ITER电流引线绝缘隔断电性能分析与实验研究

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ITER电流引线绝缘隔断在超导线圈电势和低温传输线电势之间提供绝缘,绝缘隔断在运行过程中承受1-3bar氦气压力和几十kV的高电压。为保证其在ITER装置中的安全运行,需要开展电性能分析与实验研究。  本文以合成的增韧剂对环氧树脂体系进行改性,制备适用于ITER电流引线绝缘隔断的聚合物基体,研究了固化剂种类及增韧剂含量对树脂的力学和抗辐照性能的影响。采用流体动力学模型和PIC-MCC碰撞模型研究了绝缘隔断空间的电场分布,并分析氮气杂质、压强、氦气流量等因素对电场的影响;然后借助ANSYS模型对绝缘隔断的界面电场进行预测,且分析了地屏的位置对电场分布影响;最后通过对研制的绝缘隔断的电性能分析测试,对上述理论分析与预测进行验证。  计算分析和实验研究结果如下:1)新合成的增韧剂提高了环氧树脂体系在低温下的断裂韧性和冲击强度,两者在增韧剂含量为30%时均取得最大值,断裂韧性值从2.13MPam1/2提高到2.5MPam1/2,冲击强度值从12.8kJ/m2提高到19.7kJ/m2。2) PIC-MCC碰撞模型仿真模拟绝缘隔断在氦气介质下正离子和负离子的运动过程,氮气杂质浓度越高气体的击穿电压越低,氦气的起始放电电压随着压力的增大而增加,流阻和温差随氦气流量的增大而增大。3)ANSYS分析结果显示绝缘隔断玻璃钢、氦气和空气部分在4kV电压下的最大电场强度分别为156.87V/mm、73.08V/mm和82.28V/mm,低于相应的击穿强度3kV/mm、300V/mm和3.5kV/mm,分析结果说明绝缘隔断在4kV下电性能良好。4)绝缘隔断在8kV电压下氦气、玻璃钢、空气各部分在外表面直接缠绕地屏下的最大场强分别为352.52V/mm、2.58kV/mm、1.35kV/mm,相同电压各部分在地屏距离距外表面100mm下的最大场强分别155.53V/mm、356.03V/mm、231.89V/mm,说明地屏外移优化了绝缘隔断的电场分布。5)绝缘隔断直流高电压测试的漏电流值均小于5μA,所有交流高电压测试的漏电流值均小于30μA,满足ITER技术要求。  模拟分析和实验结果都证明绝缘隔断具有良好的电绝缘性能,为绝缘子在ITER装置中的长期安全运行提供可靠的保障。
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