降温通电试验操作手册.docx
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降温通电试验操作手册
目录
一实验目的和具体内容
二总体实验步骤
三外杜瓦抽真空
1准备和检查
2充气捡漏、粗抽捡漏
3启动涡轮分子泵机组
4启动低温泵
5决策——是否降温
四降温
1降温部件
2降温前提条件
3降温过程及控制
4决策——是否通电
五通电和磁场位形测量
1室温通电
2低温（超导态）通电
2.1必要条件
2.2TF磁体通电
2.3PF磁体通电
2.4TF—PF联合放电
3其他通电及测量（？
）
六装置回温
1停止抽气
2缓慢升温
3充干燥氮气
4开真空
5总结
七安装内部部件，准备进行第一轮正式放电
附件：
通电实验的几种典型放电波形
降温通电实验操作手册
（2005年11月29日讨论稿）
一实验目的和具体内容：
实验目的：
通过本次实验，验证主机、相关分系统及关键部件设计及研制的正确
性、可靠程度和安全性；验证各种安全保护系统的可靠性，为正式运行及国家验收奠定可靠的基础；为今后安全运行和进一步实验提供必要的实验数据和可供参考的运行模式；为进一步改进和完善主机安装的全部工作和子系统提供指导性意见。
实验具体内容
1完成下列系统的集成运行，在降温过程中检验各个系统的工作状况并最终实现降温。
涉及到的系统是：
1.1控制阀箱和低温传输线；
1.2电流引线和超导传输线；
1.32KW制冷机——包括制冷机、压机、回路和控制系统；
1.4内外冷屏；
1.5冷质部件支撑系统；
1.6外杜瓦及其抽真空系统；
1.7纵场磁体系统；
1.8极向场磁体系统；
1.9装置技术诊断测量系统
1.10纵场电源
1.111～2组极向场电源
1.12水冷系统
1.13部分电磁测量系统；
2获得降温过程和降温之后托卡马克装置各系统的运行数据，具体是：
2.1降温前后外杜瓦的真空度和总漏率；
2.2降温前后电流引线箱的真空度和总漏率；
2.3磁体各重要支路的流阻，压降及可控性；
2.4可以达到的磁体系统最低稳定运行温度；
2.5在上述条件下磁体系统上的温度分布；
2.6在上述条件下磁体系统的热负荷；
2.713对超导传输线、电流引线及相应接头的流阻、热负荷、接头电阻；
2.8内冷屏和外冷屏在本次实验条件下的热负荷；
2.9纵场磁体的水平和垂直位移；
3检验全部放电系统的工作状况，获得判定可否安全升级放电的重要系统性能参数，具体是：
3.1达到降温要求后所有接头电阻值；
3.2达到降温要求后每个极向场线圈系统承受xxx伏电压性能测试；
3.3达到降温要求后纵场线圈系统承受xxxx伏电压性能测试；
3.4检查所有电器部件（传输线，引线，测量线等）的绝缘性能；
3.5真空室的时间常数
3.6冷屏和纵场线圈盒绝缘隔缝的有效性；
4测量主要磁场系统的对称性及其杂散场和性质，确定装置重要工程参数，具体是：
4.1整个环向纵场：
（高斯/安培）数据；对称轴位置；赤道面位置；波纹度；（平均）水平杂散场；
4.2中心螺管线圈：
对称轴位置；赤道面位置；赤道面倾斜度
4.3每对极向场（反串联）：
对称轴位置；赤道面位置；赤道面倾斜度；
4.4在外杜瓦外围空间数个特定位置测量极向场线圈产生的磁场（？
）；
5在实验完全成功的基础上开始内部组件一期安装和最后总装，具体是：
5.1焊接所有真空室颈管；
5.2安装所有电磁测量单匝环和磁探圈；
5.3安装快控线圈；
5.4安装内置低温泵；
5.5安装定位基准系统；
5.6安装高场侧第一壁系统（支撑、热沉、管路和石墨瓦）
5.7安装活动限制器
5.8安装ICRF清洗天线；
5.9安装辉光电极；
5.10安装低场侧第一壁系统（支撑、热沉、管路和石墨瓦）
5.11安装一期偏滤器系统（支撑、热沉、管路和石墨瓦）
二总体实验步骤
1外杜瓦抽真空；
2装置降温；
3磁体通电及磁场形态测量：
3.1纵场系统通电和磁场形态测量
3.2极向场系统通电和磁场形态测量
3.3部分极向场与纵场系统联合放电
4装置回温；
5总结和安排下步工作。
三外杜瓦抽真空
1准备和检查
1.1封装外真空室前进行清洁卫生检查；
1.2封装外真空室前低温冷却管道充正压氦气检查；
1.3封装外真空室法兰密封过程进行严格质量把关；
1.4安全阀检查；
1.5完成电流引线、低温阀箱、传输线真空机组安装、调试、检漏；
1.6完成外抽机组安装和检查。
1.7人员培训。
2充气检漏、粗抽检漏
2.1充气检漏（查排外真空室大漏）：
外真空室封装完成后，关闭所有与真空室相连的阀门，对装置内部充氮气到0.115Mpa，观察所有密封法兰是否有漏气音，如有，紧固法兰排除特大漏；再用肥皂水查排大漏；此后，装置放气到0.1MPa，关闭充气阀转入下一步运行。
2.2粗抽检漏：
2.2.1准备工作：
检查水、电、动力气供给是否正常；所有真空阀门处于关状态；两液氮冷阱加满液氮；运行的2X-70机械泵（1#-6#）通冷却水；2X-70机械泵旁通蝶阀供动力气；
2.2.2启动1#、4#机械泵：
开启1#，4#两只机械泵旁通蝶阀，开启主抽管下部分子泵机组旁边F-150高真空旁通阀，开启分子泵机组每台分子泵出气口手动蝶阀；用控制柜手动操作模式启动1#、4#机械泵。
缓慢部分打开冷阱顶部手动F-150高真空阀。
冷阱顶部手动F-150高真空阀的开启程度以使机械泵顶部的真空压力表始终保持在低于20000Pa；若表压过高泵出气口会喷油，过低抽气效率太低；
2.2.3观察：
抽外真空启动后要有专人在装置周围和上下观察和听声，判断有无异常现象发生。
如有异常应停止抽气。
如无转入下一步运行。
2.2.4启动其余机械泵：
1#、4#机械泵运行稳定后，参照上述B程序分别开启相应的旁通蝶阀，启动2#、5#，3#、6#机械泵，6台机械泵同时抽气，继续调节冷阱顶部手动F-150高真空阀开启程度，压力表始终保持低于20000Pa；运行过程中随时观察和补充冷阱液氮；做好电子版和手写记录；如果装置没有大漏，维持机械泵抽气过程（约3-5天）将装置抽到低于1000Pa。
2.2.5启动罗茨泵：
压力低于1000Pa时，ZJ-600罗茨泵（1#-6#）通冷却水；进出气口蝶阀供动力气。
关闭1#机械泵旁通蝶阀，开启1#机组罗茨泵进出气口蝶阀（在机械泵与罗茨泵之间，罗茨泵与Ø250汇集管之间），启动1#罗茨泵。
以此类推，启动2-6#罗茨泵。
2.2.6粗检漏：
如装置无大漏，维持罗茨泵抽气（约2-3天）使装置抽到10-1Pa量级；开启检漏仪节流阀和差分质谱仪节流阀，监测检漏。
用氦气喷吹外真空室密封法兰、焊缝，排除大漏。
3启动分子泵机组：
当外真空室抽到好的10-1Pa量级时，4台F-1500分子泵通冷却水并依次启动分子泵；当F-1500分子泵完成加速转为正常运行时，关闭主抽管下部分子泵机组旁边F-150高真空旁通阀，依次开启各分子泵顶部Ø250超高真空阀门。
记录阀门开启前后真空度的变化。
如果装置没有大漏，维持分子泵机组抽气（约3-5天）使装置抽到10-2Pa量级。
用检漏仪和差分质谱仪继续对外真空室所有焊缝和密封法兰仔细检漏。
同时依次为各低温冷却管路通氦，记录当时的室温，真空度，检漏仪输出数值。
4启动低温泵：
外真空室抽到好的10-2Pa量级时，SHI-APD低温泵通冷却水，启动低温泵。
当低温泵温度降温到位（12K）后，开启低温泵顶部Ø400超高真空阀门。
记录阀门开启前后真空度的变化。
注意实时再生。
5开始降温的判据：
5.1当外真空室达到好的10-2Pa量级，可以为装置通冷气降温。
刚开始降温时，实时准确记录冷质部件温度，真空度，检漏仪输出数值。
5.2如果总漏率低于5×10-7Pa·m3/s（or10-8Pa·m3/s），且真空度越来越好，可以继续降温。
整个降温过程中真空值班人员密切注意漏率的变化，维护真空机组正常运行。
四降温
1降温部件（系统）:
低温传输线，冷屏，支撑，磁体，线圈盒，超导传输线和超导引线；
2降温前提条件：
2.1所有真空室系统（外真空室，超导传输线及电流引线箱和控制筏箱）的真空度均要达到好的10-2Pa量级；
2.2整个制冷机系统已成功进行了预调试运行并证明：
制冷机，控制和控制筏箱系统均能按设计要求正常运行。
2.3用俄罗斯纯化器对将使用的工作气体进行纯化使投入2KW制冷机闭路系统内氦气纯度达到：
H2O≤7ppm；O+N+CH≤3ppm；Oil≤10ppb；
3降温过程及其控制
3.1室温吹除：
3.1.1目的：
（1）用纯净氦气吹除冷却管路内的杂质；
（2）在增加吹除气体压力的过程中检测系统在室温条件下不同管内压力时的漏率；
3.1.2过程：
3.1.2.1对控制阀箱和装置所有管路系统抽真空到≤10Pa
3.1.2.2通过分配阀箱阀门的控制，用纯净氦气依次分别对冷屏系
统；TF磁体系统；TF线圈盒系统；PF磁体系统；超导
传输线共5个子系统进行阶梯升压吹除（压力为1bar，5bar，10bar，15bar，最高不得超过16bar）：
3.1.2.3在每一个压力平顶段测量并纪录上述5个被测子系统的漏率；
3.1.2.4确认：
所有子系统总漏率满足要求，整个
总漏率≤5×10-7Pa·m3/s（or10-8Pa·m3/s？
）；
在线测量全系统总出口气体纯度达到：
H2O≤7ppm；
O+N+CH≤3ppm；
Oil≤10ppb；
则：
系统可以开始降温
3.2降温顺序：
低温传输线，冷屏，支撑，磁体，线圈盒同时开始冷却；
适当时候开始冷却超导传输线；电流引线在开始通电实验前冷却；
3.3降温目标:
3.3.1冷屏温度稳定达到≤70~80K
3.3.2磁体温度稳定达到≤4.2K~5.5K
3.3.3常规电流引线下端温度≤5.5K
3.3.4高温超导电流引线下端温度≤5.5K；上端温度≤70~80K；
3.3.5开启油环泵，探索将磁体温度降温到3.8K温区的可能性
3.4降温过程中的关键控制和检查：
3.4.1真空度是否越变越好，否则进行外漏和内漏（内部管路）检查。
如果真空度在降温过程中的任何时刻出现较快变坏，应暂停降温，进行分析；
3.4.2每四小时测量和纪录装置的总漏率，纪录的内容应包括：
磁体、冷屏进出口压力及温度，装置真空度及其测量位置；
3.4.3通过控制阀箱内的阀门，调节重要支路液氦和冷氦气的流量，使所有部件均匀降温。
要求在任何时候磁体上的最大温度差被控制在≤50K和冷屏上的最大温度差被控制在≤30K直到降温到稳定均匀的目标工作温度。
为此，要求随时提供所有温度数据，特别是磁体和冷屏上的温度测量数据，
3.4.4根据4.3.3的要求,磁体上进出口温差最好应≤40K；冷屏上进出口温差最好应≤20~30K；
3.4.5在降温初始阶段（70K前）要求（建议）冷盘的温度比磁体的温度超前10K
3.5降温过程中其他重要数据的采集：
3.5.1每一可测冷却回路的流量、压降和出入口温度。
用这些数据分别计算出内冷屏、外冷屏、整个冷屏系统、各磁体系统、超导传输（包括电流引线）系统在未放电状态下的热负荷
3.5.2绝缘：
每一线圈和引线的对地及端部绝缘（每天检测并纪录）；
3.5.3短路：
所有绝缘隔缝有效性检查在极向场通电时进行：
3.5.4接地：
内外真空室，控制阀箱，冷屏系统，纵场线圈盒系统（每天检测并纪录）
3.5.5应力；纵场支撑系统
3.5.6位移；纵场线圈盒水平和垂直位移（每天检测并纪录）；
3.5.7降温到达稳定工作温度后各LN2槽，LHe槽和LHe过冷槽液面及温度测量；
4决策——是否通电
五通电和磁场位形测量
1室温通电：
1.1目的：
通过测量确定磁体室温安装对称性和室温条件下各绝缘隔缝的有效性
1.2TF磁体通电：
由于TF磁体由16线圈组成，电感2.91525H，室温电阻2.24Ω，（现有的电源电压不能使TF磁体达到预期的电流及磁场值（因此是否通电待讨论？
）
电源最大输出电压
TF最大电流
最高场
中心场
20V（TF电源）
9A
36.5Gauss
22Gauss
700V（PF电源）
312.5A
1267Gauss
765Gauss
2000V（电机）
893A
3622Gauss
2186Gauss
1.3PF磁体通电：
1.3.1在I＜2000A和在较短时间内（秒量级）快速励磁的条件下，测量每对极向场磁体的磁轴位置、环向和上下对称性（由此确定室温下的安装误差）
1.3.2在中心螺管线圈上通I＜2000A的快速励磁条件下测量所有绝缘隔缝有效性
2低温（超导状态）通电
2.1必要条件：
2.1.1开启SHe循环泵；
2.1.2磁体温度必须≤5.5K；
磁体各并联支路流量≥（0.8～1）g/秒并能稳定；
2.1.3外杜瓦和电流引线箱真空必须≤好的10-4Pa并稳定，
总体漏率≤5×10-7Pa·m3/s（or10-8Pa·m3/s？
）；
2.1.4电流引线，超导传输线的冷却流体参数（压力、流量）和温
度应稳定运行在设计值；
2.1.5各LN2槽，LHe槽和LHe过冷槽液面控制在60%；
2.1.6各线圈、传输线和引线经复测绝缘状况良好；
2.1.7电源及其控制系统稳定可靠工作；
2.1.8各失超保护系统（包括低温失超保护阀门）、开关、移能电阻均能
可靠运行。
2.2通电实验的基本要求
2.2.1对纵场系统：
进行磁场对称性和水平杂散场测量；
实现≥1000秒的低参数、中等参数和一期额定参数（争取）的稳定放电，
要求在各种放电时系统不失超而且励磁和退磁均以
≤（5~6）A/S的缓慢速度进行，以确保在各可能的部件上只产生极小的涡流及相应的电动力；
2.2.2极向场系统：
主要进行磁场对称性和水平杂散场测量；
在上述测量的过程中进行绝缘隔缝有效性测量；
要求在各种放电时系统绝对不失超，励磁电流≤5000A且励磁速度只要能满足测量要求即可，不必太快
2.3TF磁体通电
2.3.1TF磁体性能：
由16线圈组成，电感2.91525H，最大输出电压20V，要求励磁的速度≤（5~6）A/S
2.3.2调节放电—T（I）。
为调节失超保护桥路平衡而进行的2-3次放电，电流的升降速度和幅值由失超保护组确定；
2.3.3测量放电—T（II）。
测量所有可能测量的接头电阻。
电流以阶梯状上升，比如在4kA、8kA、10kA、12kA各停留300S，同时观察磁体、超导传输线、电流引线等力学状况、热工-水力参数等。
进行装置的电磁测量。
放电波形和最高放电参数以及放电次数均由电磁测量组确定。
要求测出：
对称轴位置、波纹度、赤道面、大环半径、水平杂散场
2.3.4正式放电—T（III）。
模拟和探索未来各种正式放电模式：
放电脉冲长度：
50-100-200-300-500-600-800-1000秒
中心磁场强度：
0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5T
基本放电波形：
慢励磁——保持平顶——慢退磁（不失超）
基本要求：
磁体、接头、传输线和引线均处于均匀深冷
状态，放电时慢励磁，确保不失超
2.4PF磁体通电
2.4.1PF磁体系统：
装置共有14个PF磁体，其中PF7和PF9、PF8和PF10串联供电，因此总共有12对电流引线。
在本轮实验中可提供2组极向场电源。
每个磁体的电流升降速度、最大励磁电流根据各分系统及装置本身的状态而定。
PF快速磁体通电时应特别关注相关部分的热工-水力性能的变化。
2.4.2调节放电—P（I）。
为调节失超保护桥路平衡而进行的2-3次放电，电流的升降速度和幅值由失超保护组确定；
2.4.2.1P（I-1）：
每一个极向场放电时为调节失超保护桥路平衡而进行的2-3次放电，电流的升降速度和幅值由失超保护组确定
2.4.2.2P（I-2）：
二个极向场放电时为调节失超保护桥路平衡而进行的2-3次放电，电流的升降速度和幅值由失超保护组确定
2.4.3测量放电—P（II）。
2.4.3.1P（II-1）：
全部中心锣管串联（反串联）通电I＜5000A，电流波形及幅值根据测量磁场对称性（磁轴位置、环向和上下对称性）的要求由测量组决定；
2.4.3.2P（II-2）：
上下偏滤器线圈串联（反串联）通电，I＜5000A，电流波形及幅值根据测量磁场对称性（磁轴位置、环向和上下对称性）的要求由测量组决定；
2.4.3.3P（II-3）：
大线圈11，12串联（反串联）通电，I＜5000A，电流波形及幅值根据测量磁场对称性（磁轴位置、环向和上下对称性）的要求由测量组决定
2.4.3.4P（II-4）：
大线圈13，14串联（反串联）通电，I＜5000A，电流波形及幅值根据测量磁场对称性（磁轴位置、环向和上下对称性）的要求由测量组决定；
2.4.4绝缘隔缝有效性的测量放电
在上述放电过程中进行所有绝缘隔缝有效性的测量；
2.5纵场磁体和1~2组极向场联合放电
2.5.1调节放电—TP（I）：
为调节失超保护桥路平衡而进行的2-3次放电，电流的升降速度和幅值由失超保护组确定
2.5.2正式测量调节放电—TP（II）：
纵场稳定在中等场强，1～２组极向场在I＜5000A条件下进行联合放电，检验和调节失超保护系统
3其他通电实验及测量（？
）
六装置回温：
（降温到位，通电实验结束后）
1停止抽气：
先关闭分子泵和低温泵顶部超高真空阀门；关闭电离真空计，只
留薄膜计和真空压力表工作；停分子泵和低温泵，半小时后停罗茨泵、机械泵。
2缓慢升温：
由低温系统将各冷质部件加热升温到80K（250K？
）；
3充干燥氮气：
装置停止抽气，部件升温到80K后装置先充少量室温纯氮气。
加氮气的量要保证升温速度不高于每小时3度，最后一次补充氮气，真空室压力应在0.8atm左右，确保随着温度回升，真空室压力不超过1atm。
约7-10天装置将可回到室温。
4开真空室：
装置所充氮气稳定至大气压时，可打开真空室。
5总结：
5.1要求对上述回温过程中系统的热工水力数据进行全面监测；
5.2对降温通电实验进行全面总结；
5.3做出总装是继续进行还是需要打开外真空室甚至打开外杜瓦的决定。
如果结论是总装继续进行，则：
七安装内部部件，准备进行第一轮正式放电。
安装内部部件具体内容和顺序是：
1焊接所有真空室颈管；
2安装定位基准系统；
3安装所有电磁测量单匝环和磁探圈；
4安装快控线圈；
5安装内置低温泵；
6安装高场侧第一壁系统（支撑、热沉、管路和石墨瓦）
7安装活动限制器
8安装ICRF清洗天线；
9安装辉光电极；
10安装低场侧第一壁系统（支撑、热沉、管路和石墨瓦）
11安装一期偏滤器系统（支撑、热沉、管路和石墨瓦）
附件：
通电实验的几种典型放电波形
基本要求：
不因过快的励（退）磁速度使任何极向场磁体系统通电时在外杜瓦
内的任何地方引发放电，因此也不容许通电的极向场系统失超；
要尽量避免纵场磁体系统发生失超，特别是进行较高和高参数通电
时的失超。
对纵场：
（沿用”手册”中使用的编号顺序）
2.3.1调节放电—T（I）。
为调节失超保护桥路平衡而进行的2-3次放电，电流的升降速度和幅值由失超保护组确定；
2.3.2测量放电—T（II）。
测量所有可能测量的接头电阻。
电流以阶梯状上升，比如在4kA、8kA、10kA、12kA各停留300S，同时观察磁体、超导传输线、电流引线等力学状况、热工-水力参数等。
进行装置的电磁测量。
放电波形和最高放电参数以及放电次数均由电磁测量组确定。
要求测出：
对称轴位置、波纹度、赤道面、大环半径、水平杂散场
2.3.3正式放电—T（III）。
模拟和探索未来各种正式放电模式：
放电脉冲长度：
50-100-200-300-500-600-800-1000秒
中心磁场强度：
0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5T
基本放电波形：
慢励磁——保持平顶——慢退磁（不失超）
基本要求：
磁体、接头、传输线和引线均处于均匀深冷
状态，放电时慢励磁，确保不失超
对极向场：
2.4.2调节放电—P（I）:
2.4.2.1P（I-1）每一个极向场放电时为调节失超保护桥路平衡而进行的2-3次放电，电流的升降速度和幅值由失超保护组确
2.4.2.2P（I-2）二个极向场放电时为调节失超保护桥路平衡而进行的2-3次放电，电流的升降速度和幅值由失超保护组确定
2.4.3测量放电—P（II）:
2.4.3.1P（II-1）全部中心锣管串联（或分成二组反串联）通电I＜5000A，电流波形及幅值根据测量磁场对称性（磁轴位置、环向和上下对称性）的要求由测量组决定；
2.4.3.2P（II-2）上下偏滤器线圈串联（反串联）通电，I＜5000A，电流波形及幅值根据测量磁场对称性（磁轴位置、环向和上下对称性）的要求由测量组决定；
2.4.3.3P（II-3）大线圈11，12串联（反串联）通电，I＜5000A，电流波形及幅值根据测量磁场对称性（磁轴位置、环向和上下对称性）的要求由测量组决定
2.4.3.4P（II-4）大线圈13，14串联（反串联）通电，I＜5000A，电流波形及幅值根据测量磁场对称性（磁轴位置、环向和上下对称性）的要求由测量组决定；
2.4.4绝缘隔缝有效性的测量放电:
在上述放电过程中进行所有绝缘隔缝有效性的测量；
纵场磁体和1~2组极向场联合放电
2.5.1调节放电—TP（I）：
为调节失超保护桥路平衡而进行的2-3次放电，电流的升降速度和幅值由失超保护组确定
2.5.2正式测量调节放电—TP（II）：
纵场稳定在中等场强，1～２组极向场在I＜5000A条件下进行联合放电，检验和调节失超保护系统
根据上述要求在这次降温通电实验中可归纳出下述几种典型放电波形：
一、T（I）,P（I），TP（I）——所有失超保护系统调节放电：
I
t
2000A~3000A
5A~6A/秒
10~20S
二、T（II）,P（II）——所有磁场位形测量，极向场接头电阻测量,绝缘隔缝有效性和真空室时间常数测量的典型放电：
I
2000A~5000A
5A~6A/秒
t
1.5～１ｓ
三、T（III）—纵场模拟正式放电
14300A
12300A
10200A
8200A
6130A
4100A
2050A
I
t
5A~6A/秒
1000S
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