ITER PPEN主变压器电磁设计及其特性分析

摘要

国际热核聚变实验堆(ITER)是在建的世界上最大的托卡马克核聚变实验装置，其输电电压和配电装机容量达到400kV/1.2GVA/27GVA，其中脉冲功率电网(PPEN)是将400kV变换为66kV和22kV电压，为ITER 100路MVA级的磁体电源和微波加热系统提供专用的脉冲负荷供电和保护。ITER是脉冲工作方式;脉冲功率巨大，最大有功功率超过600MW;无功变化剧烈，最大无功功率超过900Mvar。如此复杂的工况，对组成PPEN的设备是前所未有的考验，尤其是PPEN最核心的设备-主变压器，其设计有别于常规电力变压器，这也是PPEN项目的最大难点之一。本文对PPEN主变压器的设计进行了详细的分析和研究，最终保障了设备的制造、试验和交付。具有创新和成果如下:
　　论文针对ITER脉冲功率负荷运行特性，深入进行了变压器电磁分析，完成了变压器方案设计及工程设计;针对ITER三绕组负荷供电特点及其负荷平衡要求，进行功率潮流分析，提出了在低压绕组侧内置串联了一个电感值为2.72mH的电抗器，解决了三绕组无功不平衡的问题。并通过解析计算和仿真分析对变压器空载损耗、负载损耗和温升进行了分析，最终成功研制变压器，试验数据验证了变压器设计方案的正确性。
　　论文从动稳定性和热稳定性两个方面深入分析了PPEN主变压器短路故障。详细计算各种短路电流值，并利用变压器漏磁场分析专用软件BB-XCX008A对短路故障时漏磁场进行了分析和计算，结合短路电流和漏磁密求取PPEN主变压器的轴向电动力和辐向电动力和短路时绕组导体的温度值。最终验证该PPEN变压器具有承受短路故障的能力。
　　论文对PPEN主变压器的绝缘水平进行了详细的研究和分析。基于二维电场有限元分析软件ELECTRO对PPEN主变压器的绝缘结构建立模型和详细的仿真分析，对电场云分布图及绝缘安全裕度进行计算和确认，依据IEC 60076.3:2013完成了PPEN主变压器出厂试验中的绝缘试验项目，验证了变压器绝缘结构设计的正确性和可靠性。
　　PPEN三台主变压器于2016-2017年分别完成所有的制造、试验和交付，各项制造和试验指标均达到了IEC标准和IO的技术要求。

目录

声明

摘要

1．1．1 能源需求

1．1．2 ITER计划

1．1．3 ITER电源系统

1．2 论文选题依据

1．2．1 ITER脉冲功率电网采购包

1．2．2 国内外Tokamak配电系统发展情况

1．3 论文研究意义及主要内容

1．3．1 论文研究意义

1．3．2 论文主要内容

1．4 本章小结

第2章 PPEN负荷特性分析与主变压器设计要求

2．1 脉冲功率电网介绍

2．2 PPEN的负荷组成及特性分析

2．2．1 磁体电源变流器

2．2．2 辅助加热系统

2．2．3 负荷特性分析

2．3 PPEN变压器的设计要求

2．3．1 变压器主要参数

2．3．2 电压和频率波动范围

2．3．3 谐波含量

2．4 本章小结

第3章 PPEN主变压器电磁设计

3．1 变压器电磁设计简介

3．1．1 变压器电磁设计的任务

3．1．2 变压器电磁设计的步骤

3．2 PPEN主变压器铁芯和绕组的设计

3．3 PPEN主变压器短路阻抗的计算

3．3．1 短路阻抗的计算原理与方法

3．3．2 短路阻抗的计算结果

3．4 短路阻抗的匹配设计

3．4．1 短路阻抗匹配设计方案

3．4．2 短路阻抗匹配设计方案验证

3．5 PPEN主变压器损耗的计算

3．5．1 空载损耗的计算

3．5．2 空载电流的计算

3．5．3 负载损耗的计算

3．5．4 损耗计算的验证

3．6 PPEN主变压器温升的计算

3．6．1 温升的计算原理与方法

3．6．2 温升的计算结果

3．6．3 温升计算的验证

3．6 本章小结

第4章 PPEN变压器抗短路能力分析

4．1 PPEN主变压器短路电流计算

4．1．1 短路电流的计算原理

4．1．2 三相对称短路

4．1．3 单相对地短路

4．1．4 两相对地短路

4．2 PPEN主变压器漏磁场分析

4．2．1 漏磁计算原理与方法

4．2．2 仿真软件简介

4．2．3 漏磁场仿真分析

4．3 PPEN主变压器短路电动力和热稳定计算

4．3．1 短路电动力计算

4．3．2 热稳定计算

4．4 PPEN主变压器抗短路能力的校核

4．5 本章小结

第5章 PPEN变压器绝缘特性分析

5．1 变压器的绝缘概念及绝缘水平

5．1．1 变压器的绝缘概念

5．1．2 PPEN主变压器的绝缘水平

5．2 PPEN主变压器的电场计算

5．2．1 PPEN主变压器绝缘结构建模

5．2．2 PPEN主变压器电场计算结果

5．3 PPEN主变压器的绝缘试验

5．3．1 绕组直流电阻试验

5．3．2 绝缘电阻试验

5．3．3 介质损耗因数试验

5．3．4 雷电冲击试验

5．3．5 操作冲击试验

5．3．6 外施耐压试验

5．3．7 感应电压试验

5．4 本章小结

第6章 全文总结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果