论文部分内容阅读
随着社会经济的高速发展,能源问题显得越来越突出,新能源成为全球能源转型的必然选择。核聚变能是一种清洁(无核污染)、用之不竭的新能源,国际热核聚变实验堆(ITER)计划就是人类为探索核聚变能和平利用的国际大科学工程。ITER磁体电源系统包括脉冲功率电网(PPEN)和稳态功率电网(SSEN)两部分。PPEN变压器作为脉冲功率电网的主设备之一,是保障其它电气设备安全运行的第一道屏障,是确保电网供电安全的关键设备。PPEN变压器电磁设计的合理性、绝缘材料选择和绝缘结构设计的合理性将直接关系到其运行性能。为此,本文主要研究PPEN变压器电磁特性、绝缘特性和热学性能的计算模型,提出其电气绝缘与热学性能的计算方法,以确保其可以满足脉冲负载的电压耐受需求以及ITER核聚变装置实现等离子体反应的电流和电压需求。论文针对PPEN变压器的负荷特性及使用条件,建立了铁心和绕组的电磁计算模型,推导了 PPEN变压器的空载损耗及负载损耗的计算方法;基于仿真软件MagNet,提出了采用有限元法对PPEN变压器中的漏磁场进行建模与仿真的方法,得到了变压器的漏磁密分布情况,验证了 PPEN变压器结构设计及电磁分布的合理性。论文基于PPEN变压器主绝缘结构特点,提出了采用有限元法,运用ELECTRO电场计算软件对主绝缘的电场分布进行建模与仿真,得到了主绝缘的电场分布情况,根据仿真结果分析了主绝缘的绝缘裕度,论证了主绝缘的绝缘设计满足标准要求。论文基于PPEN变压器绕组纵绝缘的结构特点,提出了通过在内屏蔽连续式的高压绕组内部布置电容线匝的方式来降低绕组的冲击电压;提出了利用BB-XCX001B电压分布计算软件,建立绕组纵绝缘的等值电路模型,对其波过程进行计算分析,并根据计算结果分析了变压器高压绕组及其磁屏蔽的波过程及绝缘薄弱点。论文基于ANSYS仿真软件,建立了 PPEN变压器二维稳态温度场-流体场的数学和物理模型,采用有限元法对变压器的二维温度场进行仿真,得到变压器的温度场及绕组热点位置;采用安德森热点计算公式对绕组热点进行了详细计算,得到了绕组的热点温升;通过在绕组热点位置(预测值)布置光纤探针直接测量了绕组热点温度;对比分析了温度场仿真、热点计算数据和光纤探针测量结果,验证了仿真及计算结果。论文分析了变压器进行绝缘和温升试验的必要性,按照IEC60076.3:2013标准及PPEN变压器技术规范书要求,对PPEN变压器分别进行外施耐压试验、感应耐压试验、局部放电试验、雷电冲击试验、操作冲击试验。试验结果表明此PPEN变压器整体结构具有足够的绝缘强度;按照IEC 60076-2-2011标准要求及PPEN变压器技术规范书要求,对PPEN变压器进行了温升试验,试验结果验证了变压器的温升性能满足标准要求。本文的研究内容及成果,不仅对确保ITER PPEN变压器满足ITER核聚变装置的安全运行具有指导意义,而且对我国未来开展国内核聚变反应堆配套的脉冲电网变压器的自主设计及研制具有参考价值。