TCPSS 1011-2022 核聚变磁体电源等离子体击穿开关网络系统设计技术导则

T/CPSS1011—2022目 次前言 II112范引文件 13义术语 14统单及件和设2开网系功配置 2开网单基2基运原理 3设要求 35统单及件规范 5开网系统 5开网单元 5开网单部件 65.4其他 7附录A（资性子体穿关络元件9A.1流关9A.2关络9A.3路闸关9A.4接或9控9附录B（资性网络元荐术111开网单推术方11B.2部设推12I鏈鏈鏈鏈T/CPSS1011—2022前 言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件由中国学会提出并归口。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件主要起草人：宋执权、李华、叶玉龙、李传、张秀青、任志刚、杨晨光、彭振东、何俊佳、袁召、张明、吴翊、吴益飞、史宗谦、姚斯立、毕冬丽、张志成。本文件为首次发布。IIT/CPSS1011—2022核聚变磁体电源等离子体击穿开关网络系统设计技术导则范围本导则规定了核聚变磁体电源等离子体击穿开关网络系统的功能、设计和运行等方面的技术要求和相应的推荐技术方案。GB/T156—2017标准电压GB/T2900.20—2016电工术语高压开关设备和控制设GB/T11022—2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求GB50260电力设施抗震设计规范GB/T17626.2电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验GB/T17626.4电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验GB/T17626.5电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验GB/T17626.8电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验GB/T17626.11电容验测技压暂、时断电变化抗度验GB/T17626.16电容验测技术 0Hz～150kHz模导抗扰试验GB/T17626.18电容验测技尼振波扰试验除本章节给出的术语定义外，GB/T2900.20—2016相关标准中所界定的术语及定义同样适用于本导则。本部分列出适用于本导则的其它术语和定义。3.1磁体电源coilpowersupply3.2等离体穿关络统 switchingnetworksystemforplasmainitiation1T/CPSS1011—20223.3开关络元 Switchingnetworkunit3.4换流关件 currentcommutationswitchcomponent3.5开关络阻 switchingnetworkresistor3.6旁路闸关件 bypassmakeswitchcomponent在等离子体放电后闭合，短接开关网络电阻并形成稳态通流电路的部件。3.7仪控件 instrumentationandcontrolcomponent1等离子体开关网络单元各部件的功能参见附录A。2T/CPSS1011—2022开关网络单元电阻电阻R2开关网络电阻电阻接入开关电阻R1电缆或连接排电缆或连接排磁体电源变流器磁体负载直流母线直流母线换流开关部件合闸开关电缆或连接排电缆或连接排仪控部件旁路合闸开关部件后备合闸开关图1 开关络元成意图图2为开关网络单元各部件的基本运行时序：——T0（状态。——T0R1——T1R2R1支路和R2R1R2——T2时刻，旁路开关闭合，电流从开关网络电阻回路换流至旁路合闸开关回路。旁路合闸开关部件应配置后备合闸开关，当检测到合闸开关动作失效，立即触发后备合闸开关。换流开关部件动作

电阻接入开关动作

旁路合闸开关部件动作电流流经电流流经换流开关部件电流流经电阻R1电流流经电阻R||R1 2电流流经旁路开关通流支路T0

T2 时间图2 开关络元部的行时序4.3（Ur）额定电压等于开关网络单元所在磁体电源的最高运行直流电压。3.67.21224kV见GB/T1569)3T/CPSS1011—2022开关网络单元和部件的额定绝缘水平应满足表1要求。表1 开关络元缘平Ur额定短时工频耐受电压UdkV(有效值)额定雷电冲击耐受电压UpkV(峰值)通用值隔离断口通用值隔离断口3.6252740467.2303460701242487585246579125145注：出厂试验的相对地，相间及开关断口间采用上表的通用值。注：参见GB/T11022—2011表1。（Ir）开关网络单元各部件的额定电流是指在规定的使用和性能条件下，设备能够持续承载的电流有效值，应根据磁体电源系统直流侧的额定电流定义。开关网络单元各部件的温升应满足GB/T11022—2011表3规定。（Ik）（tk）Ik续时间tk80～100ms）。（Ua）（fa）应满足GB/T11022—20114.9和4.10规定。应满足GB/T11022—20114.11规定。（t1，t2…）（R1R2…）（t1和t2）阻值（R1和R2）开关网络单元的动作时间应含以下参数，但不限于：（tctc15。DtDt3ms。4T/CPSS1011—2022tR90%）tR不20ms。旁路开关合闸时间（tb：从旁路合闸开关接收到动作指令到最终完成动作，系统电流（大于90%tb20。GB/T11022—20112.2.1任何部件不得使用静置或正常工作时会产生有毒有害气体的材料。开关网络单元的防火设计应满足GB/T11022—20115.17的规定。开关网络单元各部件应保证金属外壳部件可靠接地，满足GB/T11022—20115.3的规定。各部件通过冷却水或支撑结构的接地漏电流不可对磁体-电源电路接地检测造成影响。本系统设计及实现过程不得妨碍核聚变装置的任何安全系统实现其功能。（。开关网络单元的设计必须满足电磁兼容设计要求。所有单元和部件须在本系统自身产生的磁场环（仪控部件应满足GB/T17626.2、GB/T17626.4、GB/T17626.5、GB/T17626.8、GB/T17626.11、GB/T17626.16和GB/T17626.18的电磁兼容测试要求。开关网络系统设计须根据磁体电源击穿放电电压要求，确定开关网络单元的数目和各单元的额定参数。开关网络各单元的运行需要在系统级进行同步。（R14.4.1.8Dt；4..1.8t）；4.4.1.8（tb）开关网络单元的设计原则为：5T/CPSS1011—2022应采用模块化的设计思路：即运行参数一致或者接近的磁体电源可以使用相同参数的开关部根据换流开关部件和旁路合闸开关部件的运行功能要求，应尽可能使用换流开关全部或者部5.1B换流开关部件设计原则为：（GB/T11022—2011第5开关网络电阻的设计原则为：（Ir）旁路合闸开关部件设计原则为：GB/T11022—20115开关网络单元各设备间连接排或电缆的设计原则为：6T/CPSS1011—2022对于大电流机械开关触头与辅助开关部件间的连接，应采用合适截面的水冷铜母排或水冷铝对于并联在开关部件两端开关网络电阻的母线连接回路，由于大功率开关网络电阻所占空间开关网络单元仪控部件的设计原则为：应设置各部件电流传感器和开关两端电压传感器，传感器信号将作为控制器判断和触发控制其他开关网络单元结构设计要求为：）开关网络单元抗震设计要求为：）GB502607T/CPSS1011—2022开关网络系统人身安全设计要求为：开关网络单元设计应分析考虑自身在运行和故障下产生的磁场环境，并结合磁场区域控制原2）表2 开关络统场制域区域磁场强度mT控制条件非控区域<10不控制进入控制区域10～200控制进入时间（<8h）禁止区域>200禁止进入8T/CPSS1011—2022附录A(规范性)等离子体击穿开关网络单元部件功能（1所。包括一系列直流母排和连接线缆，连接换流开关、开关网络电阻、旁路合闸开关及仪控部件。包括相关部件控制和保护所必须的仪表测量设备和系统，具备以下功能：9T/CPSS1011—202210T/CPSS1011—2022附录B开关网络单元推荐技术方案开关网络单元设计的推荐技术方案见表B.1。（30kA（5A6（>30（>610联（80%）（快速直流开断技术对于高电压（>6kV）/（kV。表B.1 关络元计推方案设计参数要求换流开关方案旁路合闸开关方案参考方案Ir<30kAUr<5kV稳态运行晶闸管换流+人工过零晶闸管换流开关兼具旁路合闸开关功能B.2.1.3全控电子开关全控电子换流开关兼具旁路合闸开关功能B.2.1.4全控电子开关机械开关B.2.1.430kA≤Ir≤60kA5kV≤Ur≤10kV稳态运行两级直流快速断路器+人工过零换流开关兼具旁路合闸开关功能B.2.1.250kA≤Ir≤100kA10kV<Ur≤40kV脉冲运行真空断路器+人工过零换流开关兼具旁路合闸开关功能B.2.1.1真空断路器+人工过零换流开关兼具旁路合闸开关功能B.2.1.1空气吹弧式断路器+人工过零换流开关兼具旁路合闸开关功能B.2.1.111T/CPSS1011—2022换流开关部件的关键功能为直流分断，本导则推荐以下几种不同直流开关技术方案作为换流开关部件的设计参考。B.1交流开关技术的设计或研发难点在于适用于交流开断的触头机械结构须进行研究并改进，使之适用于直流开断应用。机械通流开关交流分断开关机械通流开关交流分断开关电感 电容晶闸管机械式换流开关部件缓冲电容

缓冲电阻图B.1 流关术案应于流关理图交流开关换流回路单元的设计原则如下：SF6I2t来计算选择串并联数。如必要，可在机械开关回路串联饱和电抗器，使机械开关电流在过零前能够维持一段低di/dt的电流区间，从而改善弧后绝缘介质恢复特性，提高分断可靠性。12T/CPSS1011—2022本导则给出基于压缩气体驱动快速直流分断开关的换流开关部件参考设计。该方案采用机械开关1和开关2配合实现稳态通流和直流分断功能开关网络电阻气动开关1气动开关1气动开关2晶闸管电感电容晶闸管机械式换流开关部件缓冲电容缓冲电阻图B.2 速动关术方应于流关理图图B.2所示的技术方案设计原则为：（25ms113ms12（）。2～4B2.1.113T/CPSS1011—2022晶闸管换流开关的优点主要是关断过程无电弧产生、半导体器件使用寿命长及系统免维护时间长。半控型晶闸管换流开关方案如图B.3所示。（20kA以上）开关网络电阻机械通流开关机械通流开关晶闸管开关电感电容晶闸管晶闸管换流开关缓冲电容缓冲电阻图B.3 闸换开方案理图该换流开关参考方案采用全控型固态开关，它与机械开关和晶闸管开关换流单元采用外部电路的B.4开关网络电阻机械通流开关机械通流开关全控型换流开关部件缓冲电容

缓冲电阻 图B.4 控换开方案理图14T/CPSS1011—2022IGBTIGCT可通过设计合适的均流电感实现多并联器件的动静态均流，设计合适的阻容和压敏电阻保护图B.