уфф. Наверное понятнее будет, если объяснить, как это работает:
Итак, изначально ток течет через замкнутые FOS и FDS.
1. Сначала замыкается RMS, подключающий резистор SNR в параллель — однако поскольку сопротивление основной цепи тока сильно меньше, ничего не происходит.
2. Далее пневматикой за время меньше 5 мс размыкается FOS, и на первое время ток перекладывается на 0,25 мс на окружающие его тиристоры Т (это нужно для недопущения дуги).
3. Одновременно срабатывает тиристорный ключ TH1, разряжая конденсатор С1 через точку соединения L1 и FDS, и приводя к обнулению тока через тиристоры Т и FDS.
4. Весь ток через устройство перекладывается на тиристорную группу TH1, позволяя открыть FDS, который нужен для изоляции тиристоров FOS от напряжения 8,5 кВ, которое появится в момент перекладывания тока на экстрактирующий энергию резистор SNR.
5. После разрядки С1 и открытия FDS нужно закрыть TH1 — для этого используется вторая цепочка С2 — TH2 (а диод D1 нужен, соответственно, что бы закоротить C1).
6. После этого ток катушки потечет через резистор SNR, создав нужный скачок напряжения.
Надеюсь, это было понятно :) Одной из ключевых особенностей этого переключателя являются сверхбыстродействующие пневматические размыкатели и замыкатели (FOS, FDS, FMS) — работающие примерно в 10 раз быстрее, чем обычные выключатели элекрических сетей.
FOS, FMS и FDS в моделях и живьем. Радует довольно качественное исполнение этих приборов.
Вместе с прототипом серийного SNU испытывалась его система управления (пост про организацию системы управления оборудования ИТЭР в целом), как понятно, здесь не обойтись двумя кнопками или тумблером (это же ИТЭР), а схема управления состоит аж из 2-х модульных ПЛК и нескольких коммутаторов.
Забавно, что несколько лет назад схожее устройство было разработано концерном ABB совершенно для других целей — для отсечения ветвей высоковольтных ЛЭП постоянного тока. Хотя в hybrid switch от ABB проблематика несколько другая (очень высокое напряжение при умеренном токе), его разработка подавалась как революция в области решений по передаче энергии с помощью ЛЭП постоянного тока.
