基于east空心电抗器的瞬变强磁场的磁屏蔽电磁分析及设计-张程.docx

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1、单位代码： 10359 密级： 公开 学 号： 2014110396 分类号： TM153 Hefei University of Technology 硕士学位论文 MASTERS DISSERTATION 论文题目： 基于 EAST空心电抗器的瞬变强磁场 的磁屏蔽电磁分析及设计 学位类别： _ 学 历硕士 _ 专业名称： 电工理论与新技术 作者姓名： _ 张 g _ 导师姓名： _ 鲍晓华教授 _ 完成时间： _ 2017年 4月 _ 万方数据 合肥工业大学 H_n_ni Y3194683 学位硕士学位论文 基于 EAST空心电抗器的瞬变强磁场的磁 屏蔽电磁分析与设计 作者姓名： _ 张程

2、 指导教师： 鲍晓华 教授 学科专业： 电工理论与新技术 研究方向： 电磁兼容与电磁屏蔽 2017年 4月 万方数据 A Dissertation Submitted for the Degree of Master Electromagnetism Analysis And Design Of Magnetic Shielding Of Transient High Intensity Magnetic Field Based on the Air-core Reactor Of EAST By Zhang Cheng Hefei University of Technology Hefei

3、, Anhui, P.R.China April, 2017 万方数据 合 肥 工 业 大 学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业 大学学历硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名 ） 主席：中科院合肥物质研宄院研究员 委员：合肥工业大学教授 iM、 合肥工业大学副教授 合肥工业 大 学 副 教 授 含 j名冰 合肥工业大学副教授 导师：合肥工业大学教授 学位论文独创性声明 本人郑重声明 t所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研究工作所 取得的成果 “ 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含

4、为获得 合肥工业大学 .或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文成果做出贡献的个人和集体，本 人己在论文中作了明确的说明，并表示谢意 “ 学位论文中表达的观点纯属作者本人观点，与合肥工业大学无关 . 学位论文作者签名： 签名日期 ： 年 令 月 AQ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大举 有关保留、使用学位论文的规定 , 即 8除保密期内的涉密学位论文外，学校有权保存并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子光盘，允许论文被査阅或借阅。太人桴 fe合肥 T #士盎 W 以将本学位论文的全都或部分内容编入有关数据库，允许采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、

5、汇编学位论文 . (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位论文作者签名 ： H 指导教师签名： 签名日期： 年 4 月 2日 签 名 日 期 ： 年 炉 月 曰 论文作者毕业去向 工作单位： 联系电话： E-mail: 通讯地址； 邮政编码 : 致谢 转眼间，三年工大研宄生阶段求学时光匆匆而过，又到了毕业的时候，又到 了重新审视自己的时候。重新步入社会，接受更多更大的挑战，蓦然回首，百感 交集。 感谢鲍晓华教授三年来对我无微不至的关怀，是您一直鼓舞我，给我坚持下 去的勇气。学生基础薄弱，工作两年重返校园投靠鲍老师师门之下。在鲍老师的 精心指导之下，通过理论学习和具体科研项目相结合的方式，

6、我逐渐培养起科研 工作应有的思维方式和分析方法。同时，我也更加真切的体会到科研工作过程中 严谨求实的精神内核，这些都让我受益匪浅，受益终生。 感谢项目单位中国科学院合肥物 质研究院等离子体研究所的各位老师和同学。 感谢二室的高格、盛志才、吴义兵老师以及宋德勇博士在项目中给出的建议和支 持，在此，向二室的全体人员致以真挚的谢意！ 感谢安徽省一鸣新材料科技有限公司给予项目的巨大支持！感谢聂刚、谢峰 两位老师的提供的优质产品，你们自强不息的精神将会一直鼓舞着我！感谢合肥 工业大学材料学院苏勇老师提供的工程材料选型建议，感谢东南大学电磁兼容实 验室周忠元老师、李鹏博士以及刘吴翰硕士等人给予的实验支持。

7、在此表示由衷 的感谢！ 感谢实验室的全体兄弟姐妹，与各位有缘相聚的三年同窗时光我将永远铭记 在心。他们是狄冲、汪朗、胡云鹏、陈垒、周洋、王春雨、吴长江、陈远洋、 方金龙、徐威、李泽成等。特别感谢课题组胡云鹏同学，正是与你不断的深 入讨论，才使得项目取得顺利的进展！ 最后，深深感谢我的父母、岳父母和妻子！感谢父母的养育之恩，感谢 你们对我求学的不断支持，感谢岳父母的理解和包容，感谢妻子的默默关怀。 正是你们的关心和支持使我能够在学校专心完成学业，感谢你们！ 祝愿所有关心和帮助过我的人身体健康，生活幸福！ 作者：张程 2017年 4月 万方数据 摘要 EAST (Experimental Adva

8、nced Superconducting Tokamak)装置是我国自行研发 的全超导托克马克装置。它的目标就是研究近堆芯等离子体稳态先进运行模式科 学和工程问题。内真空线圈快控电源系统是 EAST电源系统的重要组成部分，其 作用是通过检测等离子的运行情况，向内真空线圈中通入数千安培快速而强大的 电流以保证等离子体快速稳定的运行。实际工程中，使用并联多路输出的方式以 满足对等离子体控制的功率和响应速度的双重要求，但数千安培的瞬变强励磁电 流带来了较为严重的电磁问题。当用于均流的空心电抗器通入强电流后，产生的 强磁场一方面造成周边柜体的发热，另一方面也对周边的其他电气设备造成潜在 威胁。因此，有

9、必要对这种低频非正弦强磁场环境采取屏蔽措施。 本课题基于 EAST快控电源的均流空心电抗器开展研宄工作。通过有限元仿 真，提出了分析非正弦瞬变强磁场造成的涡流损耗问题，并综合磁屏蔽原理，提 出了三种磁屏蔽方式，对之进行涡流损耗、屏蔽效能以及电感变化等电磁问题分 析，通过比较，选出所述 磁屏蔽方法中最优的方式。进一步通过实验，对多层复 合式屏蔽方式进行优化比对，挑选出合适的工程材料型号和厚度，给出了一种有 效的柜体式屏蔽方式。本文科研成果主要体现在以下四个方面： (1) 利用有限元软件建立了空心电抗器输出柜体的计算模型，计算出对应目 标观测点的磁场强度，对输出柜体的周边磁场进行了系统的计算； (

10、2) 通过对正弦瞬变磁场的涡流损耗分析，提出非正弦瞬变磁场涡流损耗的 计算方法，并通过实验进行验证； (3) 基于磁屏蔽原理，对三种屏蔽方式的涡流损耗、屏蔽效能、电感量影响 等电磁问题进行全面分析，选定多层复合柜体式屏蔽作 为低频瞬变非正弦强磁场 的屏蔽方式，并通过实验验证多层柜体的涡流损耗与屏蔽效能情况； (4) 对工程实际中可能遇到的问题，如柜体中的长缝隙、开孔以及屏蔽门的 处理提出建议，并对柜体的通风散热方式进行优化，为后续柜体的设计提供有效 的建议。 本文通过对 EAST快控电源系统空心电抗器输出柜体磁场的系统分析，提出 了一种在低频非正弦瞬变强磁场的环境下能够有效抑制磁场影响的磁屏蔽

11、方法， 并初步设计出复合屏蔽柜体的总体结构，为最终有效解决现有柜体问题具有一定 的实用价值。 关键词 ： EAST快控电源；空心电抗器；复合被动屏蔽；磁屏蔽；电磁分析 万方数据 II ABSTRACT EAST (Experimental of Advanced Superconducting Tokamak) is a fully super-conducting Tokamak equipment which designed and developed by China. Its objective is to solve the problems of the plasma near

12、core steady state advanced operation mode. Fast control power supply system is one of the most important constituent part of EAST power system. Its action is providing thousands ampere excitation current for the internal vacuum coils to maintain the operation of plasma by detecting the movement of p

13、lasma. In practical engineering, the parallel output mode is used to satisfy the demand of response and high drive power. However, the powerful excitation current cause serious of electromagnetic problems. The output cabinet of sharing reactor have overheated and electromagnetic interference by pass

14、ing the powerM current. Therefore, it is necessary to take measures to shield the low frequency non-sinusoidal magnetic field interference. In this paper, based on the output cabinet of sharing air-core reactor of EAST fast control power supply system, this thesis makes study of electromagnetic anal

15、ysis and design of magnetic shielding. The eddy-current loss, shielding effectiveness and changing of inductance are analyzed in low frequency non-sinusoidal magnetic field. Three kinds of magnetic shielding are proposed and electromagnetic problem are analyzed. The best shielding method is chosen w

16、hich based on the above analysis. By experiment, the multilayer combination magnetic shielding method is optimized. The suitable engineering material type and thickness are selected. In this paper, the scientific research achievements are as follows: 1) Based on the FEM (Finite Element Modeling) of

17、output cabinet of air-core reactor, the calculation model of the output cabinet of the air core reactor is established and the magnetic field intensity of the corresponding observation point is calculated; 2) By the analysis of the eddy current loss of the sinusoidal transient magnetic field, the me

18、thod of calculating the eddy current loss in non-sinusoidal transient magnetic field is proposed; 3) Based on the principle of magnetic shielding, a comprehensive analysis of the electromagnetic shielding problems of three kinds of the eddy current loss, shielding effectiveness, inductance effect, s

19、hielding selected multilayer composite type cabinet shielding at low frequency transient non sinusoidal magnetic field. The eddy current loss and shielding effectiveness of multilayer cabinet are verified by experiments; 万方数据 4) To practical engineering problems, such as the proposed long gap, cabin

20、et opening and shielding door, and ventilation mode of the cabinet, are optimized to provide effective suggestions for the subsequent design of the cabinet. In this paper, a series analyzing of the output cabinet of air-core reactor of EAST power supply system is analyzed. A useful magnetic shieldin

21、g method is designed to boycott the low frequency non sinusoidal magnetic field. And the overall architecture of shielding cabinet is designed. It has certain practical value for solving the problem of the existing cabinet. KEYWORDS: EAST fast control power system; Air-care reactor; Combined passive

22、 magnetic shielding; Magnetic shielding; Electromagnetic analysis 万方数据 IV m-* 躲 . i 1.1课题研宄背景和意义 . 2 1.1. 1电磁环境和电磁干扰的危害 . 2 1- 1. 2电磁屏蔽方式 . 3 1.1.3电磁屏蔽材料 . 7 1.2项目背景 . 8 1.3本文的主要工作 . 9 第二章低压空心电抗器组全模型建模及分析 . 11 2.1项目概述 . 11 2.2三维有限元建模及简化 . 15 2. 3涡流损耗特性研究 . 16 2.4屏蔽效能特性 . 20 2. 5磁屏蔽措施对空心电抗器电感的影响 . 22

23、 第三章若干屏蔽措施分析比较 . 24 3.1 M . 24 3. 2旁路半封闭磁轭磁屏蔽 . 26 3. 2. 1柜体及磁轭的涡流损耗 . 27 3.2.2屏蔽效能 . 30 3.2. 3电感影响 . 32 3. 3端部封闭加屏蔽栅磁屏蔽 . 32 3. 3. 1柜体及磁轭的涡流损耗 . 33 3.3.2屏蔽效能 . 36 3.3. 3电感影响 . 37 3.4多层柜体屏蔽方式 . 38 3. 4. 1复合柜体的涡流损耗 . .39 3.4.2屏蔽效能 . 42 3.5本章小结 . 45 3. 5. 1工程实践可行性分析 . 45 3.5.2各类屏蔽措施比较与总结 . 45 第四章复合多层屏蔽柜体的实验及优化设计 . 48 4.1概述 . 48 4. 2复合屏蔽体的工程选材及实验测试 . 48 v 万方数据