ITER极向场变流器电源短路故障分析

吴万松，宋执权，傅鹏

(中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥 230031)

ITER极向场变流器电源短路故障分析

吴万松，宋执权，傅鹏

(中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥 230031)

ITER(international thermonuclear experimental rector)极向场电源系统是ITER磁体电源系统的重要组成部分。它由晶闸管相控变流器向极向场超导线圈供电，实现各种不同运行模式下等离子体的产生、加热、平衡与控制。通过利用PSCAD(power system computer aided design)软件建立了极向场变流器电源系统的仿真模型，并利用该模型对变流器电源系统进行了各种主要短路故障的分析，得出各种短路故障的电流峰值，并总结了短路故障的分析结果。这些分析结果可为今后变流器的结构设计和短路故障保护的研究提供重要的依据和参考。

极向场变流器电源；变流器；短路故障

ITER脉冲电源系统由三大部分组成：高压配电系统、加热与电流驱动电源系统和磁体电源系统。磁体电源系统主要包括纵场电源、极向场电源、垂直稳定场电源和校正场电源等。极向场电源是整个装置的重要组成部分，它由晶闸管相控整流器向极向场超导线圈供电，实现各种不同要求的等离子体位形、各种不同运行模式下等离子体的产生、加热、平衡与控制。因此，极向场电源系统的可靠运行对于整个装置运行的性能与安全、物理实验的成败与否和效率高低起着至关重要的作用[1-2]。

本文的主要工作是进行极向场变流器系统的短路故障分析。利用PSCAD软件建立了变流器电源系统的计算机模型，对主要的短路故障进行了详细的仿真分析，得出了各种短路故障时的短路电流峰值，最终得出了变流器系统最恶劣短路故障类型，为变流器的结构设计和故障保护分析提供了重要的依据和参考。

1 系统简介

1.1 主变流器电路结构

ITER极向场电源采用晶闸管相控整流形式，变流器由四组三相桥式六脉波整流器通过与电抗器串联并在直流侧并联连接，如图1所示。整流变压器原、副边分别为延边三角形和三角形连接，通过原边绕组实现相位差30°，以提供十二脉波整流所需的电源[1-2]。

1.2 变流器系统主要参数

主变压器、整流变压器和电抗器的参数列于表1。

图1 主整流器结构示意图

表1 变压器及电抗器参数

2 短路电流故障仿真分析

2.1 仿真系统介绍与故障分类

利用PSCAD仿真软件，可以建立起整个极向场变流器电源系统的模型，其示意图如图2。

图2 ITER极向场电源系统图

其中仿真参数设置为：模拟运行时长为2 s，故障开始时间为第1 s。为得出最严重的故障电流，所以假设最小触发角为10°，在20 ms内电路的电子保护装置失效，而断路器一般要3～4个电流周期才能完全断开，故而故障支路的断路器在故障后80 ms(第1.08 s)才能完全断开。

通过分析，变流器的主要短路故障可分为如下类型：交流侧短路、直流侧环流电抗器前后短路、工作整流桥桥臂晶闸管与反组桥臂晶闸管误触发短路，下面分别对这几种短路情况进行介绍，给出PSCAD仿真波形，并用表给出故障类型。

2.2 外部故障

2.2.1 交流侧短路

首先，交流侧短路分为一相短路、两相短路和三相短路，图3为三相短路示意图。

图3 三相短路示意图

然后，通过对主变压器和整流变压器的仿真可得出各种短路时暂态电流，其中整流变压器三相短路危害最为严重，仿真图形如图4。

最后对整流变压器三相短路的仿真结果加以总结：整流变压器原边三相短路时原边短路电流峰值为67 kA，副边三相短路时副边短路电流峰值为305 kA。

2.2.2 直流侧短路

首先，直流侧短路分为环流电抗器前短路和环流电抗器后短路，图5为两种短路的示意图。

然后，通过对环流电抗器的两种短路故障仿真可得出各种短路时暂态电流波形图，图6为电抗器短路时冲击电流最大的晶闸管的波形图。

最后对直流侧短路的仿真结果加以总结：电抗器前端短路时整流桥桥臂晶闸管最大电流为315 kA，电抗器后端短路时整流桥桥臂晶闸管最大电流为171 kA。

图4 整流变压器三相短路电流波形图

图5 环流电抗器前后短路示意图

图6 环流电抗器前、后短路时的电流波形图

2.3 内部故障

首先，内部故障分为工作整流桥桥臂晶闸管失效和反组桥臂晶闸管误触发短路，图7、8为两种情况下某晶闸管失效的示意图。

图7 工作整流桥桥臂短路示意图(左为单桥运行，右为双桥运行)

图8 反组桥臂晶闸管误触发短路示意图(左为单桥运行，右为双桥运行)

然后，通过对上述的两种短路故障分别仿真可得出各种短路时暂态电流波形图，而实际情况中，晶闸管失效后，快熔应在几毫秒内就可以熔断进行保护。所以，在进行晶闸管短路分析时，要考虑这种情况[3]。图9为空载状态下工作整流桥桥臂故障时冲击电流最大的晶闸管仿真波形图。

双桥运行的反组桥臂晶闸管被误触发时，电流最大的整流桥桥臂晶闸管电流波形图如图10所示。图11是误触发状态下工作整流桥桥臂电流波形图。

最后对内部短路的仿真结果加以总结：

(1)工作整流桥短路时，工作整流桥桥臂晶闸管(无熔丝时)最大电流为407 kA(单桥运行)、407 kA(双桥运行)；工作整流桥桥臂晶闸管(熔丝熔断时)最大电流为35 kA(单桥运行)、35 kA(双桥运行)。

(2)反组桥臂晶闸管误触发短路时，故障晶闸管最大电流为138 kA(单桥运行)、173 kA(双桥运行)；工作整流桥桥臂晶闸管最大电流为193 kA(单桥运行)、173 kA(双桥运行)。

图9 工作整流桥故障时冲击电流的波形图

图10 误触发状态下电流最大的整流桥臂晶闸管电流波形图

图11 误触发状态下工作整流桥桥臂电流波形图

2.4 总结

通过仿真分析，选取较为严重的故障可得出表2。

表2 仿真总结

通过表2可得出如下结论：

(1)当交流侧出现短路时，三相短路的危害要大于单相短路和两相短路。

(2)当直流侧出现短路时，环流电抗器前短路要比其后短路的故障电流大，所以对整流桥器件和整流变压器的冲击也更大。而且由于极向场电源所带负载为大电感负载，所以负载电流衰减较为缓慢。

(3)当内部出现故障时，工作整流桥桥臂故障最为严重，而空载时桥臂故障又比小负载或满载时桥臂故障严重。因此，空载的工作整流桥桥臂故障对整流桥器件及整流变压器的冲击都是最严重的。

3 结论

本文主要分析了ITER极向场电源整流器系统的结构以及短路故障。首先分析了整流器系统的构成形式，然后通过分析计算，最后通过系统仿真得出如下结论：

(1)在交流侧各种短路故障中，整流变压器副边三相短路是最为严重的短路故障；

(2)在直流侧各种短路故障中，环流电抗器前短路故障是最为严重的短路故障；

(3)在整流桥各种短路故障中，空载时的工作整流桥桥臂故障是最为严重的故障，而且短路电流在电路中的断路器被断开之前几乎不会发生衰减。

[1]陈鹏.ITER极向场变流器的结构设计[D].合肥：中国科学院等离子体物理研究所，2010.

[2]黄晖，杜世俊，傅鹏，等.ITER极向场电源的设计与仿真[J].通信电源技术，2008，25(3)：1-4.

[3]傅鹏，高格.晶闸管在大功率变流和开关中的应用[J].电工技术学报，2004，19(8)：34-39.

Short circuit fault analysis of ITER poloidal field converter power supply

The poloidal field power supply system was an important part of ITER(international thermonuclear experimental rector)magnet power supply system.The power was provided to the poloidal field coils for plasma initiation,heating,plasma current shape and position control in different operation modes.The short-circuit fault of the poloidal field converter power system was analyzed.The simulation model of the PF converter power supply was built up by using the PSCAD(power system computer aided design)software,and the detailed short circuit fault analysis was carried out based on this model.All kinds of short circuit fault peak current were got,and short circuit fault analysis results were summarized.These results were important basis and reference for the converter structure design and fault protection studies.

poloidal field converter power supply;converter;short-circuit fault

TM 41

A

1002-087 X(2014)02-0337-04

2013-06-05

吴万松(1986—)，男，安徽省人，硕士，主要研究方向为电工理论与新技术。

WU Wan-song,SONG Zhi-quan,FU Peng