ITER校正场线圈馈线系统干盒的结构设计与分析

张 彦， 孟冠军， 郑红梅， 宋云涛， 刘素梅， 沈 光， 朱立红

（1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2.中国科学院 等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031）

ITER校正场线圈馈线系统干盒的结构设计与分析

张 彦1， 孟冠军1， 郑红梅1， 宋云涛2， 刘素梅2， 沈 光2， 朱立红1

（1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2.中国科学院 等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031）

校正场线圈馈线系统的干盒用于容纳高温超导电流引线室温端与外部室温电力系统的过渡连接接头，并为此过渡连接以及外部电缆提供可靠的支撑。其设计的合理可靠与否将会直接影响ITER装置的正常运行。文章根据ITER装置对干盒设计的要求，对CC干盒的整体结构进行了详细设计说明，并对相关结构的受力、热传导及结构模态进行计算和分析，为干盒结构的进一步研制提供了理论依据。

干盒；过渡连接；结构设计

国际热核聚变实验堆ITER的目标是建造一个可以自持燃烧的托卡马克核聚变实验堆，用来验证热核聚变反应的工程可行性，并对实际应用核聚变能时所需的要素进行试验［1］。从线圈终端盒CTB（Coil Terminal Box，简称CTB）伸出的电流引线终端，需要和外部室温电力系统进行连接［2］，电流引线的终端冷却采用50K的氦气输入，最终输出为300K［3］。由于电流引线终端温度较低会造成湿气聚集结冰或霜，结冰或霜会增加终端之间电弧放电的危险，并且难以保证有较高的接地电阻。因此，在CTB的外侧专门设计一个用来干燥的箱体——干盒，电流引线的室温端在此盒体内与外部室温电源连接。干盒设计的合理可靠与否将会直接影响到整个ITER装置的正常运行。

1 CC干盒设计

CC干盒位于校正场线圈CC（Correction Coils）馈线系统的终端，固定在线圈终端盒的外侧。干盒主要用于容纳高温超导电流引线［4］室温端与外部室温电力系统的过渡连接接头，并为过渡连接及外部电缆提供可靠的支撑。同时，盒内还需容纳一些氦流管路、高压绝缘、检测监控等辅助部件。作为S弯盒－线圈终端盒－干盒总成的一部分（S弯盒主要用于容纳超导母线和冷却管路的S形弯曲部分），干盒结构必须尺寸紧凑，方便装拆和设施维护，其结构如图1所示。

图1 CC干盒的结构

1.1 与外部室温电力系统的过渡连接

由于电流引线室温端与外部电源都是刚性结构，过渡连接的设计需要弥补这两者的制造和安装误差。因此，选择了两端刚性中段柔性的铜排软连接作为过渡连接的主体，这样就可以满足外部电缆的形变及相邻连接部件的柔性装配要求。在铜排刚性的两端分别加工出若干通孔，以便使用螺栓对外部电源以及电流引线终端进行连接。

根据CC线圈电流引线的工作状态，最大通过电流为10kA，常态及故障态最大电压为15kV，选择的铜排技术参数［5］如下：横截面积为30×120mm2，每米电阻为66.6μΩ，许用负荷为12kA／根，每米质量为32kg。

同时，对过渡连接的整体进行绝缘环氧粉末涂层，这样可以有效地防止放电和避免温升过高。在穿过顶板矩形通孔的这段铜母线上缠绕耐高温云母绝缘带，并在矩形通孔两侧垫上橡胶垫片绝缘，可以消除铜母线与通孔壁之间的缝隙，减少电弧放电的危险。

1.2 氦气管道的布置

CTB中采用气冷电流引线设计，利用液氦容器中蒸发出来的冷氦气带走引线的传导热和焦耳热。冷氦气输出管道布置在CC干盒中，氦的流量由室温端的温度传感器和控制阀门决定，氦气流量采用涡轮流量计记录。流量计必须水平冗余布置，而且流入端管长要大于10～20倍管径，流出端管长要大于5倍管径。

根据文献［2］要求，当氦流量为0.6g／s时，按照SCH40（SCH表示英制管壁厚系列）的标准氦管选取了D15（即外径为21.34mm，壁厚为2.769mm）的钢管。整个管路的布置和走向需要尽量考虑安装和维护的便利，并同时要满足测量器件的安装使用要求。管路上包有隔热层，并且安装耐高压绝缘子。隔热层需要有一定的厚度，才可以避免管道内氦气的低温传导至干盒内部，否则会产生干盒内元器件凝露结霜现象。结构布置如图2所示。

图2 氦气管道的布置

1.3 辅助配件

在干盒中还有一些辅助配件，如图3所示。

图3 辅助配件

（1）电流引线终端嵌入式的电加热器。在待机或故障状态下，通过电流引线的电流较小或者无电流通过，此时氦流量有可能还维持在正常的0.6g／s。

因此，需要在每个电流引线终端嵌入全负荷为0.75kW的电加热器，通过电加热器的升温作用来保证引线室温端温度不低于300K。这样可以保证电流引线在不同运行工况下，其回气管路上都无结霜现象。

（2）微型摄像机和除湿加热器。为了监控干盒内结霜和电弧放电的情况，在干盒壳体左右侧板内壁上安装有线的微型摄像机，同时也为摄像机提供了照明电源。

为了给干盒内的电力设备防潮、防凝露，同时提高工作环境温度，在侧板上安装了除湿加热器。

（3）为了随时监控电流引线终端及过渡连接的工作状态，安装温度传感器、压力计和高压开关等辅助配件在相关的元器件上。

1.4 干盒壳体

干盒壳体的设计应具有一定刚度，可以提供在运输过程对电流引线的机械保护作用。与外界保证良好的密封性，保持干空气内外压差维持在0.1Pa。

干盒与CTB之间方便拆卸，尺寸紧凑，方便维护内部设施，同时还要满足外部室温电缆与电流引线的连接要求。

壳体由顶、底板、左、右侧面板及前侧板组成，整体尺寸为1 120mm×1 100mm×1 320mm，缺少面板的后侧用螺纹连接件紧固于CTB壳体上。为了保证良好的气密性及减少壳体与电流引线及外部电源之间的电磁力［6］，壳体框架采用60mm×60mm，厚度为5mm的304L不锈钢方管制成，底板和3个侧板采用厚度为5mm的304L不锈钢板材制成，顶板采用高压绝缘板，板材和框架之间通过螺纹连接件，所有接缝处均采用橡胶密封垫进行密封。

在盒内正负电流引线室温端之间安装不锈钢隔离板，当电流引线发生电弧等异常情况时，不锈钢隔离板可以引导电弧，从而达到保护电流引线的作用［6］。

隔离板自重较大，因此在底板和顶板内侧设计了滑轮和导轨，方便隔离板拆装。

由于CC干盒基本上是在ITER装置的最外端，因此从装置中心开始安装累积的误差将在此处应该得到弥补，同时干盒也需要能方便地从CTB上拆离。

为了达到上述要求，在干盒底部设计了一个带可调节脚轮的型钢基架。

2 CC干盒的计算与分析

2.1 铜母线上的电磁力的影响

从CTB中伸出的2组电流引线采用正负成对的方式排列，中间安装不锈钢隔离板，同极的一对电流引线是垂直平行布置的。

为了更好地与外部电源连接，处于下端的一对电流引线需要安装一对水平的刚性铜排。而这对铜排刚好和穿过CC干盒的磁力线垂直，会产生电磁力［7］，计算如下：

其中，F为电磁力；B为磁感应强度；I为通过铜排的电流；L为水平段铜排的长度。

计算结果表明，水平段铜排所受电磁力与电流引线终端所承受的104N／m量级的电磁力相比很小，只要在底部安装个小托架保持安装位置即可，不需要像电流引线那样另外增加固定支撑去抵消电磁力。

2.2 氦管隔热层的厚度计算

氦管隔热层可以避免干盒内元器件凝露结霜，其厚度的计算可以归结为圆筒壁沿半径方向的一维导热问题［8］。

圆柱坐标系（r，Φ，z）中的传热微分方程为：

其中，ρ、c、、τ分别为微元体的密度、比热容、单位时间内单位体积内热源的生成热及时间。

根据（2）式得常物性、稳态、一维、无内热源圆筒壁的导热微分方程［9］为：

根据圆筒边界条件，当r＝r1时，t＝t1；当r＝r2时，t＝t2。由傅里叶定律得到圆筒壁面的热流量Φ为：

而热流量Φ可以由牛顿冷却定律得到：

这样，可以得到以下关系：

其中，T1为直径d1的管道内表面温度，150K；T2为直径d2的管道外表面温度，若不出现结霜，设为279K；ΔT为温差；h为对流换热系数；A为换热面积；λ为导热系数即热导率，0.02W／（m·K）；l为管长。

最终计算出隔热层厚度为9mm，可以保证氦气管道外部不会凝露结霜。

2.3 干盒结构的模态分析

为确保CC干盒在可能发生的地震中不至于损坏，对其进行地震分析也是必不可少的。首先对结构采用ANSYS软件进行模态分析，如图4所示。求出终端盒本体的固有频率，再对模型施加建设候选地之一的法国卡达拉奇地震频谱载荷。分析结果表明，盒体抗震性能较好，地震载荷对干盒整体变形及应力影响不大，可以忽略。

图4 干盒模态分析

3 结束语

CC干盒结构的设计较为复杂，涉及机械、力学、电物理和热工化学等多门学科。本文针对CC干盒的主要作用和设计要求，对干盒的整体结构及内部组成进行了详细的设计说明和相应的计算分析，并以计算和分析结果作为设计时参考依据，为结构的最终确定提供合理可靠的理论依据。

［1］Aymar R.Fusion engineering and design［J］.Status of ITER，2002，（61／62）：5－12.

［2］ITER Organization.The ITER Magnet Feeder Systems Functional Specification and Interface Document［S］.

［3］ITER Organization.PID＿OF＿CC＿FEEDER［S］.

［4］ITER I O.ITER material properties handbook［S］.

［5］SDGJ 14－1986，导体和电器选择设计技术规定［S］.

［6］张四海，吴红斌.基于DSP的高压防爆开关微机保护控制器的研制［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2011，32（2）：184－187.

［7］梁灿彬，秦光戎，梁竹健.电磁学［M］.北京：高等教育出版社，2004：202－205.

［8］杨世铭.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2006：33－56.

［9］盛宏玉，李和平，叶建乔，等.层状介质热传导瞬态分析的一种新半数值解法［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（5）：709－712，721.

Structural design and analysis of ITER CC dry box

ZHANG Yan1， MENG Guan－jun1， ZHENG Hong－mei1， SONG Yun－tao2，LIU Su－mei2， SHEN Guang2， ZHU Li－hong1

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China）

Dry box of correction coil（CC）is used to house the interface between the high temperature superconducting current leads（HTSCLs）on the feeder side and the room temperature bus－bars（RTBB）on the power system side.It can provide the reliable support for the interface and the RTBB.The stand or fall of the design will affect the normal operation of the ITER device.According to the design requirements of dry box for ITER device，the overall structure of CC dry box is designed，and the relevant force analysis，heat transfer calculation and structural model analysis are performed.The results can provide a theoretical foundation for the further study of the dry box structure.

dry box；interface；structural design

TL62.6；TH122

A

1003－5060（2012）04－0444－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.04.003

2011－09－28；

2011－11－02

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2008CB717906）；ITER计划专项支持资助项目（2008GB102000）

张 彦（1973－），女，山东临清人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师；

郑红梅（1966－），女，安徽长丰人，博士，合肥工业大学教授，硕士生导师；

宋云涛（1973－），男，安徽安庆人，博士，中国科学院等离子体物理研究所研究员，博士生导师.

（责任编辑 吕 杰）