高温超导电流引线在EAST装置工程调试中投运

EAST全超导托卡马克核聚变实验装置有一对纵场磁体电流引线和12对极向场线圈电流引线,额定电流为14.5～16.3 kA,在第二轮装置工程调试中5对高温超导电流引线投入运行.这些电流引线的高温超导段系传导冷却,上端用79K液氮冷却,下端由4.5K超临界氦流迫冷;铜电流引线段采用氮蒸汽冷却.运行参数表明高温超导电流引线具显著的节冷效益.本文介绍这些电流引线的运行工况和安装前的接收试验结果.     

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在全超导磁约束核聚变装置EAST中,采用高温超导电流引线将处于室温的电源连接处于超临界氦温区的超导磁体上。为降低实验过程中的运行成本,EAST装置中纵场磁体的电流引线采用混合式结构。电流引线测试结果表明引线符合设计要求。     

EAST 装置新超导馈线系统冷却回路设计

EAST 装置电流馈线系统由13 对NbTi 材料CICC 超导母线组成,连接超导磁体系统和高温超导电流引线,为磁体系统的运行提供馈电通道和失超状态下能量的释放通道。馈线系统中超导母线由液氦制冷机通过低温分配阀箱提供的4.5K 超临界氦冷却,冷却通道进口压力为0.45MPa,出口压力不小于0.25MPa。通过对超导母线和接头内流道中的迫流氦的压降计算确定了冷却流程方案为1 对TF 超导母线单独串联组成1 个冷却通道, 12 对PF 超导母线分为6 个冷却通道,每个通道由2 对PF 超导母线串联组成。     

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EAST 装置电流馈线系统由13 对NbTi 材料CICC 超导母线组成,连接超导磁体系统和高温超导电流引线,为磁体系统的运行提供馈电通道和失超状态下能量的释放通道。馈线系统中超导母线由液氦制冷机通过低温分配阀箱提供的4.5K 超临界氦冷却,冷却通道进口压力为0.45MPa,出口压力不小于0.25MPa。通过对超导母线和接头内流道中的迫流氦的压降计算确定了冷却流程方案为1 对TF 超导母线单独串联组成1 个冷却通道, 12 对PF 超导母线分为6 个冷却通道,每个通道由2 对PF 超导母线串联组成。     

气冷电流引线气流不均衡分配条件下运行参数研究

气冷电流引线被广泛的应用于许多大型超导磁体及其它一些超导装置中.由于引线实际制作过程中的差异或者超导装置本身的一些问题,正负两个引线之间或者同一引线的不同流道之间都存在着冷却气流分配上的不均衡.超导装置中除电流引线外的其他低温热源也可能使流经引线的冷却气流处于非正常状态.所有这些都会使电流引线的实际工作状况偏离最优化设计.本文用数值模拟的方法对非最优化冷却气流条件下的电流引线运行状况进行了研究,分析了冷却气流偏离最优化程度与引线实际运行参数之间的影响关系.     

气冷电流引线气流不均衡分配条件下运行参数研究

气冷电流引线被广泛的应用于许多大型超导磁体及其它一些超导装置中．由于引线实际制作过程中的差异或者超导装置本身的一些问题，正负两个引线之间或者同一引线的不同流道之间都存在着冷却气流分配上的不均衡．超导装置中除电流引线外的其他低温热源也可能使流经引线的冷却气流处于非正常状态．所有这些都会使电流引线的实际工作状况偏离最优化设计．本文用数值模拟的方法对非最优化冷却气流条件下的电流引线运行状况进行了研究，分析了冷却气流偏离最优化程度与引线实际运行参数之间的影响关系．     

EAST装置15kA高温超导电流引线研发

低温超导磁体采用高温超导电流引线能显著降低制冷系统的造价和运行费用.正在建造中的大型超导托卡马克核聚变试验装置(EAST)需要一对16kA和12对15kA电流引线.所研发的电流引线采用美国超导(AMSC)公司提供的Bi-2223/Ag-Au带材, 每5条超导带组成单元叠,与不锈钢支撑圆筒表面50个槽软钎焊成超导段.支撑筒两端铜接头,温端与铜电流引线段丝扣连接并低温钎焊;冷端与100根NbTi/Cu超导线直接锡铅钎焊.冷端采用4K超临界氦流冷却;温端正常运行温度为78K,用液氮冷却.设计要求在此冷却条件下的临界电流大于16kA.78～290K铜电流引线采用3头螺旋槽换热器,冷氮气冷却.为提高电流引线的安全性,在高温超导段温端贮存适量液氮作为热沉,大大增加电流引线被烧毁的时间常数.     

松弛迭代法在电流引线设计中的应用

对于大多数超导电力装置来说,用于制冷的费用决定着整个系统的长期运行成本,电流引线漏热是低温系统的主要热负荷来源,是造成整个超导装置中静态冷量损失的主要原因。引线温度分布决定了漏热的大小,实际工程应用中常需要在给定尺寸下求解电流引线的温度分布及低温端漏热,文中介绍的松弛迭代法可迅速求解出电流引线沿线的温度分布,并推导出引线低温端漏热,由于松弛法可以通过多次迭代实现误差控制,因此,求解精确度能得到有效保证,为不同工况下电流引线优化设计提供了一种快速有效的计算方法。     

EAST装置15kA高温超导电流引线研发

低温超导磁体采用高温超导电流引线能显著降低制冷系统的造价和运行费用．正在建造中的大型超导托卡马克核聚变试验装置（EAST）需要一对16kA和12对15kA电流引线．所研发的电流引线采用美国超导（AMSC）公司提供的Bi-2223／Ag-Au带材，每5条超导带组成单元叠，与不锈钢支撑圆筒表面50个槽软钎焊成超导段．支撑筒两端铜接头，温端与铜电流引线段丝扣连接并低温钎焊;冷端与100根NbTi／Cu超导线直接锡铅钎焊．冷端采用4K超临界氮流冷却;温端正常运行温度为78K，用液氮冷却．设计要求在此冷却条件下的临界电流大于16kA.78-290K铜电流引线采用3头螺旋槽换热器，冷氮气冷却．为提高电流引线的安全性，在高温超导段温端贮存适量液氮作为热沉，大大增加电流引线被烧毁的时间常数．     

浮力式低温液位计的设计原理及运行工况分析

全超导磁约束核聚变实验装置EAST的13对磁体电流引线全部采用高温超导(HTS)。为保证其安全运行,特为其液氮储槽设计制作了浮力式液位计。经过几轮物理实验,证明这种深冷液位计能较准确地监视HTS电流引线液氮储槽的液面,从而保证HTS电流引线的安全运行。文中介绍浮力式深冷液位计的设计原理及其运行工况。     

气冷变截面电流引线优化计算方法

超导低温装置中的电流引线连接室温中的电源与超导单元,其漏热直接关系到低温系统的运行稳定与运行成本.本文对传统的气冷电流引线分段计算方法做了一定的改进,形成了气冷变截面电流引线优化设计方法.使用此方法为一个YBCO HTS带材临界电流测试装置设计了变截面电流引线.本文的设计方法为变截面电流引线的实际应用提供了一定的参考.     

气冷变截面电流引线优化设计与实验研究

电流引线是连接超导低温装置室温电源与超导单元的桥梁,其漏热直接关系到低温系统的运行稳定与运行成本.本文对传统的气冷电流引线分段计算方法做了一定的改进,提出了气冷变截面电流引线优化设计方法.应用此方法为一个YBCO高温超导带材临界电流特性测试装置设计了变截面电流引线.通过对电流引线的温度场分布进行实验测量,并与设计值进行比较,结果吻合较好,证明了气冷变截面电流引线设计方法的有效性和实际优化效果.本文的设计方法及相关实验研究为变截面电流引线在超导低温装置中的实际应用提供了一定的参考.     

超导装置电流引线的研究进展

电流引线是连接室温端电源和低温端超导装置的重要部件,也是超导装置热损耗的主要热源之一。选择合适的电流引线形式,并进行引线结构优化设计,可以提高超导装置的可靠性和经济性。概述了电流引线的优化设计目标和分类形式,介绍了全金属电流引线、高温超导电流引线和珀尔帖电流引线的研究进展,分析比较了三类电流引线的工作特点和适用场景,可为超导装置的电流引线选型和优化设计提供参考。     

变截面电流引线的漏热分析与优化设计

电流引线的漏热大小直接关系到超导设备的运行稳定性与运行成本。文中重点探讨了变截面引线在HTS电流引线优化设计中的应用,通过有限元法计算了不同规格的变截面引线的漏热大小,得出了变截面引线漏热与引线长度及截面积之间的变化规律。并为一个基于2G HTS的YBCO高温超导储能装置设计了曲线形扁铜带变截面电流引线。文中的计算结果对于变截面电流引线的优化设计提供了一定的参考价值。。     

EAST超导托克马克磁体的大型供电供冷外馈线

EAST全超导托克马克聚变实验装置由16个D形环向场线圈和12个圆形极向场线圈组成,大半径1.7m,当环形场线圈励磁14.3kA时,中心场3.5T;±14.5kA极向场线圈可提供10Vs磁通量变化.连接这些超导磁体与13台独立电源和一台制冷机之间的低温和超导部件组成大型供电供冷馈线,在EAST装置外部的外馈线包括:两组超导母线;13对电流引线及其杜瓦;一个大的低温分配恒温器,内装有40多个低温控制阀,4.4K液氦槽,3.8K过冷槽,78K液氮槽和4台超临界氦循环泵;五条低温传输线.本文介绍外馈线的设计、安装和运行情况.     

超导CICC导体性能试验装置

一个测试CICC超导电缆性能的磁体试验装置已在中科院等离子体所建成,该装置包括一个5T－138mm口径的长均匀背场超导磁体、一对可产生10T／s磁场变化率的脉冲超导磁体,以及人工超临界氦系统,它可以将高压室温氦气通过冷却变成可以冷却超导CICC导体的超临界氦,该装置能完全模拟环流器中迫流冷却式超导磁体导体所受到的诸如极向场磁体放电和等离子体破裂诸种强扰动的环境,测试CICC导体的性能,本文详细介绍了装置各部分参数和低温实验中测到的性能。     

百安级变截面珀尔帖电流引线漏热分析

横跨低温到室温温区的电流引线是连接电源和超导装置的部件,是超导装置的主要漏热源之一.因此减小由于电流引线导致超导低温系统的漏热对低温系统的稳定运行和运行效率至关重要.在传统铜电流引线的室温端插入热电材料碲化铋(Bi_2Te_3)形成的珀尔帖电流引线(Peltier current lead,以下简称PCL)可以有效地减小由于电流引线造成的漏热.珀尔帖电流引线将漏热从纯铜引线的42.4W/kA降低到30.470W/kA.在本文中采用有限元法对PCL进行优化,得到PCL的最优几何参数.改变PCL中铜引线和热电材料碲化铋的横截面面积,并计算改变横截面面积时PCL的漏热.仿真结果显示改变PCL中铜引线的横截面面积时对电流引线的漏热影响不大,而在改变PCL中热电材料的横截面,可以将PCL的漏热从30.470 W/kA降低到27.36 W/kA.     

电流引线迫流冷却传热分析

如何降低电流引线向低温环境的漏热,是超导电力技术领域的一项重要课题.文中概述了电流引线研究进展,建立了电流引线迫流冷却传热模型,并分析了氮气迫流冷却作用,推导了电流引线温度分布和最优长度-横截面积比(ORLA)函数式.自然蒸发迫流冷却对最优长度-横截面积比(ORLA)影响较小.     

35kV超导可控电抗器电流引线设计

35kV高温超导可控电抗器工作于70K液氮温区,通过控制超导线圈的工作状态来实现电抗的调节。线圈工作时,电流引线的焦耳热以及传导热是引线漏热的主要来源;当超导线圈开路时,线圈及电流引线则要承受高达十几千伏的感生电压,因此,电流引线的漏热优化以及电气绝缘水平是设计的重点。文中结合电流引线运行工况,设计了35kV超导可控电抗器电流引线,仿真结果表明,该设计漏热量低且温度分布均匀。此外,针对线圈开路时引线的高压情况确立了APG注射环氧绝缘的方案,有效的保证了绝缘水平。     

HT-7U纵场磁体CICC导体设计

国家“九、五”重大科学工程HT-7U托卡马克(Tokamak)是一个全超导核聚变实验装置，装置主机包含有16个纵场(TF)超导线圈和14个极向场(PF)超导线圈．线圈采用NbTi CICC导体(Cable in-Conduit Conductor)绕制，用超临界氦迫流冷却．本介绍CICC导体的设计和导体短样的测试结果．