Studie über das transiente elektrische Verhalten der aktuellen ITER Spulenkonstruktion zur Bestimmung von Testspannung und Testverfahren
ITER ist ein experimenteller Tokamak Fusionsreaktor, in dem die kontrollierte Kernfusion gezündet und aufrechterhalten wird. Einschluß und Regelung des Plasmas erfolgen hierbei mit supraleitenden Magneten. Vom "ITER International Team" wird als wahrscheinlichste Ursache für einen Ausfall eines Großmagneten ein Isolationsfehler angesehen. Aufgrund der schwierigen Austauschbedingungen für Toroidalfeldspulen (TF) im ITER Magnetsystem und der verschiedenen Probleme, die sich während der Tests der ITER Modellspulen gezeigt hatten, sind für die ITER Magnete Verbesserungen in unterschiedlichen Bereichen der Hochspannungstechnik erforderlich.
Besonders wichtig ist die Berücksichtigung des transienten elektrischen Verhaltens, da schnelle Spannungsänderungen (z. B. Blitz- und Schaltstoßspannungen) nichtlineare Spannungsverteilungen und Resonanzen in Spulen erzeugen können. Derartige Hochspannungsbeanspruchungen können örtliche Überlastungen und Zerstörungen am Isolationssystem verursachen.
Dieser Bericht zeigt für die Schnellentladung und zwei Fehlerfälle die Berechnungen der Spannungen an den Spulenenden im ITER TF System sowie die Spannungsbelastungen der 3 Arten elektrischer Isolierung (Erd-, Radialplatten- und Leiterisolation) innerhalb einer ITER TF Einzelspule.
Für eine ITER TF Einzelspule wird das elektrische Ersatzschaltbild erstellt. Hierzu werden die internen Induktivitäten und Kapazitäten sowie die Erdkapazitäten bestimmt. Mit FEM-Berechnungen werden Skin- und Proximity-Effekt sowie die von Wirbelströmen in den Radialplatten verursachten Dämpfungen ermittelt. Ein weiteres Netzwerkmodell wird für das aus 18 TF Einzelspulen und 9 Schnellentladeeinheiten bestehende ITER TF System erstellt.
Das Ergebnis einer niedrigeren Resonanzfrequenz für die TF Spule als für die TF Modellspule kann auf die größeren Abmessungen der TF Spule zurückgeführt werden. Für die Schnellentladung ergibt sich für alle 3 Isolierungsarten eine nichtlineare Spannungsbelastung, die im Falle eines Erdschlusses verstärkt wird. Zur Sicherstellung eines zuverlässigen Betriebes für die vorgesehene Einsatzdauer von ITER muß die Festlegung der Testspannungen somit unter Berücksichtigung von Spannungsbelastungen erfolgen, die bei Schnellentladungen und realistischen Fehlerfällen auftreten können. Ausgehend von den berechneten Spannungsbelastungen und den Erfahrungen, die während dem ITER Modellspulentest gemacht wurden, werden Vorschläge für Testverfahren diskutiert und verschiedene Abnahmekriterien vorgeschlagen. Als Ergänzung werden Sicherheitsempfehlungen vorgestellt, die der Verhinderung unzulässiger Belastungen während der Tests dienen
