Analysis and tests on breakdown high-frequency transients on SPIDER's insulation transformer

SPIDER is the test-bed for the negative ion beam source of the ITER Heating Neutral Beam Injectors (NBI). The beam source is polarized up to - 96 kV for the beam acceleration, achieved through an electrostatic grid acceleration system. Similarly, the Ion Source and Extraction Power Supply (ISEPS) is polarized at the acceleration voltage, with an insulating transformer powering the system to ensure proper dc insulation between the primary and secondary circuits. A peculiarity of accelerator is the frequent occurrence of arc breakdowns between the acceleration grids due to the short gap required by the beam optics. These breakdowns happen due to the short gap required by the beam optics, leading to high-frequency voltage stresses on the interconnected power supply system. One component that can be subjected to high voltage stresses is ISEPS insulation transformer, in particular in its secondary circuit. After a general introduction about thermonuclear fusion and neutral beam injection systems and the NBTF project ongoing in Padua, in this thesis the breakdown transient conditions on the SPIDER insulation transformer will be analyzed, using circuital models the voltage stresses on the components will be estimated. Tests on the system at reduced medium voltage levels will be presented and the results allow to validate the model. Finally, a possible upgrade on power supply system is proposed to prevent damages and critical stress on different components during SPIDER operations.

SPIDER è l’esperimento di prova per la sorgente a ioni negativi del sistema di surriscaldamento del plasma tramite iniettore di fasci neutri (NBI) in ITER. La sorgente è polarizzata con una tensione di alimentazione fino a -96kV per accelerazione del fascio, ottenuta attraverso un sistema di accelerazione della griglia elettrostatica. Allo stesso modo, la sorgente di ioni ed il sistema di estrazione (ISEPS) sono polarizzati alla tensione di accelerazione, con un trasformatore di isolamento che alimenta il sistema per garantire un adeguato isolamento DC tra i circuiti primario e secondario. Una particolarità dell’acceleratore è la frequente comparsa di archi elettrici tra le griglie di accelerazione a causa della loro ridotta distanza geometrica necessaria per soddisfare i requisiti di ottica del fascio. Questi guasti che si verificano, portando a sollecitazioni di tensione ad alta frequenza sul sistema di alimentazione interconnesso. Un componente che può essere sottoposto a sollecitazioni ad alta tensione è il trasformatore di isolamento di ISEPS, in particolare nel suo circuito secondario. Dopo un'introduzione generale sulla fusione termonucleare e sui sistemi di riscaldamento addizionale mediante iniezione di fasci di particelle neutre e del progetto NBTF in fase di sviluppo a Padova, in questa tesi verranno analizzate le condizioni transitorie di scarica sul trasformatore di isolamento di SPIDER, utilizzando modelli circuitali verranno stimate le sollecitazioni da sovratensione sui vari componenti. Verranno presentati test effettuati sul sistema ad un livello di media tensione ridotta, e i risultati hanno consentito di validare il modello. Infine verrà proposto un possibile aggiornamento del sistema di alimentazione per prevenire danni e ridurre le critiche sollecitazioni su diversi componenti durante le operazioni sperimentali di SPIDER.