超导储能系统失超保护实验研究

介绍了超导储能系统的失超保护实验,分别对实验装置、失超保护系统、实验连线以及实验电路四个方面进行了阐述。在超导储能系统运行过程中,通过测量在磁体电流超过临界电流情况下,失超保护系统中失超电压及电流的变化曲线,分析了不同充电电流对磁体阀值电压的影响以及在磁体参数改变下失超保护系统的适用情况。实验结果表明,失超保护系统能快速、准确地检测失超信号,并进行保护动作。同时,实验数据的统计也说明了不同的充电电流速度对阀值电压没有产生影响。     

全超导托卡马克极向场超导线圈的失超检测

EAST装置做为全超导托卡马克装置,其纵场和极向场线圈全部由超导磁体组成,所以进行安全,准确,有效的超导线圈的失超保护是装置安全运行的首要环节.由于等离子体电流的建立必须由极向场线圈系统提供极快速的磁通变化,随之产生较高的交流损耗使得极向场线圈很容易发生失超.如何对快速交变脉冲磁场下的超导线圈进行有效的失超检测,这在世界上也无先例可循.EAST装置的失超检测系统经过几十轮单饼超导线圈实验及多轮装置正式放电实验后逐步建立和完善起来,并已通过工程验收满足了装置实验运行要求.本文主要介绍了EAST装置失超检测系统的基本结构和检测原理,重点阐述了极向场超导磁体失超检测的设计方法及实验结果。     

电阻型超导限流器中带材失超与恢复特性

电阻型超导故障限流器中带材失超和超导恢复特性受电流、温度、磁场等因素影响,以YBCO超导带材为研究对象,建立了饼式线圈和螺线管式线圈绕制模型,分析了两种线圈中磁场分布特性,在液氮冷却条件下,表明了温度、磁场对临界电流密度和失超电阻率的影响;通过分析在三角波形故障电流作用下带材失超和超导恢复过程中的热过程,表明了超导恢复时间与失超后的温度和散热条件有关,当温度低于105 K时,超导特性恢复较快。为超导限流器的结构、冷却设计提供参考。     

EAST装置中心螺管线圈实验压力后备失超保护系统的研究与实现

EAST托卡马克装置是一个全超导的大型核聚变实验研究装置,实验过程中,对超导磁体的失超保护是一项非常重要的内容.本文介绍了EAST装置极向场中心螺管线圈测试实验中,作为传统电压检测法超导磁体失超保护系统的补充,提出并建立的一种有效的后备失超保护方案:压力后备失超保护法.经过实验验证,该保护系统可以有效地对超导磁体进行失超保护.     

YBCO在热冲击条件下的失超特性研究

在实际的超导电力装置运行过程中,超导带材可能由于电力系统中诸如系统短路故障等各种动态过程,承受短路大电流、不平衡电流的冲击,以及由此而产生的电磁、机械应力、热量的作用而失超,因此,研究热冲击对超导材料性能的影响对超导电力装置失超保护非常重要.本文以第二代高温超导(YBCO)带材为样品,模拟实际超导电力装置中带材的绝热环境,通过外加电源对超导带材进行热冲击,研究YBCO带材在不同情况的热冲击条件下的失超过程以及带材温度和超导性能的变化.试验结果表明:对于美国Superpower公司生产的YBCO工程带材,瞬时温度超导300K后,带材的临界电流下降,瞬时温度超过500K,带材可能出现烧断现象.     

泄能支路对CFETR失超保护系统影响分析

中国聚变工程实验堆(CFETR)是中国自主设计的下一代聚变装置,其超导线圈的电流最大达到100 kA。失超保护系统尤其是直流保护开关的可靠性对于超导线圈的保护极为重要。分析了系统中泄能回路参数对CFETR失超保护开关的动作可靠性影响,首先通过理论计算分析杂散参数对开关动作的影响趋势,然后通过仿真求解关断过程中各支路电流电压来验证计算。计算结果证明,较大的泄能支路杂散参数将改变直流开关的关断参数,并降低直流保护开关的动作可靠性。最后对泄能电阻杂散电感提出小于120 μH的设计要求,确保系统安全可靠地运行。     

高温超导线圈交流通流失超检测方法的实验研究

目前的失超检测的方法多针对超导线圈的直流工作状态。在交流损耗等实验研究及部分电力应用中,超导线圈将工作在交流通流状态。为了保障这种情况下超导线圈的安全,需要进行交流失超检测方法的研究。设计了用于高温超导线圈交流通流的失超检测方法,将桥路交流电压信号转换为直流信号后,对工作在交流通流情况下的超导线圈的失超状态进行判断。通过搭建实验平台进行了相关的实验。实验结果显示,采用这种方法能够有效地对工作在交流情况下的超导线圈进行失超检测。     

高温超导线圈交流通流失超检测方法的实验研究北大核心

目前的失超检测的方法多针对超导线圈的直流工作状态。在交流损耗等实验研究及部分电力应用中,超导线圈将工作在交流通流状态。为了保障这种情况下超导线圈的安全,需要进行交流失超检测方法的研究。设计了用于高温超导线圈交流通流的失超检测方法,将桥路交流电压信号转换为直流信号后,对工作在交流通流情况下的超导线圈的失超状态进行判断。通过搭建实验平台进行了相关的实验。实验结果显示,采用这种方法能够有效地对工作在交流情况下的超导线圈进行失超检测。     

FAIR项目Super-FRS超导二极磁铁测试线圈的三维失超数值模拟

国际反质子与离子研究装置(FAIR)项目中的Super-FRS超导二极磁铁是一个大型温铁结构的超导磁体,由中国负责设计、研制和测试。为了研究超导线圈的性能和其设计的可靠性,前期研制了一个测试线圈。建立了一个基于ANSYS和OPERA 3D的三维失超模型,不仅将模拟结果和实验数据进行对比,更可以获得失超过程的更多细节。模型将环氧浸渍的超导线圈简化为各项异性连续介质。将ANSYS求解器用于瞬态传热过程的分析,OPERA 3D用于磁场计算,并采用ANSYS脚本语言（APDL）进行焦耳热的计算和保护电路方程的求解。模拟得到了温度、电压、电流随时间的变化曲线和失超传播过程。最后将模拟结果和测试线圈的测试结果进行了比较。     

多超导线圈并联下的电流分布研究

与多超导线圈串联相比,多超导线圈并联通流的电流分布特性比较复杂。本文提出一种基于H方程和均质化方法的有限元模型,研究了4 YBCO单饼线圈并联下的电流分布,并与场路耦合模型对比。仿真结果表明,多超导线圈并联下的电流分布与各线圈的接头电阻、等效电感和等效超导电阻有关。线圈失超之前,各线圈的等效超导电阻几乎可以忽略,电流分布主要受线圈的接头电阻和等效电感控制;线圈开始失超后,电流分布主要受等效超导电阻影响,电流会重新分配,最终各线圈稳流值与各线圈的临界电流有关。     

分段保护超导螺线管磁体失超过程的过电压

超导磁体失超过程的过电压准确分析是失超保护系统设计的基础。对于分段保护的超导螺线管磁体,在传统椭球形正常区失超传播模型的基础上,将3维温度计算结果映射到1维导线方向上,确定沿导线的温度分布,进而计算出各匝电阻。将线圈看作以匝为单位的电阻和电感组成的电路,计算出沿导线的电阻电压、电感电压以及合电压瞬态分布,较准确地估计了失超过程中最大对地电压、层间电压和匝间电压。利用该方法对某分段保护的螺线管磁体进行了计算,获得了失超过程中磁体内部过电压;发现磁体内部的电压分布由方向相反的电感电压和电阻电压共同决定;以单段正常区电阻电压作为该磁体对地电压过于保守。     

Over voltage in the multi-sectioned superconducting solenoid during quenching

Accurate analysis of over voltage in the superconducting solenoid during a quench is one of the basis for quench protection system design. Classical quench simulation methods can only give rough estimation of the over voltage within a magnet coil. In this paper, for multi-sectioned superconducting solenoid, based on the classical assumption of ellipsoidal normal zone, three-dimension temperature results are mapped to one-dimension along the wire, the temperature distribution along the wire and the resistances of each turn are obtained. The coil is treated as circuit comprised of turn resistances, turn self and mutual inductances. The turn resistive voltage, turn inductive voltage, and turn resultant voltage along the wire are calculated. As a result, the maximum internal voltages, the layer-to-layer voltages and the turn-to-turn voltages are better estimated. Utilizing this method, the over voltage in a small solenoid and a large solenoid during quenching have been studied. The result shows that this method can well improve the over voltage estimate, especially when the coil is larger.     

液氮浸泡式高性能ReBCO超导带材失超传播特性研究

高性能高温超导带材在大型超导磁体装置上的应用已成为一种趋势,由于存在失超传播速度缓慢、失超检测信号微弱等不足,对失超保护设计提出很大挑战。本文基于液氮浸泡式双保护层的高性能ReBCO带材失超传播特性,采用一维热平衡方程建立失超传播速度的数学模型,通过增加失超源,检测热点温度与电压信号,探究液氮浴环境下的ReBCO带材在传输电流等不同参数下失超传播速度和最小失超能量的变化规律。结果显示:相同条件下,高温超导带材的失超传播速度与传输电流成正相关,最小失超能量与传输电流成负相关,且相比无保护层的普通高温超导带材,具有双保护层的高性能ReBCO临界电流和触发裕度均有提升。     

HT-7U中心螺管模型线圈失超信号检测

中心螺管是超导托卡马克装置磁体系统的重要组成部分 ,在 HT- 7U中 ,中心螺管采用管装超导电缆绕制 ,线圈以脉冲方式运行。文中介绍了 HT- 7U中心螺管模型线圈实验中 ,失超信号检测系统的工作原理及失超信号特点。当磁体以脉冲方式运行时 ,失超信号检测系统为装置提供可靠的失超保护动作信号 ;还给出了有关的实验数据和检测系统记录的失超信号变化曲线。     

低温超导线圈失超信号检测

应用低噪声放大与滤波电路,把淹没于低噪声放大器固有噪声中的低温超导临界温度对应的微弱电压信号提取出来并进行放大,然后应用快速高精度的数据采集卡及计算机数据处理技术,为低温超导线圈失超信号检测提供强有力的手段.     

双根堆叠YBCO超导带材缺陷状态下失超传播规律研究

因双根并绕堆叠结构的 YBCO 带材能够进一步增加设备承载电流密度, 被广泛应用于大型超导设备线圈绕制中. 本文研究了外层有包绕绝缘的双根并绕堆叠 YBCO 带材有缺陷情况下的失超传播特性, 应用有限元法方法, 建立了双根 YBCO 带材堆叠状态下失超仿真模型, 研究了存在不同缺陷的情况下双根堆叠超导带材的失超传播特性, 探索了堆叠带材在不同工作电流下传播速度(NZPV) 等参数的变化趋势, 同时探究了不同铜稳定层厚度下并绕堆叠带材失超传播规律. 结果表明缺陷区域面积增加以及铜稳定层厚度减小, 都将导致双根并绕堆叠结构的二代高温超导带材失超传播速度增加, 在带材上的温升增加, 增加失超的风险. 研究结果可以为超导设备安全稳定运行参数设置提供支持.     

基于FPGA的Super-FRS超导二极磁铁样机失超探测系统

介绍了FAIR项目Super-FRS超导二极磁铁样机的基于FPGA的失超探测系统。该失超探测系统采用平衡桥路法, 并通过两组独立桥路以消除失超探测死区。 通过NI PXI 7830R FPGA模块实现平滑滤波和失超判断算法,并给出失超触发信号。失超数据采集模块采用预采样技术, 将失超前后一段时间内的数据采集下来,以便进行后续分析。 通过测试,失超探测模块准确检测到了失超的发生, 并触发失超保护电路和失超数据采集模块工作,有效地保护了超导二极磁铁。 : The quench detection system for Super FRS super ferric dipole prototype magnet of FAIR has been designed and built. The balance bridge was used to detect quench signal. In order to avoid blind zone of quench detection, two independent bridges were used. NI PXI 7830R FPGA was used to implement filter to quench signal and algorithm of quench decision and to produce quench trigger signal. Pre sample technique was used in quench data acquisition. The data before and after quench could be recorded for analysis later. The test result indicated that the quench of the dipole’s superconducting coil could be reliably detected by the quench detection module.     

全超导托卡马克装置(EAST)的技术诊断系统

全超导托卡马克(Tokamak)装置EAST是国家“九五”大科学工程。技术诊断是超导托卡马克装置的重要子系统,主要负责装置主机部件的温度、线圈电阻等的测量以及超导线圈失超信号探测。简要介绍EAST技术诊断系统的设计及试验结果。