核聚变能是未来理想新能源,目前开发聚变能的研究在托卡马克类型的磁约束实验装置上已取得了突破进展。中国聚变工程实验堆(CFETR)是由我国完全自主设计的一个全超导托卡马克型的实验堆,对我国未来建造原型聚变电站具有重要指导作用,并提供物理科学、工程技术上的强力支撑。中心螺管(CS)线圈是CFETR磁体系统的核心部件,它在运行时的最高磁场为12T,磁场随时间的最大变化率可以达到1.5T/s。为了发展大型超导磁体的关键工程技术,我们开展了CS模型线圈的研制,并建立一个大型低温测试平台,在CS模型线圈完成制造后,对其进行一系列的实验来研究和评估线圈的性能。电源系统作为测试平台的重要组成部分,将为线圈提供所需的测试电流,为线圈的性能测试提供条件。同时,CS模型线圈储能约407MJ,在发生失超若不能迅速释放能量,将不仅损坏超导线圈,甚至危及实验装置,对其造成严重损伤,因此失超保护系统作为电源系统的重要部分,它的设计及研制对于CS模型线圈的安全、可靠运行具有重要意义。本文首先对测试电流波形的特性进行了解析,采用现有的ITER直流测试平台整流器和PF变流器作为实验电源,设计了电源主回路拓扑结构以满足CS模型线圈大电流(47.65kA)、电流快速变化(5.96kA/s)的测试要求。针对电源的不同运行模式,提出了相应的控制策略,并搭建了 MATLAB/Simulink仿真模型对主回路进行仿真,以验证主回路设计的可行性。对主回路中开关网络单元的换流电阻等主要器件进行了参数计算。通过分析比较,采用了主开关并联熔断器的二次换流技术,克服了断路器无法对直流大电流进行直接开断的技术难点,并从理论上详细分析了开关向熔断器的一级换流过程及影响换流的因素。根据CS模型线圈的失超保护系统参数要求,进行了失超保护系统的设计,并对失超保护系统中的关键部件进行了分析、设计和实现。研制了 50kA级直流快速断路器作为失超保护开关,并介绍了它的基本结构,分析了其工作原理,并对性能进行了测试。通过理论分析和计算,确定了大功率移能电阻阻值的大小、电阻材料的选取并完成了移能电阻的结构设计和实现。完成了熔断器的参数计算、结构设计及制造,同时完成了二极管的参数计算、选型和采购。设计了安全、可靠的失超保护控制系统。重点对关键的硬件电子线路保护系统采用故障树和可靠性框图分析法对其进行了可靠性的定性和定量分析,为该硬件保护系统的可靠性设计和实现提供了理论指导和依据。开展了失超保护开关的实验研究。主要设计了热稳定性和开断性能测试方案,并分析了失超保护开关在30kA运行电流下的热稳定实验过程中出现的过热现象,提出了改进措施,通过后续实验的验证,这些措施可有效地提高失超保护开关的热稳定性能。