(高清版)GBT 39226-2020 磁约束聚变大电流变流系统集成测试要求

磁约束聚变大电流变流系统集成测试要求国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I 12规范性引用文件 1 14集成测试的要求 3 5附录A(资料性附录)十二脉波、四象限运行变流器单元的结构示意图 ⅢGB/T39226—2020本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本标准由全国核能标准化技术委员会(SAC/TC58)提出并归口。1GB/T39226—2020磁约束聚变大电流变流系统集成测试要求1范围本标准规定了磁约束聚变大电流变流系统集成的测试项目、测试条件、测试方法/流程及合格判定准则。本标准适用于使用晶闸管的大于10kA的磁约束聚变大电流变流系统的集成测试。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T2900.33—2004电工术语电力电子技术GB/T3859.1—2013半导体变流器通用要求和电网换相变流器第1-1部分：基本要求规范GB/T3859.3—2013半导体变流器通用要求和电网换相变流器第1-3部分：变压器和电抗器GB/T12325电能质量供电电压偏差GB/T12326电能质量电压波动和闪变GB/T14549电能质量公用电网谐波GB/T15543电能质量三相电压不平衡3术语和定义GB/T2900.33—2004界定的以及下列术语和定义适用于本文件。为了便于使用，以下重复列出了GB/T2900.33—2004中的一些术语和定义。磁约束聚变magneticconfinementfusion利用强磁场将高温度和高密度等离子体约束足够长的时间而产生的核聚变反应。3.2交流/直流变流器a.c./d.c.converter用于整流或逆变，或既可以整流也可以逆变的电力电子变流器。3.3半导体变流器semiconductorconverter使用半导体阀器件的电力电子变流器。[GB/T2900.33—2004,定义551-12-42]3.4集成测试integratedtest对由半导体变流器、整流变压器、直流开关和控制器等部件组成的一个完整的变流系统进行的性能测试。GB/T39226—20203.5使用半导体阀器件的电力电子变流器。以变流器的实际输出电流为反馈信号和参考电流相比较，对差值电流进行放大，使用放大的结果来控制变流器的触发角，以使输出电流跟踪参考电流的控制方式。3.6电压阶跃voltagestep电压值从一个值跳变到另一个值。3.7桥臂bridgearm连接直流端子。3.8使擎住阀器件或由其构成的臂实现开通的控制动作。[GB/T2900.33—2004,定义551-16-61]3.9触发延迟角triggerdelayangle[GB/T2900.33—2004,定义551-16-33]3.10[GB/T2900.33—2004,定义551-16-59]3.11在一个基本周期内，在桥臂之间对称而不是同时发生的直接或非直接的换相次数为6。3.12十二脉波twelvepulse在一个基本周期内，在桥臂之间对称而不是同时发生的直接或非直接的换相次数为12。3.13半导体开关semiconductorswitch使用半导体阀器件的电力电子开关。[GB/T2900.33—2004,定义551-13-05]3.143.15[GB/T2900.33—2004,定义551-12-38]23GB/T39226—20203.16四象限变流器four-quadrantconverter一种交流/直流变流器或直流变流器，与电流方向和电压方向均可改变相联系，直流功率的流动有两个可能的方向。[GB/T2900.33—2004,定义551-12-36]3.17六脉波变流桥sixpulseconverterbridge输出电压为六脉波的三相全控桥式变流器。注：此处变流器的定义仅适用于本标准。3.18电压响应voltageresponse在外加阶跃电压作用的激励下，变流器输出电压对激励信号的响应。3.19环流运行circulatingcurrentoperation在四象限运行的变流器单元中，一个正向变流桥和一个反向变流桥同时运行，在维持负载电流的同时，在变流器单元内部形成回路，以利于负载电流在零点附近能够平滑过渡。3.20单桥运行singlebridgeoperation在多桥系统中，仅一个变流桥投入运行，其余变流桥被3.21并联运行paralleloperation两个或两个以上变流桥的输出端以并联方式连接，运行时各变流桥等额分担负载电流。两个变流桥并联运行时，输出电流之差的绝对值与输出电流的平均值之比。3.23容许偏差tolerance测量值与规定值之间的允许差值与规定值之比。3.24均流系数currentsharingcoefficient各并联半导体器件承载的平均电流之和的平均值与所有并联半导体器件中承担电流最大的器件承载的平均电流之比。4集成测试的要求4.1.1测试应在与实际运行条件等效的电气条件下进行。如果测试条件不具备，对应的组件和设备应在证实满足规定性能的条件下进行。4.1.2除非另有协议约定，交流供电电压和测试电压应为工频电压。4.1.3变流系统的子系统或其组成部件应在集成前通过符合性测试。4.1.4测试电压、测试电流和触发角的容许偏差不超过表1的规定值。4.1.5磁约束聚变大电流变流系统通常采用模块化结构。四象限变流系统通常采用十二脉波、四象限变流器单元为基本模块，其结构示意图如图A.1所示。在四象限变流器单元中，输出电流与参考电流4GB/T39226—2020方向一致的变流桥为正向变流桥，输出电流与参考电流方向相反的变流桥为反向变流桥。参数最大容许偏差电流直流电压触发角4.2测试条件测试推荐在以下条件下进行：b)相对湿度：45%～75%,或最高以不出现凝露为准；磁约束聚变大电流变流系统集成测试的供电电网要求如下：——供电电网容量应足以提供被测大电流变流系统输出的额定电流和额定带载电压；—系统漏抗应满足变流器各种运行模式的需求；——交流输出电压应满足被测磁约束聚变大电流变流系统交流输入电压范围的要求；——供电电压正、负偏差绝对值之和应符合GB/T12325的规定；——电压的波动和闪变应符合GB/T12326的规定；——总谐波畸变率应符合GB/T14549的规定；——供电电压的三相不平衡度应符合GB/T15543的规定。基于磁约束聚变大电流变流系统负载的特殊性，用于集成测试的负载应是能够模拟被测变流系统注：无外接负载的空载测试除外，其实际测试负载是电阻。表2规定了集成测试包含的所有测试项目。根据用户提供的参数，分析变流系统在各种运行模式下的触发角范围、输出电压能力以及电流纹波。基于分析结果提出各种运行模式的测试要求，规定5GB/T39226—2020表2测试项目一览表序号试验项目四象限变流器单变流器章条号1外观检查★★2绝缘电阻测量★★3控制器测试★★4无外接负载的空载测试★★5轻载测试★★6六脉波变流桥全电流测试★★7电压响应测试8环流运行测试★9并联运行测试△△四象限运行测试★额定电流测试★★外旁通保护测试温升测试目仅存在并联结构的变流系统要求进行；标示“—”的项目是不要求的测试项目。5测试方法及流程5.1外观检查依次目视检查变流系统各组成部件的外观。依照接线图检查变流系统的回路连接。5.1.2合格判定准则如果检查结果满足以下条件，则认为外观检查合格：a)变流系统各组成部件表面均清洁无污物、且没有裂痕和变形；b)各组成部件之间连接正确。5.2绝缘电阻测量GB/T3859.1—2013中7.2.3.1适用，并补充如下内容：用至少500V的兆欧表测量变流系统主回路与地之间的绝缘电阻。测试时，应断开接地电阻器(如有)。5.2.2合格判定准则如果测量结果满足以下条件，则认为绝缘电阻测量合格：6GB/T39226—2020a)电压UM/√2不超过1000V时，绝缘电阻不得小于1MQ;b)电压UM/√2超过1000V时，绝缘电阻应大于1000Ω/V。b)触发信号与同步信号之间的时间差换算成电角度。测试方法及流程如下：b)选择环流运行模式(如有),运行控制程序，记录各变流器的脉冲指示灯和c)选择正向并联运行模式(如有),运行控制程序，记录各变流器的脉冲指示灯和脉冲封锁指d)选择反向并联运行模式(如有),运行控制程序，记录各变流器的脉冲指示灯和脉冲封锁指示灯。b)环流运行模式(如有),仅参与环流运行的正向变流桥和反向变流桥的脉冲指示灯亮，不参与环流运行的变流器脉冲被封锁；c)正向并联运行模式(如有),正向变流桥的脉冲指示灯亮，反向变流桥的脉冲被封锁；d)反向并联运行模式(如有),反向变流桥的脉冲指示灯亮，正向变流桥的脉冲被封锁。在变流系统的设备状态输入端模拟输入数字信号，确认控制器监控界面的状态显示与各设备的实际状态一致。测试流程如下：a)依次在变流系统各设备状态输入端模拟输入数字信号；b)记录控制器监控界面上对应设备的状态显示；c)改变设备输入状态，记录控制器监控界面上对应设备的75.3.3.2合格判定准则如果测试结果满足以下条件，则认为脉冲封锁测试合格：a)设备状态显示应与其输入状态一致；b)设备状态显示应随着设备输入状态的改变而改变。5.3.4模拟故障测试5.3.4.1测试方法及流程在变流系统的故障信号输入端，模拟输入故障信号，变流系统应对各种故障做出正确响应，响应方式依据技术要求。测试流程如下：a)在故障信号输入端，模拟输入故障信号，其中信号包括：水温、水压、水流量、整流变压器瓦斯状态、整流变压器压力释放状态、变流桥快熔状态、外旁通状态等；b)记录状态显示界面中对应故障显示灯是否与输入信号匹配，故障时，对应状态显示红灯，正常时，对应状态显示绿灯；c)运行控制程序，拔掉控制器的通信网线，记录系统是否报通信故障；d)运行控制程序，在过电压信号输入端模拟输入过电压信号，记录系统是否过电压报警；e)运行控制程序，在过电流信号输入端模拟输入过电流信号，记录系统是否过电流报警。5.3.4.2合格判定准则如果测试结果满足以下条件，则认为模拟故障测试合格：a)对于水系统故障、整流变压器瓦斯故障、整流变压器压力释放故障、变流桥快熔故障、外旁通故障，状态显示灯红色表示故障，绿色表示正常；b)在控制程序运行过程中，拔掉控制器的通信网线，系统应报通信故障；c)系统运行中，发生过电压信号时，系统应过电压报警；d)系统运行中，发生过电流信号时，系统应过电流报警。5.3.5网络通信测试5.3.5.1测试方法及流程当变流系统的控制器与其他系统之间有通信时，应对变流系统的控制器进行通信测试。在建立通信关系的两个系统之间发送和接收数据，利用发送的数据包数量和接收的数据包数量计算数据丢包率，利用发送数据包的时间与接收到数据包的时间计算接收延迟。测试流程如下：a)在控制程序中，从数据发送方以1kHz的发包率发送数据包，连续运行控制程序。b)以固定的统计周期(如3600s),统计数据发送方发送的数据包数量和数据接收方接收到的数据包数量，同时统计数据发送方发送数据的时间和数据接收方接收到数据的时间。c)利用式(1)计算数据丢包率。式中：N,——数据丢包率；发送的数据包数量；……8GB/T39226—2020N,——接收的数据包数量。d)计算接收延迟，即数据接收方接收到数据的时间与数据发送方发送数据的时间之差。数据丢失率和接收延迟应在规定的限值范围内，除非另有协议，测试结果应满足以下条件，认为网络通信测试合格：a)数据丢失率应小于1/10⁶;b)接收延迟应小于1ms。5.4无外接负载的空载测试无外接负载的空载测试是后续测试的前提，其测试方法及流程如下：a)被测变流系统接入额定输入电压；c)记录变流桥输出电压。5.4.2合格判定准则如果测试结果满足以下条件，则认为空载测试合格：a)变流桥输出电压应为六脉波；b)空载测试的实际负载是大电阻，变流桥输出电压与触发角之间应满足式(2)关系。式中：Ua——变流桥输出电压的平均值；U₂——变流桥交流输入电压的线电压有效值；α——变流桥的触发角。5.5轻载测试轻载测试是后续测试的前提，采用外接的感性假负载。轻载测试方法及流程如下：a)确认空载测试合格。b)采用开环控制，变流桥以固定触发角运行，测试电流不超过变流桥额定电流的10%。运行结束查看变流桥输出电压波形，确认变流桥、监控系统、测量设备和采集系统应在开环控制下运行正常。c)采用闭环控制，对变流桥进行轻载测试，测试电流不超过变流桥额定电流的1/3。运行结束查看变流桥输出电压和电流波形，确认变流桥在闭环控制下运行是否正常。如果试验结果满足以下条件，则认为轻载测试合格：a)在开环控制下，变流桥输出六脉波，不能有换相失败或任何故障报警现象；b)在闭环控制下，变流桥输出六脉波，不能有换相失败或任何故障报警现象，且输出电流能够跟踪预设电流波形。除非另有协议，输出电流与预设电流的偏差不超过预设电流的3%。GB/T39226—20205.6六脉波变流桥全电流测试5.6.1测试方法六脉波变流桥全电流测试宜在额定交流电压下进行。若无法满足额定交流输入电压条件，则输入电压应保障变流桥可以输出额定连续直流电流。半导体器件并联连接时，由于各器件正向电压或通态电压的差异、开通时间的差异和触发延迟角的差异，可能引起其承载的电流分配不均衡。对于桥臂中使用并联半导体器件的变流桥，应检查额定电流下各桥臂的均流系数。并联半导体器件的均流系数按式(3)计算。式中：…… ———各并联半导体器件承载的平均电流之和； ———np——并联半导体器件的数量；IM———所有并联半导体器件中，承担电流最大的半导体器件承载的平均电流。5.6.2测试流程测试流程如下：a)确认空载测试和轻载测试均合格。b)采用电流闭环控制，对变流桥进行半额定电流测试。运行结束查看变流桥输出电压和电流波形，确认变流桥及其辅助设备运行是否正常。c)对于桥臂中使用并联半导体器件的变流桥，计算半额定电流下的桥臂均流系数。d)采用电流闭环控制，对变流桥进行全电流测试，测试电流为被测变流桥额定电流。运行结束查看变流桥输出电压和电流波形，确认变流桥能否在额定电流下正常运行。e)对于桥臂中使用并联半导体器件的变流桥，计算额定电流下的桥臂均流系数。5.6.3合格判定准则如果试验结果满足以下条件，则认为六脉波变流桥全电流测试合格：a)测试过程中，不出现任何故障报警现象；b)变流桥输出六脉波，没有换相失败现象；c)变流桥输出电流能够跟踪预设电流波形，除非另有协议，输出电流与预设电流的偏差不超过预d)均流系数不低于设计要求值。5.7电压响应测试5.7.1测试方法采用电压开环控制，给变流桥施加对称的阶跃电压控制信号，检测变流桥对阶跃电压信号的响应速度。阶跃电压的幅值以及电压响应时间限值由技术条件规定。对于额定电流的电压响应测试，可先采用电流闭环控制，变流桥电流达预设稳态后，再转换成电压开环控制，使负载电流达到额定值，从而实现额定电流的电压响应测试。9GB/T39226—2020如果变流桥在对称的全电压范围内的电压响应时间满足设计要求，则认为电压响应测试合格。5.8环流运行测试环流运行测试的方法及流程如下：a)确认空载测试和轻载测试均合格。b)稳态环流测试：1)采用电流闭环控制，为变流系统预设图1所示的电流波形，检测变流系统的稳态环流运行；2)运行结束应查看变流系统的输出电流波形。若输出电流大于0,则反向变流桥输出电流应为环流，正向变流桥提供负载电流和环流；若输出电流小于0,则正向变流桥输出电流为环流，反向变流桥提供负载电流和环流；若输出电流等于0,则正向变流桥和反向变流桥的输出电流相等，在变流系统内部形成环流回路。负载电流在零点附近应平滑过渡。说明：t₁~t₁——对应四个变流器桥的输出电流。图1稳态环流测试的预设电流波形c)固定触发角的动态环流测试：1)固定一个变流桥的触发角，根据环流控制算法调节另一个变流桥的触发角，以检测变流系统在固定触发角下的环流运行特性；的环流值都应满足规定的设计要求。d)电压阶跃的动态环流测试：1)一个变流桥按照预设的阶跃电压运行，根据环流控制算法调节另一个变流桥的输出电压，以检测变流系统在电压阶跃过程中的动态环流特性；2)运行结束应查看各变流桥输出电流和电压波形。在电压突变的过程，环流控制不能失控。如果测试结果满足以下条件，则认为环流运行测试合格：a)输出负载电流与预设电流偏差应在±3%范围内，电流纹波应不超过5%;b)在稳态环流过程中，环流值及环流纹波应满足设计要求；GB/T39226—2020c)变流系统在不同触发角下输出的环流值和环流纹波均应满足设计要求；d)在电压突变的动态环流运行中，环流控制不能失控，即环流值不能为0;e)负载电流在零点附近应能够平滑过渡，不能出现控制死区。5.9并联运行测试并联运行测试的方法及流程如下：a)确认空载测试和轻载测试均合格。b)稳态并联测试：1)采用电流闭环控制，为变流系统预设图2所示的电流波形，进行并联运行试验，检测变流系统的稳态并联运行特性；2)从并联运行的最小电流开始测试，按照电流增加的顺序依次对变流系统进行稳态并联测试，直到测试电流达到变流系统的额定电流。每次测试电流的增加幅值不超过额定电流c)固定触发角的动态并联测试：1)固定一个变流桥的触发角，根据并联控制算法调节另一个与其并联变流桥的触发角，以检测变流系统在固定触发角下的并联运行特性；不均衡度应在规定的限值范围内。a)正向变流桥b)反向变流桥图2稳态并联运行的预设电流波形d)电压阶跃的动态并联测试：1)一个变流桥按照预设的阶跃电压运行，根据并联控制算法调节另一个与其并联变流桥的输出电压，以检测变流系统在电压阶跃过程中的动态环流特性；2)运行结束应查看各变流桥输出电流和电压波形，在电压突变的过程，并联控制不能失控。如果测试结果满足以下条件，则认为并联运行测试合格：a)在稳态并联运行中，变流系统的输出电流应能够跟踪预设电流，各变流桥输出电压均为六脉波，并联变流桥共同承担负载电流，并联变流桥的电流不均衡度应在规定的限值范围内。除非另有协议，并联变流桥的电流不均衡度不超过10%。GB/T39226—2020b)变流系统在不同触发角下并联运行时，各变流桥均输出六脉波，并联变流桥输出电流的不均衡度应在规定的限值范围内。c)在电压突变的动态并联运行中，变流桥不能出现换相失败或任何其他故障报警现象。5.10四象限运行测试四象限运行测试的方法及流程如下：a)确认六脉波桥全电流测试、环流运行测试和并联运行测试均合格。b)半额定电流的四象限运行测试：1)采用电流闭环控制，预设图3波形①所示的电流波形，对变流系统进行半额定电流的四象限运行测试。2)运行结束查看变流系统的输出电流和电压波形，确认变流系统在半额定电流下的环流运3)测试电流提高到额定电流的60%,继续四象限运行测试。c)60%额定电流的四象限运行测试：1)采用电流闭环控制，预设图3波形②所示的电流波形，对变流系统进行四象限运行测试。2)若变流系统在60%额定电流下的四象限运行正常，则测试电流提高到额定电流的80%、d)80%额定电流的四象限运行测试：1)采用电流闭环控制，预设图3波形③所示的电流波形，对变流系统进行四象限运行测试。2)若变流系统在80%额定电流下的四象限运行正常，则测试电流提高到额定电流、继续测Idn——额定电流；t₁~t6——时间。图3四象限运行测试的预设电流波形e)采用电流闭环控制，预设图3波形④所示的电流波形，对变流系统进行额定电流的四象限运行测试。5.10.2合格判定准则如果测试结果满足以下条件，则认为四象限运行测试合格：a)变流系统及其辅助设备应能够在额定电流下进行四象限运行，不能出现换相失败或其他故障报警现象；b)在环流运行阶段，负载电流在过零处应平滑过渡，不能出现零电流的控制死区，环流值以及环流纹波应满足设计要求；c)在单桥运行阶段，变流系统输出六脉波，输出电流应跟踪预设电流波形，其偏差不超过±3%;d)在并联运行阶段，变流系统输出十二脉波，并联变流桥的电流不均衡度应在规定的限值范围内(除非另有协议，并联变流桥的电流不均衡度不超过10%)。5.11额定电流测试5.11.1测试方法及流程额定电流测试的方法及流程如下：a)正向变流桥的额定电流测试：1)采用电流闭环控制，为变流系统预设图4a)所示的电流波形，进行正向变流桥的额定电流2)当电流达到额定值且稳定之后，每隔一定时间间隔(如15min),检测正向变流桥的关键部位是否产生局部过热现象(温度超过表3规定的限值),如果有局部过热现象，则立即终止测试；3)如果正向变流桥在其额定电流下正常运行达1h,可结束测试。b)反向变流桥的额定电流测试：1)采用电流闭环控制，为变流系统预设图4b)所示的电流波形，进行反向变流桥的额定电流测试；2)当电流达到额定值且稳定之后，每隔一定时间间隔(如15min),检测反向变流桥的关键部位是否产生局部过热现象(温度超过表3规定的限值),如果有局部过热现象，则立即终3)如果反向变流桥在其额定电流下正常运行达1h,可结束测试。a)正向变流桥b)反向变流桥说明：Id——额定电流；t₁——电流上升到额定电流的时间。图4额定电流测试的预设电流波形GB/T39226—2020表3局部过热的温度限值铝排铜排如果测试结果满足以下条件，则认为变流系统额定电流测试合格：a)测试中，变流系统及其辅助设备应在额定电流下正常运行，不能出现换相失败或其他故障报警b)测试中，变流系统的所有电气设备及其连接均不能产生局部过热现象；c)额定电流运行阶段，并联变流桥(如有)的电流不均衡度应不超过10%。5.12外旁通保护测试5.12.1测试方法及流程应在额定交流输入电压和额定直流输出电流的条件下验证外旁通为负载电流提供续流回路的能力。外旁通保护测试方法及流程如下：a)交流输入电压调至额定值；b)采用电流闭环控制，为变流系统预设电流波形如图4所示，变流系统按照给定的电流波形c)当测试电流达到额定值且稳定之后，变流桥由整流模式转为逆变模式，并触发外旁通，负载电流由变流桥向外旁通转移；d)如果外旁通以脉冲方式工作，则外旁通耐受负载电流时间达到要求后，应设法将外旁通电流降到零。注：外旁通承载负载电流的时间由设计要求确定。5.12.2合格判定准则如果测试结果满足以下条件，则认为外旁通保护测试合格：a)测试过程中，变流系统不应出现换相失败或其他任何故障报警现象；b)外旁通一旦被