ИТЭР: коммутирующее оборудование

    Как метко выразился один человек, «В проекте ИТЭР, если в зале стоит табуретка, то седушка у нее обязательно из гафния со внутренними каналами охлаждения, а ножки из сплава тантала, причем одну везут из Японии, а три других — из США». Этот проект словно создан для того, что бы любое оборудование было рекордным и поражающим воображение.

    image
    Электрическая разводка системы электропитания магнитов ИТЭР, включая коммутационное оборудование.

    Сегодня — небольшой рассказ о системах, которые будут быстро подключать и отключать сверхпроводящие катушки ИТЭР и об очередной инженерной сложности, тем более, что в марте месяце прошли квалификационные испытания устройств, выполняющих эту задачу.

    Для начала — немножко об электрике магнитной системы ИТЭР. Международный токамак будет иметь 48 сверхпроводящих магнитов, а именно:

    • 18 тороидальных катушек (TF), электрически соединенных последовательно, однако имеющих одно устройство быстрого сброса энергии (FDU) на кажду пару катушек
    • 6 модулей центрального соленоида (CS), подключенных независимо
    • 6 полоидальных катушек (PF), подключенных независимо
    • 9 пар корректирующих катушек (CС), подключенных независимо


    image
    Схема магнитной системы ИТЭР

    Как можно догадаться, независимое подключение нужно для создания разного тока (=напряженности магнитного поля) в разных катушках с целью управления плазмой (ее положением, формой, током и т.п.). Управление током осуществляется двумя способами: во-первых набором мощнейших выпрямителей (десятки мегаватт, в сумме порядка 250), которые плавно создают и изменяют ток в катушках, а во вторых короткой вставкой резистора (разумеется, мегарезистороров общей мощностью в 2,5 гигаватта(!), это же ИТЭР) в цепь катушки, что бы изъять из нее часть энергии.

    image
    Чуть более подробная схема подключения магнитов ИТЭР к источникам питания

    Операции вставки резистора — классический способ запуска токамаков. При этом резкое изменение поля в полоидальных катушках и центральном соленоиде создает вихревое электрическое поле, которое пробивает плазму и наводит в ней кольцевой ток, который является частью системы удержания плазмы.

    image
    Один модуль резисторной сборки ИТЭР — стальной с воздушным охлаждением, мощностью 2 мегаватта

    За введение резисторов в цепи катушек и отвечает сегодняшний герой — SNU (Switching Network Unit), который и испытывали в НИИЭФА в марте 2017 (ну и кому интереснее, подробнее про систему электропитания магнитов ИТЭР). Всего в ИТЭР будет установлено 8 SNU (на CS и катушки PF1 и PF6).

    Основная сложность в создании SNU — это токи до 60 килоампер и большая индуктивность коммутируемых катушек, которая приводит к появлению напряжения в 8,5 киловольт в момент разрыва контактов. Учитывая еще крайне низкое сопротивление цепей, в выключателе получается загоревшаяся с током 60 кА дуга, которая мгновенно приводит его в негодное состояние. А нам нужен ресурс выключателя в 30 тысяч выключений.

    Тупик? Нет, мы же может все сделать гораздо сложнее!

    image

    Это схема SNU. К сожалению, приходится разбираться в многочисленных аббревиатурах, но попробуем: Итак, SNR — это те самые резисторы, которые вставляются в цепь катушки, вначале они параллельны цепи, через которую течет ток от выпрямителя к катушке, образованной размыкателями FOS и FDS. Внизу расположен тиристорный контрпульсный модуль TCB, выполненный из двух одинаковых цепей TH1, TH2, а параллельно FOS и FDS — замыкатели FMS и аварийный пирозамыкатель EPMS.

    image
    SNU на яву — красный и синий цилиндры — это FOS и FDS, а снизу виднеются ящики TH1, TH2 и пневмоавтоматики.

    Уфф. Наверное понятнее будет, если объяснить, как это работает:

    Итак, изначально ток течет через замкнутые FOS и FDS.

    1. Сначала замыкается RMS, подключающий резистор SNR в параллель — однако поскольку сопротивление основной цепи тока сильно меньше, ничего не происходит.
    2. Далее пневматикой за время меньше 5 мс размыкается FOS, и на первое время ток перекладывается на 0,25 мс на окружающие его тиристоры Т (это нужно для недопущения дуги).
    3. Одновременно срабатывает тиристорный ключ TH1, разряжая конденсатор С1 через точку соединения L1 и FDS, и приводя к обнулению тока через тиристоры Т и FDS.
    4. Весь ток через устройство перекладывается на тиристорную группу TH1, позволяя открыть FDS, который нужен для изоляции тиристоров FOS от напряжения 8,5 кВ, которое появится в момент перекладывания тока на экстрактирующий энергию резистор SNR.
    5. После разрядки С1 и открытия FDS нужно закрыть TH1 — для этого используется вторая цепочка С2 — TH2 (а диод D1 нужен, соответственно, что бы закоротить C1).
    6. После этого ток катушки потечет через резистор SNR, создав нужный скачок напряжения.

    Надеюсь, это было понятно :) Одной из ключевых особенностей этого переключателя являются сверхбыстродействующие пневматические размыкатели и замыкатели (FOS, FDS, FMS) — работающие примерно в 10 раз быстрее, чем обычные выключатели элекрических сетей.

    image
    image
    FOS, FMS и FDS в моделях и живьем. Радует довольно качественное исполнение этих приборов.

    Вместе с прототипом серийного SNU испытывалась его система управления (пост про организацию системы управления оборудования ИТЭР в целом), как понятно, здесь не обойтись двумя кнопками или тумблером (это же ИТЭР), а схема управления состоит аж из 2-х модульных ПЛК и нескольких коммутаторов.

    image

    Забавно, что несколько лет назад схожее устройство было разработано концерном ABB совершенно для других целей — для отсечения ветвей высоковольтных ЛЭП постоянного тока. Хотя в hybrid switch от ABB проблематика несколько другая (очень высокое напряжение при умеренном токе), его разработка подавалась как революция в области решений по передаче энергии с помощью ЛЭП постоянного тока.
    Поделиться публикацией
    Ой, у вас баннер убежал!

    Ну. И что?
    Реклама
    Комментарии 16
    • 0
      В проекте ИТЭР, если в зале стоит табуретка, то седушка у нее обязательно из гафния со внутренними каналами охлаждения, а ножки из сплава тантала, причем одну везут из Японии, а три других — из США
      Ожидал увидеть табуретку в статье. У них же есть табуретка из гафния?
      • 0

        Нет, гафнивой табуретки нет, увы. Но некая страсть к инженерному порно просматривается.

        • +5
          Прелестно выглядит фотография, подписанная как «Один модуль резисторной сборки ИТЭР — стальной с воздушным охлаждением, мощностью 2 мегаватта», на которой помимо модуля изображены висящие бытовые удлинители, последовательно воткнутые.
          • +3

            Там еще провод за нижним обрезом кадра видимо скручен и советская обстановка на заднем плане — такова действительность наших НИИ (конкретно Росатомовского НИИЭФА).


            Но тут есть такой вопрос. Картинка непрезентабельная — но такая действительность. Есть неиллюзорный риск, что именно из-за внешней убогости, которая не нравится начальству скоро мы не будем видеть и таких картинок, а работа будет описываться исключительно победными пресс-релизами.

            • +4
              А Вы ожидали увидеть, как минимум, удлинители сверхпроводящие?
            • 0
              Интересно почему в качестве полевого протокола выбран Modbus TCP/RTU. Он же не предназначен для работы там, где нужна быстрая реакция, т. к. нужно тупо максимально быстро и всегда делать запросы, чтобы словить изменение значения сигнала. Или в данном случае он этим не занимается?
              • 0

                На уровне 0.1 мс, думается, модбасом синхронность обеспечить можно. Кроме того, возможно тут внутренняя синхронность аппаратная, а модбасом только отдается команда.

                • 0
                  А какую роль играет S7-300?
                  • +2

                    Это штатный вариант связи любой подсистемы ИТЭР с общей системой управления — контроллер SIMATIC S7 с неким набором предустановленных интерфейсов.

                • 0
                  Мне почему-то кажется там нет особо частого и резкого изменения тока в данных цепях. При таких температурах ударные нагрузки наверняка противопоказаны катушкам, из за высокой хрупкости.
                  • +2

                    Раз в полчаса надо вставить и вынуть резистор в цепь.

                  • +1
                    Обычно, для наиболее быстрой реакции используют «встречную запись» — HMI пишет в ПЛК, ПЛК пишет в HMI. Как физический уровень, Ethernet наиболее удобен в такой схеме. Он позволяет через одно физическое соединение гонять сколько угодно (ну, до 65535) логических. Скорость передачи гораздо выше, чем у конкурентов. Да и совокупность простоты и надежности тоже на уровне. Если передача значения привязана к изменению этого значения, то скорость реакции ограничивается только временем доставки пакета.
                  • 0
                    скорость реакции ограничивается только временем доставки пакета.

                    И как раз оно очень не одинаково от пакета к пакету. Более того доставка пакета вообще не гарантируется. UDP — тому пример. Можно, конечно сделать это поверх, как в TCP, но это все время… Канал то широкий, но задержки слишком велики. Как мне кажется Ethernet не подходит для АСУ ТП из-за отсутствия гарантированного времени доставки. Эту проблему можно свести к минимуму, но в критичных системах, где требуется гарантированное время реакции, использование Ethernet должно ограничиваться мониторингом и диспетчеризацией. В приложениях, где важна надежность передачи данных и стабильные задержки должны применяться иные технологии.
                  • 0

                    Покинул НИИЭФА весьма давно (МИТ), рад, что в соседних НТЦ жизнь есть, работа продолжается. "Синтез" этим занимается?
                    Спасибо за статьи!

                    • 0

                      "Синтез" точно занимается частью задач НИИЭФА по ИТЭР, но вроде как не коммутационным оборудованием. Но это не точно.

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое