Deltamax高压缓冲器的研制

谢飞，李格

（1.顺德职业技术学院电子与信息工程学院，广东顺德528300；2.中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥2300312）

Deltamax高压缓冲器的研制

谢飞1，2，李格2

（1.顺德职业技术学院电子与信息工程学院，广东顺德528300；2.中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥2300312）

高压缓冲器（core snubber）是抑制超导托卡马克聚变实验装置EAST加热中性束器高压故障时短路电流的重要装置。在铁芯叠片近饱和等效电阻理论基础上，修正原模型忽略等效电感的模式模型，针对等效电阻和电感共同作用的实际工况，通过仿真模型和实验优化得到基于Deltamax材料缓冲器物理与结构设计参数，所研制缓冲器经96.5 kV／4 nF实验测试，可有效抑制短路电流在400 A之内，保障核心部件离子源安全运行，测试值与理论分析模型基本吻合，整个系统运行可靠。

加热中性束；高压缓冲器；B-H曲线；分布电容；放电试验；电弧电流

超导托卡马克聚变实验装置EAST（experimental advanced superconducting tokamak）国家大科学工程项目，自2006年首次成功完成放电实验，获得电流200 kA、时间接近3 s的高温等离子体放电以来，EAST国际顾问委员会就强烈建议高功率加热是EAST要作为未来深入研究计划的关键技术之一［1］。

在托卡马克里，加热中性束（heating neutral beam，HNB）加热是除了欧姆加热之外，对等离子体外部加热和维持的4种主要方式（加热中性束、低杂波、电子回旋频段波、离子回旋频段波）中加热效率最高、物理驱动机理最明晰的加热方式，同时也是EAST升级实验水平及正在建设的聚变堆ITER所采用的芯部辅助加热和非感应电流驱动主要手段之一［2-3］。

强流离子源加速器是大功率加热中性束器关键的核心部件。由于其工作状态的特殊性，必须对其加以故障限流保护，以免负载故障时吸收能量过大而损坏。高压缓冲器（core snubber）是一种用多个铁心磁环套在通向离子源的电流导线上实现保护离子源的装置，其原理是利用铁磁材料涡流损耗和磁滞损耗消耗故障能量。

由于铁芯缓冲器的等效分析方法在已有文献中都是基于等效电阻和将等效并联电感视为无穷大而忽略的模型，对缓冲器不同信号激励表现出不同的电感作用的分析甚少。因此给出了一种电路理论分析结合仿真模拟方法，并利用实验数据设计基于新型Deltamax材料的缓冲器。最后通过现场测试，验证其设计合理性。

1 中性束加热系统分析

我国重点发展的50-80 keV／4 MW／10-100 s加热中性束系统主要由大功率高压电源系统、高压传输线和离子源加速器等组成［4-7］，是由包括灯丝电源、弧电源、加速级电源、抑制极电源、缓冲器电源和偏转磁体电源等组成［8］。灯丝电源和弧电源用于加热钨灯丝并使之放电，产生等离子体弧流，加速后以离子束形式引出。加速极电源和抑制极电源为离子源引出系统的加速极和抑制极供电，电压分别为100 kV和-5 kV，提供离子束引出功率。偏转磁铁电源为偏转磁铁线圈供电，将未中性化的离子偏转吞噬。其中灯丝电源和弧电源均浮在加速极直流电源100 kV的高电位上。

强流离子源是HNB核心部件，其热负荷和电气绝缘对过压、过流非常敏感。在高压锻炼和离子束引出阶段，电极间打火、击穿现象频繁发生。每次击穿在电极上的能量沉积和短路电流峰值必须加以限制（约5 J）［8］，避免损坏离子源。

现有的100 kV／100 A高压PSM电源动态响应为μs量级，其变压器内部的分布电容储能可达40 J以上［9］，一旦发生打火击穿，可在几μs内通过开关切断电源，起到一定的保护作用。而杂散电容储能必须通过串联保护单元吸收，高压缓冲器是目前世界上所有HNB无一例外地抑制短路电流保护离子源的重要手段。

图1是离子源和电源电路示意图。

图1 离子源和电源电路示意图Fig.1 Schematic of ion source and power supply

针对ESAT HNB离子源和电源电路分析可知，杂散电容是由离子源自身电容C1、HNB测试平台对地电容C3、传输线电容C2和电源系统电容（C4、C5、C6）等组成。除了离子源电容C1以外，其余杂散电容均是悬浮在高压100 kV之上，相当于并联，在后图中用C0表示。根据国外同类装置的经验，这些分布电容值之和约为3.5 nF［10-11］。

2 Deltamax材料特性分析

高压缓冲器是利用铁磁材料的涡流损耗和磁滞损耗吸收分布电容储能的一种常用的方法。铁磁材料在磁化与反磁化的过程中有一部分能量不可逆地转变为热能所损耗即铁耗。

有研究表明［12-15］，当激励的脉冲信号为高频时，不规则涡流损耗将成为铁耗的主要组成部分。由于镍铁系合金材料在高频低于1 MHz脉冲激励下仍具有较高的磁导率，因此在选择铁磁材料时，优先考虑镍铁系合金材料。Deltamax是一种微晶取向50-50 Ni-Fe合金材料，具有性能优异的矩形B-H回线，低矫顽力，高磁通密度和高矩形系数，可以做到1／4 mil的厚度，其典型B-H参数饱和磁通密度（BS）为1.5 T，剩磁磁通密度（Br）为1.47 T。

3 高压缓冲器设计

3.1 等效电路分析

根据HNB系统的设计要求，在系统故障打火击穿时，离子源的阻值由稳态1 000 Ω变为［16］仅100 mΩ，相当于故障短路。分析可知，离子源短路时的杂散电容放电情况如图2所示，其中C0为回路总杂散电容，缓冲器简化成电感Ls和非线性电阻Rs的并联。

取任一铁芯叠片分析，其结构图如图3所示。假设穿过铁芯电流上升速度很快，可以近似认为铁片仅由剩磁区Br向饱和区Bs过渡，而无发生磁通转向的过渡区域。其中W表示叠片宽度，d表示叠片厚度，a表示叠片饱和深度，r表示该叠片对应的半径。

图2 离子源短路等效电路图Fig.2 Schematic of equivalent circuit of ion source fault

图3 反向磁化的铁芯叠片层示意图Fig.3 Schematic of configuration in the tape during magnetic reversal

该铁芯叠片磁通为

外层饱和区感应电压为

感应电压V在叠片外层区域产生涡流，该涡流流通路径的电阻近似为

式中：ρ为铁芯材料的电阻率，Ω／m。

实验所得涡流损耗通常是简化计算所得的涡流损耗的2～3倍［17-19］。根据文献［13］工程经验，取2.5，即涡流满足：

当叠片没有完全饱和时，即a＜d／2，叠片内部中还存在磁场强度H为0的内层剩磁区。在剩磁区中，任取一条包含短路电流iA的闭合曲线，由安培环路定律，可得任一叠片中的涡流电流ie满足：

式中：iA是短路电流，ie是载流导线匝数。

若用rn表示铁芯第n层叠片的半径，an表示第n层的饱和深度，则

第n层与最内层的饱和深度的关系满足：

式中：n＝1，2，…，NL，其中NL为铁芯叠片层数。

近似得到故障时的瞬态短路电流iA满足方程：

式中：RS为总涡流等效电阻，文献［13］在忽略并联电感作用时求解得到

式中：Nc为串联铁芯数；r1为最内层叠片半径，m；r0为最外层叠片半径，m。求解方程（8）可得放电时间常数：

短路电流iA随时间变化，其值为

此模型在较低的电压下测试，可忽略并联电感对弧电流的影响，弧电流的实测波形与理论波形有较好吻合。但在实验测试时发现，当电容电压超过某一电压（饱和阈值电压）时，弧电流出现了振荡，此时，缓冲器阻抗降低。分析其并联电感解析式为

式中：S为磁路面积，l为磁路路径，μ为磁导体的磁导率，由于铁芯叠片厚度很薄，由式（6）、（7）、（14）可近似为

图4 时变电感与电阻对时间的函数图Fig.4 Schematic of variable inductance as a function of time

时变电感LS和时变电阻RS是随时间常数τ的减函数，其对时间的函数图如图4所示，当铁芯叠片最内层达到完全饱和时，时变电阻和时变电感出现最低值。入并联电感后电路特性的变化情况，修正等效电阻计算时忽略电感的影响因素，建立故障仿真电路如图5所示，其中SC1，SC2为HNB梯度极分压电容，R1、R2、R3为梯度极分压电阻。

在100 kV电压放电时，考虑时变电感时的仿真电流波形如图6所示。

图5 电流仿真波形图Fig.5 Schematic of simulated current waveform

图6 不同信号激励下的电流响应仿真图Fig.6 Schematic of simulated current waveform of different signals

在铁芯近饱和工况下，考虑时变并联电感效应时比Fink-Baker-Owen的分析理论预测高1.5～2倍，多次实测电流验证了该结论，所以在设计参数上拟采取引入工程修正系数Ke来代表并联电感时的影响因子。分析可知，对于式（12）当τ＝1.317时，电流出现峰值，因此电流解析式可修正为

3.3 缓冲器参数设计

由式（16）可知：主回路中的放电电压V0和分布电容C0，这是设计电路本身所决定的，可以看作是常数；C0V0确定时，只要γ足够小，就可以限制峰值电流在规定值之内，根据式（10）可知，限制γ值大小主要取决于以下几个因素：1）增加铁芯Nc；2）选择内、外半径的比例；3）选取B和ρ较高的铁磁材料。

为了得到较小的γ，可以从上述3方面来分析：基于EAST装备空间的考虑，铁芯数在其他条件优选后再定；铁芯外径和内径的比值r0／r1越大，γ也就越小，综合考虑到材料的利用率问题，在r0／r1＞2.5时，γ的变化值就不太明显，因此选取r0／r1＜2.5［17］。

由于铁芯叠片之间的绝缘层具有最高耐压等级VL，为了防止叠片的感应电压击穿绝缘材料，因此感应电压不能够超过最大的耐压等级VL，一般在4～5 V，铁芯的感应电压最外层最大，而为了保证缓冲器的正常工作，最内层铁芯叠片不能完全饱和，综合考虑得到铁芯叠片的最小厚度d0满足公式［12］：

通过上述分析，确定了缓冲器的参数如表1所示。

表1 缓冲器典型参数Table 1 Specification of snubber

4 实验结果分析

为了验证该缓冲器是否符合故障限流的功能，在实验室搭建了图7所示的一个1∶1的实验平台进行模拟测试［10］。实验平台由100 kV可调高频开关脉冲电源、偏置电源（30 V／150 A）、4 nF高压电容、缓冲器样机、高压短路开关、铜熔丝等组成。其中，当等效为离子源负载的铜熔丝吸收能量大于5 J，熔丝熔断；当小于5 J，熔丝保持完好。在初始电压V0为96.5 kV的故障电流波形图如图8所示，短路电流在350 A左右，铜丝未熔断，表明吸收能量在5 J以下，缓冲器设计符合要求。

图7 缓冲器测试电路Fig.7 Schematic of core snubber testing experiment syetem

图8 96.5 kV实验短路电流波形Fig.8 Schematic of the short circuit current waveform，96.5 kV high voltage experiment

4 结论

1）Deltamax材料在低于1 MHz脉冲激励下仍具有较高的磁导率，磁通密度较一般铁磁材料高，是一种制造缓冲器的理想材料。

2）Fink-Baker-Owen缓冲器近饱和工况下的分析模型未考虑并联电感效应，考虑后其故障峰值电流将比原模型高2～3倍，引入工程修正系数来代替并联电感时的影响因子可修正原设计模型。

3）采用修正的模型，根据研究结果建立EAST HNB故障仿真电路，仿真结果与测试结果基本吻合。

［1］中国科学院等离子体物理研究所.第二届EAST国际顾问委员会总结报告［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］刘胜，胡纯栋.利用密度反馈实现离子源长脉冲放电［J］.强激光与粒子束，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.直流故障电流限制器的理论研究与应用研究［D］.上海：上海交通大学，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，傅鹏，蒋力.采用DSP和CPLD的100 kV高压脉冲电源控制系统［J］.高电压技术，2009，35（7）：1667-1671.PAN Shengmin，FU 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］杨雷，傅鹏，刘小宁.采用脉冲阶梯调制技术的50kV／100A直流高压电源设计［J］.高电压技术，2009，35（9）：2220-2225.YANG Lei，FU 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］蒋力.PSM大功率高压电源分析与研究［D］.合肥：中国科学院等离子体物理研究所，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］杨雷，傅鹏，刘小宁.大功率直流高压电源的变压器分布电容分析［J］.高电压技术，2009，35（6）：1403-1408.YANG Lei，FU 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加热中性束器用高压缓冲器分析［J］强激光与粒子束，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.网络出版时间：2014-05-14 15：53：10.

国家自然科学基金资助项目（41301009）；国家磁约束核聚变能研究专项基金资助项目（2010GB108003，2011GB113005-1）.

谢飞（1980-），男，讲师，博士.

谢飞，E-mail：xiefei＠ipp.ac.cn.