تصميم الدوائر الكهربائية ثنائية القطب بنظام حماية CLIQ

الغاية من تصميم الدوائر الكهربائية ثنائية القطب بنظام حماية CLIQ

تم تضمين حماية التبريد للمغناطيسات ثنائية القطب المتكاملة فائقة التوصيل الخاصة بالمصادم الدائري المستقبلي (FCC-hh) في برنامج تطوير (16-T)، وذلك معيار الحماية المعتمد هو أن أقصى درجة حرارة للجهد الأرضي ودرجة حرارة النقطة الساخنة المطورة في ملفات المغناطيس في حالة الإخماد يجب أن تكون أقل من الحدود الآمنة.

كما يعتمد الجهد إلى الأرض على تخطيط الدائرة المستخدمة لتغذية المغناطيس، بحيث يوضح الشكل التالي (1) مخططاً مبسطاً للدائرة ثنائية القطب “لمصادم الهادرونات” الكبير (LHC) التي تضم (154) مغناطيساً ثنائي القطب على التوالي (Mk، مع k = 1 ،… ،154)، وذلك عندما يتشبع المغناطيس، كما يتم تشغيل إجهاض سريع للطاقة (FPA) لتبديد طاقة الدائرة بسرعة وأمان.

أيضاً يتم تنشيط كل من أنظمة الحماية السلبية والنشطة على مستوى الدائرة من بين الأنظمة السلبية، كما يتم توصيل صمام ثنائي الحماية بالتوازي مع كل مغناطيس لتجاوز تيار الدائرة بعد الإخماد، وفيما يتعلق بالأنظمة النشطة، يتم إيقاف تشغيل محول الطاقة (PC) ويتم تشغيل المخل الخاص به لإنشاء مسار استمرارية لتيار الدائرة. يتم فتح مفاتيح (SWEE1) و (SWEE2) لأنظمة استخراج الطاقة (EE) لإنشاء جهد مقاوم وتفريغ التيار الكهربائي.

ومن خلال مرحلة (FPA)، تُظهر الدائرة أعلى الفولتية على الأرض، وعلى وجه الخصوص يتكون أقصى انخفاض للجهد من ملفات المغناطيس إلى الأرض من مساهمتين، وذلك حسب العلاقة التالية:

حيث أن:

(Vmagnet): هي الدائرة هي انخفاض الجهد الكهربائي من ملفات المغناطيس إلى سلك تيار الإدخال الذي يربط المغناطيس ببقية الدائرة (العقد القريبة، مع k = 1  …  154 في الشكل السابق (1)).

(Vcircuit ،gnd): هو الجهد إسقاط من المدخلات إلى نقطة التأريض الكهربائي (العقدة 0 في الشكل (1))، وهي المساهمة الأولى هي توزيع الجهد الداخلي للمغناطيس، كما وتعتمد على عدم توازن الجهد الاستقرائي والمقاوم الذي يتم تطويره أثناء الإخماد، وهذا صحيح أيضاً بالنسبة للمساهمة الثانية، حيث يرجع الجهد الحثي إلى مغناطيسات أخرى متصلة بالدائرة المغناطيسية والجهد المقاوم يرجع إلى أنظمة (EE).

آلية تصميم الدوائر الكهربائية الخاصة بنظام حماية (CLIQ)

جوانب الحماية الحرجة

يعد تصميم الدوائر ثنائية القطب (FCC-hh) وحمايتها جزءاً مهماً من برنامج تطوير (16-T)، وذلك لأن الطاقة المخزنة في المغناطيس وطول القطاعات المكونة لنفق (100) كم أعلى بكثير من تلك الموجودة حالياً مسرعات، بحيث يوضح الجدول الأول التيار الاسمي والطاقة المخزنة للخيارات الأربعة التي يتم النظر فيها حاليًا للمغناطيس ثنائي القطب ومغناطيس الانحناء الرئيسي للمصادم LHC) (MB)).

كذلك المغناطيس (cos-θ)، والذي تم اختياره كتصميم ثنائي القطب (FCC-hh) الأساسي، له تيار اسمي مشابه لمغناطيس (LHC MB) ولكن ما يقرب من خمسة أضعاف الطاقة المخزنة.

في هذا الطرح ستتم مناقشة تصميم وحماية دوائر (FCC-hh)، وذلك مع الأخذ في الاعتبار معلمات خيار خط الأساس، وعند النظر أيضاً في تصميمات المغناطيس البديلة؛ فإنه يمكن تحديد مجموعتين، وهما تصميمات (cos-) و (block-coil) لها تيارات اسمية وطاقات مخزنة مماثلة، وبالتالي ينتج عنها نفس تخطيط الدائرة.

كما تحتوي خيارات الملف المشترك و (cos-) المعلقة على طاقة مخزنة أعلى، وهو عيب واضح لحماية الدائرة ومحاثة أقل، والتي تعد بدلاً من ذلك ميزة للتفريغ السريع، كما سيظهر أن تخطيط الدائرة المقترح معياري، أي أنه يمكن تكييفه بسهولة مع هذه الميزات المختلفة.

وكما هو مبين في الشكل التالي (2)، توجد مغناطيسات “ثنائية القطب” (FCC-hh) في أقواس ذات أطوال مختلفة، حيث أن القوس الرئيسي الذي يبلغ طوله (8) كم والذي يربط بين نقطتي وصول والأقواس الصغيرة التي يبلغ طولها (3.2) كم القريبة من التجارب. كما هو موضح في الجدول التالي (2)، لذلك؛ فإن عدد المغناطيسات ثنائية القطب الموجودة في القوس الرئيسي (FCC-hh).

ونظراً لطول القوس، والذي يكون أعلى بثلاث مرات تقريباً من عدد المغناطيس في قوس (LHC)، حيث أنه ذو الجانب الخاص بالحرج الثاني في تصميم دوائر (FCC-hh)، كذلك أن تخطيط (LHC) الموضح في الشكل (1) سيؤدي إلى جهد غير مقبول على الأرض عند تطبيقه على أقواس (FCC-hh) الطويلة، بحيث تم تطوير تصميم الدائرة هنا لأهم الأقواس الرئيسية، كما سيظهر أن بنية الدائرة المقترحة يمكن تطبيقها مباشرة أيضاً على الأقواس الصغيرة.

استراتيجية التصميم الخاصة بالدوائر الكهربائية

بالنظر الى إمكانية استقراء تخطيط الدائرة ثنائية القطب (LHC) الموضحة في الشكل السابق (1)، وإلى الأقواس الرئيسية (FCC-hh) وباتباع هذه الاستراتيجية؛ فإنه يتم توصيل جميع المغناطيسات الموجودة في قوس واحد في سلسلة، كما ويوجد نظامان للكهرباء في نهايات الدائرة.

لذلك تقع نقطة التأريض في منتصف نظام (EE) الأول (EE1) لتقليل الحد الأقصى للجهد الأرضي، بحيث يتم تحديد قيمة المقاومة ويكون ثابت الوقت لتفريغ الدائرة السريعة في حدود (100) ثانية، أيضاً يمكن حساب الحد الأقصى للجهد الأرضي أثناء (FPA) بسهولة على النحو التالي:

حيث أن:

(Inom ،Lmag): هما التيار الاسمي للمغناطيس والحث على التوالي.

(REE ،NEE): هما المقاومة وعدد أنظمة (EE) على التوالي.

(Nmag): هو عدد المغناطيسات في السلسلة في الدائرة.

(τ): هو وقت التفريغ الثابت، بحيث يرجع العامل (2) في الصيغة إلى التحديد المذكور أعلاه لنقطة التأريض، كما تعطي المعادلة (2) حداً أقصى للجهد الأرضي للدائرة المدروسة (7) كيلو فولت والتي تكون أعلى بكثير من (1.3) كيلو فولت.

لذلك يمكن تطبيق استراتيجيتين مختلفتين لتقليل الجهد إلى الأرض، وهما تقليل عدم توازن الجهد الاستقرائي والمقاوم، حيث أن الأول هو الحفاظ على طول الدائرة ثابتاً وزيادة عدد أنظمة (EE) التي توزعها على طول الدائرة، أي على طول نفق التسريع.

أما الطريقة الثانية هي تقليل طول الدائرة عن طريق تقسيم الدائرة الطويلة إلى عدد من الدوائر المستقلة وتجهيز كل دائرة بنظام (EE) واحد، بحيث يتم تطبيق الاستراتيجية الثانية في هذا الطرح، وذلك لأنها تؤدي إلى عدد من المزايا، بادئ ذي بدء، وهو يقلل من الطاقة المخزنة في كل دائرة، مما يحد من العواقب المحتملة لسيناريوهات الخطأ.

ثانياً يسمح لنا بوضع جميع أنظمة (EE) على جانب واحد من القوس، أي بالقرب من نقطة الوصول، وهناك أنظمة (EE) عبارة عن أجهزة ضخمة تخضع غالباً لعمليات الصيانة، كما تعمل إمكانية وضعها بالقرب من نقاط الوصول على تحسين استخدام المساحة في النفق وتبسيط صيانتها.

كما تتمثل العيوب الرئيسية لاستراتيجية التقسيم في مضاعفة التغذية الكهربائية وقضبان التوصيل (اثنان لكل دائرة) وأجهزة (PC) (واحد لكل دائرة)، بحيث يمكن التخفيف من هذه العيوب من خلال إمكانية تثبيت رابط فائق التوصيل في النفق مع الأخذ في الاعتبار أن (PC) عالية الطاقة عادة ما يكون لها هيكل معياري.