三电极气体开关在LHCD高压电源中的应用研究

杨志刚，黄懿赟，傅　鹏，张　健，郭　斐，孙浩章

（1.中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所，合肥230031；2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院，合肥230026）

三电极气体开关在LHCD高压电源中的应用研究

杨志刚1，2，黄懿赟1，2，傅鹏1，2，张健1，郭斐1，孙浩章1

（1.中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所，合肥230031；2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院，合肥230026）

为在低杂波电流驱动（LHCD）系统打火等严重故障时及时保护高压电源，提出了设置三电极气体开关作为第一级快保护方案，并研制了一套能通流60 kA、5 μs快速导通的三电极气体开关。通过联合LHCD高压电源与开关进行短路故障保护实验，证明了开关工作性能稳定，大大提高了LHCD高压电源运行的安全性与可靠性，在脉冲功率装置中具有较好的应用前景。

三电极气体开关；低杂波电流驱动（LHCD）；高压电源；短路故障保护

引言

EAST（experimental advanced superconductingtokamak）是中国科学院等离子体物理研究所自行设计和研制的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置，是“九五”国家重大科学工程项目之一。EAST装置从2006年9月建成至今，已成功进行了多次实验，为获得更好的实验结果，需要配备功率更高的辅助加热系统［1］。EAST辅助加热是“十一五”国家发改委国家重大科技基础设施，于2008年7月立项，2011年11月开工建设，预期建设4 MW中性束加热和4 MW低杂波电流驱动系统，建设周期4年，于2015年2月顺利通过国家各部委验收。辅助加热高压电源课题组承担了其中6 MW/4.6 GHz的低杂波电流驱动LHCD（low hybrid current drive）辅助加热系统高压直流电源的研制任务。由于速调管处在高压电源的强电场条件下，这使得负载瞬间打火短路故障时有发生。研究表明，负载在打火时吸收的能量必须要小于10 J，否则大功率速调管将损坏，代价是很昂贵的［2］。因此，对于高压电源短路故障保护的研究十分必要。课题组为了保护速调管和高压电源，以一套LHCD高压直流电源为平台，分析了高压电源短路故障的过程，研制了一套三电极气体开关，并通过实验验证了三电极气体开关满足高压电源短路故障保护的要求。

1　高压电源介绍

6 MW/4.6 GHz辅助加热高压直流电源由4套相同的基于PSM开关电源技术的大功率脉冲电源高压电源组成，单套LHCD高压电源主要由10 kV开关柜、接触器柜、多绕组整流变压器、PSM电源模块、RPSM电源模块、限流电阻、假负载、上位机人机交互操作软件、光-电和电光接口转换电路、故障检测与处理装置、以逻辑控制器和脉冲控制器为核心的控制单元等组成，其主要技术要求列于表1中。所有电源由微波系统统一协调运行，电源运行参数的远程设置和控制信号的传输以及测量信号的传输采用了光纤传输技术确保控制系统的稳定运行和设备运行安全。

表1　1.5 MW高压电源的主要技术参数Tab.1　Main technical parameters of 1.5 MW high voltage power supply

图1　LHCD高压直流电源拓扑结构Fig.1　Topological structure of LHCD high voltage DC power supply

如图1所示为一套LHCD高压电源的主回路拓扑。交流电网通过10 kV开关柜、软启动接触器柜控制2台2 000 kVA整流变压器的进线，整流变压器原边绕组连接组别是延边三角形，分别移相±7.5°，每台整流变压器有32个副边绕组，共64个绕组，交替星形和三角形接法，再经PSM电源模块三相全桥不控整流，串联输出对负载（6只大功率速调管并联）进行供电［3］。

LHCD高压电源的负载速调管是一种脉冲大功率负载，要求电压调整范围为0～100%、负载响应在μs量级，在高压锻炼和微波驱动阶段，电极间发生打火或击穿故障时，完善可靠的保护措施必不可少。LHCD高压电源设计了3级保护单元：第1级保护为三电极气体开关保护，当负载发生打火故障时，三电极开关会在μs量级时间内将高压输出短路保护，保护负载不受损害；第2级保护为IGBT快速关断保护，当PSM模块输入过流时，IGBT会在ms量级内关断，从而切断电源与负载的回路，保护负载；第3级保护为继电控制系统的保护，故障检测装置将故障信号通过光纤传递到继电控制系统，发出驱动信号，在s量级内跳开开关柜内的真空断路器。前两级保护动作时间快，用于微波系统过流、打火、过压等保护时间要求高的快保护；第3级开关动作较慢，用于过压、欠压等保护时间要求不高的慢保护［4］。

2　三电极气体开关的研制

2.1开关调研与选型

脉冲功率系统中几种常用的大电流开关有触发真空开关、半导体开关、引燃管、赝火花开关和气体火花开关［5-9］，项目组对这几种开关进行了调研，其主要技术参数如表2所示。

单套LHCD高压电源最大输出电压50 kV，发生短路故障时，要求在μs级关断电源。综合电源保护要求和调研情况，项目组决定为高压电源研制一套三电极气体开关。

2.2开关的制造

合肥雷科电子科技有限公司是注册于合肥国家高新技术产业开发区，集产、学、研于一体的高新科技企业。项目组与该企业签订了三电极气体开关及其配套的气压控制系统和触发系统的联合研制合同。经过一年多的合作，研制成功一套三电极气体开关，其主要参数如表3所示。从表中对比可以看出，研制的三电极气体开关实际值基本满足设计值的要求。实验开关实物照片如图2所示。

表2　几种脉冲功率开关的主要技术参数Tab.2　Main technical parameters of several pulse power switches

表3　三电极气体开关的主要参数Tab.3 Main technical parameters of three-electrode gas switches

图2　三电极气体开关实物Fig.2　Product of three-electrode gas switch

2.3开关试验与实验

2.3.1出厂试验

三电极气体开关产品 （型号为LKKG-XJD-4）及其配套的气压控制系统和触发系统制造完成后，进行了一系列的出厂试验。试验原理如图3所示，首先按照原理搭建试验平台，然后进行测试，并记录试验结果。部分试验数据如表4所示。其中50 kV时的实验波形如图4所示。实验结果证明了研制的三电极气体开关满足设计值的要求。

图3　三电极气体开关的出厂试验原理Fig.3 Factory test schematic of three-electrode gas switch

表4　三电极气体开关的出厂试验数据Tab.4　Factory test data of three-electrode gas switch

2.3.2联合实验

对三电极气体开关的出厂实验验收后，项目组将其联合一套LHCD高压电源进行了短路故障保护实验。按照图1搭建实验平台，电源满功率运行时，输出电压为50 kV，用1 200 Ω假负载代替速调管，过流设定值85 A，三电极气体开关串熔丝，并联在假负载两端，控制和复位信号通过光纤网络来实现，电压用电阻分压器（1：10 000）测量，电流用LEM器件（1：10）测量，并用Tektronix TPS2024示波器采集波形，实验波形如图5所示。由图可以看出，当速调管发生打火故障，三电极气体开关大约在5 μs触发动作，电源被关断保护；然后电流冲击到约200 A开始下降，大约有50 μs的拖尾，这是由于电源的分布参数引起的，联合实验结果与出厂试验结果基本吻合。

图4　三电极气体开关50 kV时的实验波形Fig.4 Factory test waveforms of three-electrode gas switch at 50 kV

图5　LHCD电源满功率运行时短路故障保护实验波形Fig.5 Short circuit fault protection waveforms of LHCD power supply at full power

3　结语

本文在LHCD高压电源短路故障保护研究的基础上，简要分析了高压电源短路故障的过程，提出了为高压电源短路故障保护设置第一级快保护的方案，从开关调研、选型、制造、出厂试验等方面介绍了三电极气体开关的研制过程，并通过联合实验证明了三电极气体开关能满足高压电源短路故障第一级快保护的要求，并大大提高了LHCD高压电源运行的安全性与可靠性。同时也验证了三电极气体开关在脉冲功率装置上，工作性能稳定，具有较好的应用前景。

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Study on Three-electrode Gas Switch Applied in LHCD High Voltage Power Supply

YANG Zhigang1，2，HUANG Yiyun1，2，FU Peng1，2，ZHANG Jian1，GUO Fei1，SUN Haozhang1
（1.Institute of Plasma Physics，Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China；
2.Science Island Branch of Graduate School，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

A schieme applying the three-electrode gas switch as the first level fast protection is proposed to make sure safe operation of low hybrid current drive（LHCD）system in time when serious faults happen such as arc inside the LHCD cham-ber.And a set three electrode gas switch is developed which flow current 60 kA and fast operate in 5 μs.The switch work stable is provedby the short-circuit fault protection experiment which applied the switch to the high voltage power supply system.The three-electrode gas switch greatly improves the security and reliability of LHCD high voltage power supply in operation，and it has good application prospect in the pulse power devices.

three-electrode gas switch；low hybrid current drive（LHCD）；high voltage power supply；short-circuit fault protection

杨志刚

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.3.6

TM 206

A

杨志刚（1989-），男，通信作者，博士研究生，研究方向：聚变工程变电站技术，E-mail：yangzhigang@ipp.ac.cn。

黄懿赟（1974-），男，博士，研究员，研究方向：聚变工程辅助加热电源技术，E-mail：yyhuang@ipp.ac.cn。

傅鹏（1962-），男，博士，研究员，研究方向：聚变工程电力电子和开关技术，E-mail：fupeng@ipp.ac.cn。

张健（1979-），男，博士，副研究员，研究方向：聚变工程辅助加热电源技术，E-mail：zhangj@ipp.ac.cn。

郭斐（1988-），男，硕士，工程师，研究方向：聚变工程辅助加热电源技术，E-mail：guofei@ipp.ac.cn。

孙浩章（1986-），男，本科，工程师，研究方向：聚变工程辅助加热电源技术，E-mail：guofei@ipp.ac.cn。

2015-11-17

国家磁约束核聚变能发展研究专项资助项目（2009GB102004）

Project Supported by the National Magnetic Confinement Fusion Energy Development Research Special Project（2009GB 102004）