一种超导磁体失超保护方案验证系统及其验证方法

摘要

一种超导磁体失超保护方案验证系统及其验证方法，其验证系统包括验证装置和信号检测系统两部分；所述的信号检测系统与所述的验证装置连接，通过线圈内部温度计（6）、线圈外部温度计（7）、加热器保护检测抽头（8、8’）检测和采集验证装置的超导线圈（2）的电压和温度信号，通过测量引线（9）送至数据采集设备（10）处理；所述的验证装置模拟需被验证的超导磁体的电磁特性，具有和需被验证的超导磁体相似的几何结构，以及相同的失超保护方案。通过触发贴附在超导线圈（2）上的触发加热条（4），触发每一个超导线圈使其作为最先失超的线圈而失超，验证任何一个超导线圈先失超时失超保护方案的可行性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导磁体失超保护技术方案的验证设备及其验证方法。

背景技术

超导磁体技术作为21世纪新兴技术，其应用广泛，在国民经济、科学实验、国防军工 等领域都发挥着越来越大的作用，其产业规模也越来越大。

超导磁体需要运行在很低的温度之下，只有满足了一定的温度及磁场条件，超导磁体才 能运载大电流而正常工作。当超导磁体工作时，会无法避免的受到外界的干扰，如震动、电 磁辐射、系统漏热，如果这些干扰的能量过大，就会使超导磁体无法满足所需的温度或磁场 条件，超导体失去超导性而变为正常电阻，即失超。当超导磁体失超时，其内部储存的大量 电磁能将迅速的转化为欧姆热，这个过程有可能造成超导磁体的局部温升过高而烧坏磁体、 内部电压过高而击穿绝缘层、耦合电流过高产生过应力而破坏超导线材的特性。为此，需要 在超导磁体失超时采取一定的保护措施，使超导磁体释放能量时其温升、电压、应力处在安 全范围之内，保护超导磁体及外围人员和设备。

失超保护一般会采用分段电路和加热器加速失超等保护方法。分段电路将超导磁体的若 干线圈分为几组，每组内超导线圈串联在一起，并在每组的两端并联保护电阻和保护二极管， 这样可以降低超导磁体失超过程中的电压。加热器加速失超是在超导线圈的表面（一般为外 表面）贴附上具有一定宽度和厚度且与超导线圈等长的加热带，在磁体失超时，轴向的失超 的传播较慢，通过给加热带加热使超导线圈沿轴向迅速失超，加速超导线圈在更多的区域失 超，这样可以使超导磁体的能量释放到更多的体积中，从而防止超导磁体内局部温升过高。

为一个超导磁体设计失超保护方案，需要确定具体的保护方法及其具体参数，对于储能 较小的超导磁体，可以凭借经验和估测来确定具体方案，而对于储能较大的超导磁体，往往 还需要仿真程序来优化保护方案。然而，无论是凭借经验还是通过仿真计算，超导磁体的失 超保护方案是否能够保护超导磁体免受失超过程中的损害仍然无法得到证实。因此需要一些 实验来验证失超保护方案的可行性，以及仿真程序的准确性。

对一台将被研制的超导磁体来讲，现有的失超保护设计一般停留在仿真计算验证，很少 经过实验来验证其可行性。仅有的一些相关实验研究一般建立在对已制备的超导磁体曾发生 过失超的基础上，通过检测到的失超过程中的线圈电压等参数来分析将要设计的失超保护方 案是否可行。然而失超保护方案是否有效不仅需要知道线圈电压变化，还需要判断线圈温升 变化以及保护加热带是否发挥作用，失超保护方案的有效性还需要经受不同工作情况的考 验。而且，除了一些批量化生产的超导磁体外，任何一个新开发研制的超导磁体都有着不同 的几何结构和线材参数，失超过程中变化的电压电流可能很不一样，用其他超导磁体失超特 性去分析将要研制的超导磁体的失超保护方案往往很难估测准确，对于任何新开发的大储能 的超导磁体，也很难直接在磁体上做充分的失超保护方案有效性的测试。

发明内容

本发明的目的是克服现有超导磁体失超保护方案的有效性缺少实验验证以及验证参量 不充分的问题，提出一种用于验证超导磁体失超保护方案的验证系统及验证方法。

本发明的超导磁体失超保护方案验证系统包括验证装置和信号检测系统两部分。所述的 验证装置由杜瓦容器、多个超导线圈、绝缘骨架、触发加热条、保护加热带组成；所述的信 号检测系统包括线圈内部温度计、线圈外部温度计、加热器保护检测抽头、测量引线及数据 采集设备。所述的信号检测系统与所述的验证装置连接，由线圈内部温度计、线圈外部温度 计、加热器保护检测抽头、测量引线检测和采集验证装置的电压和温度信号，送至数据采集 设备处理。所述的验证装置模拟需被验证的超导磁体的电磁特性，具有和需被验证的超导磁 体相同的失超保护方案。

所述的验证装置中：

多个超导线圈放置于杜瓦容器内，浸泡在液氦中。所述的超导线圈与需被验证的超导磁 体的超导线圈有相近似的几何结构，但比需被验证的超导磁体的超导线圈体积小，由此验证 系统能够尽可能的模仿需被验证磁体的电磁特性且不会带来较高的制造成本。所述的验证装 置的失超保护一般采用分段电路保护和加热器加速失超保护两种方法。采用分段电路保护方 法是将超导磁体的超导线圈分为几组，每组内含一个或多个串联的超导线圈，每组超导线圈 的两端并联保护电阻或保护二极管；分段电路保护法可以大幅的降低超导线圈的电压。采用 加热器加速失超保护方法是：在超导线圈的表面贴附有与超导线圈等长的保护加热带，在磁 体失超时，由于轴向失超传播较慢，通过给保护加热带加热使超导线圈在轴向上快速失超， 以加速整个超导线圈的失超，这样可以使超导磁体的能量尽快释放到超导磁体中更多的区 域，即令超导磁体的能量释放更均匀，从而可以防止超导磁体内局部温升过高。

多个超导线圈绕制在所述的绝缘骨架上，多个超导线圈之间有足够的间隙，尽可能减小 热接触。由于失超有可能从一个超导线圈传播到另一个超导线圈，为了验证保护加热带的效 用，证明加热带可以触发线圈失超，所以需要排除线圈间失超传播的情况从而需要减小线圈 间的热接触。

在每一个超导线圈的端部紧贴线圈表面放置有一个触发加热条，用于触发该线圈作为最 先失超的超导线圈而失超。对于需被验证的超导磁体而言，由于失超可能最先发生在超导磁 体内任何一个超导线圈中，而不同的超导线圈先失超，磁体的失超表现是不同的，因此需要 在验证装置中使每一个超导线圈都作为先失超线圈测试一次，这需要每一个超导线圈表面均 放置触发加热条。

每一个超导线圈的外表面贴附有保护加热带，用于沿轴向加速超导线圈的失超。保护加 热带具有一定宽度，一般为几厘米，和一定厚度，一般为零点几毫米，且与所贴附的超导线 圈等长。保护加热带由高电阻率的不锈钢材料制成。

所述的信号检测系统中：

一对加热器保护探测抽头分别位于所述的超导线圈的最外层的两端。在每个所述的超导 线圈的最外层，靠近一侧端部的位置选择连续的几匝超导线为一段，在该段超导线的两端焊 有一对加热器保护检测抽头；同理在该段超导线最外层的另一侧端部对称的挑选同样匝数的 几匝超导线为另一段，在该段超导线的两端也焊有一对加热器保护检测抽头。通过检测两段 加热器保护检测抽头上的电压，分析加热器是否工作。由于两段超导线有相同的匝数和对称 的几何分布，且保护加热带与两段超导线相距很近，因此若保护加热器发挥作用，使超导线 圈在轴向上迅速失超，则这两段超导线的电压信号变化同步且变化大小相近，如果保护加热 器没有发挥作用则两段超导线的电压信号变化将不同步。

所述的线圈内部温度计紧贴在超导线圈表面，可以在每一个线圈的表面都放置一个线圈 内部温度计，也可以仅在某一个线圈的表面放置一个线圈内部温度计。线圈外部温度计放置 在杜瓦容器底部远离超导线圈之处。所有的线圈内部温度计与线圈外部温度计串联连接。由 于线圈外部温度计所在的环境温度在超导线圈失超过程中不变，因此可以用来补偿失超过程 给线圈内部温度计带来的电磁干扰的影响。

每个超导线圈两端的加热器保护检测抽头连接有测量电压信号的测量引线，每个线圈内 部温度计连接有测量电压信号的测量引线，线圈外部温度计亦连接有测量电压信号的测量引 线，所有上述测量引线均接入所述的数据采集设备中。

采用本发明超导磁体失超保护方案验证系统的验证方法步骤为：首先将超导线圈冷却至 所需低温状态，再给超导线圈充电励磁至所需工作电流，然后通过给某一个超导线圈上的触 发加热条通电加热，使该超导线圈先失超，此时其他触发加热条不加热。线圈内部温度计、 线圈外部温度计、加热器保护检测抽头检测和采集超导线圈的电压和温度信号，通过测量引 线送至数据采集设备存储和处理。此过程为一次测试。每一次测试中加热一个超导线圈的触 发加热条，使该超导线圈作为最先失超的线圈而失超，若所述的验证系统有n个超导线圈， n≥1，则需做n次测试，用以验证任何一个超导线圈先失超时失超保护方案的可行性。

所述的超导磁体失超保护方案验证方法，可以采用回温复测的方法，验证超导磁体失超 保护方案在经历一个由低温到室温再由室温到低温的冷热循环后的可靠性。

所述的超导磁体失超保护方案验证方法，可以在给所述超导线圈通不同电流情况下进行 测试，以验证超导磁体失超保护方案在不同工作电流下的可行性。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图，图中：1杜瓦容器、2超导线圈、3绝缘骨架、4触 发加热条、5保护加热带、6线圈内部温度计、7线圈外部温度计；

图2是本发明实施例保护加热带及加热器保护检测抽头的空间分布示意图，图中：8、8’ 加热器保护检测抽头、9测量引线；

图3是本发明的测试方法示意图，图中：10数据采集系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明失超保护方案验证系统包括验证装置和信号检测系统两部分。所述的验证装置由 杜瓦容器1、多个超导线圈2、绝缘骨架3、触发加热条4、保护加热带5组成；所述的信号 检测系统包括线圈内部温度计6、线圈外部温度计7、加热器保护检测抽头8、8’、测量引线 9及数据采集设备10。所述的信号检测系统与所述的验证装置连接，通过线圈内部温度计6、 线圈外部温度计7、加热器保护检测抽头8、8’检测和采集验证装置的电压和温度信号，通 过测量引线9送至数据采集设备处理。所述的验证装置模拟需被验证的超导磁体的电磁特性， 具有和需被验证的超导磁体相似的几何结构，以及相同的失超保护方案。

图1所示为本发明超导磁体失超保护方案验证系统的一个以由两个超导线圈组成的验证 系统实施例。

如图1所示，在本发明超导磁体失超保护方案验证系统的验证装置中：

多个超导线圈2放置于杜瓦容器1内，浸泡在液氦中。多个超导线圈2绕制在所述的绝 缘骨架3上，多个超导线圈2之间有足够的间隙，尽可能减小线圈间的热接触。

在每一个超导线圈2端部紧贴线圈放置有一个触发加热条4，用于触发该线圈作为最先 失超的线圈而失超。

每一个超导线圈2的外表面贴附有保护加热带5，用于沿轴向加速超导线圈的失超。

如图1所示，在本发明超导磁体失超保护方案验证系统的信号检测系统中：

每一个超导线圈2表面均紧贴放置一个线圈内部温度计6，在杜瓦容器1底部远离超导 线圈处放置一个线圈外部温度计7，线圈内部温度计6和线圈外部温度计7串联在一起。

图2是所述的的保护加热带5及加热器保护检测抽头8、8’的空间分布示意图。如图2 所示，所述的超导线圈2的外表面贴附有保护加热带5，保护加热带5为具有一定宽度，一 般为几厘米，和一定厚度，一般为零点几毫米，且与所贴附的超导线圈2等长。保护加热带 5可由高电阻率的不锈钢材料制成。一对加热器保护探测抽头8、8’分别位于所述的超导线 圈2的最外层的两端；在超导线圈2的最外层，靠近一侧端部的位置选择连续的几匝超导线 为一段，在该段超导线的两端焊上一对第一加热器保护检测抽头8，同理在超导线圈2的最 外层另一侧端部挑选同样匝数的几匝超导线组成另一段，在该段超导线的两端也焊有一对第 二加热器保护检测抽头8’。

每个超导线圈2两端的加热器保护检测抽头连接有测量电压信号的测量引线，每个线圈 内部温度计6连接有测量电压信号的测量引线，线圈外部温度计7亦连接有测量电压信号的 测量引线，所有所述的测量引线9接入数据采集设备10。

图3是本采用本发明超导磁体失超保护方案验证系统的检测方法示意图。如图3所示， 进行测试时，首先将超导线圈2冷却至所需低温状态，再给超导线圈2充电励磁至所需工作 电流，然后通过给某一个超导线圈上的触发加热条4通电加热，使该超导线圈先失超，此时 其他触发加热条不加热。线圈内部温度计6、线圈外部温度计7、加热器保护检测抽头8、8’ 检测和采集超导线圈2的电压和温度信号，通过测量引线9送至数据采集设备10存储和处 理。此为一次测试过程。此后可以重新将超导线圈2冷却至所需低温状态，然后再次给超导 线圈2充电励磁，进行测试。

所述的超导磁体失超保护方案验证系统的验证方法，需单独给每一个超导线圈2的触发 加热条4加热，用以验证任何一个超导线圈作为先失超线圈时失超保护方案的可行性，图1 实施例中有两个超导线圈，则至少需要做两次测试。

所述的超导磁体失超保护方案验证系统的验证方法，可以采用回温复测的方法，当完成 上述的两次测试后，待磁体缓慢恢复至室温（一般为几天时间），然后重复图3所示的测试 步骤，以验证超导磁体失超保护方案在经历一个由低温到室温再由室温回到低温的冷热循环 后的可靠性。

所述的超导磁体失超保护方案验证系统的验证方法，可以给超导线圈2通以不同电流， 在不同电流状况下进行测试，以验证超导磁体失超保护方案在不同工作电流下的可行性。

通过对所测数据进行处理和分析来判断需被验证超导磁体的失超保护方案的可行性，以 及失超仿真计算的准确性。