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。     

快速磁通变化超导线圈失超保护的改进方法

大型托卡马克超导装置的超导线圈在快速励磁条件下 ,将在线圈中产生很大的感应电压噪声 ,可能比用于失超检测的电阻电压大几个量级 ,同时在大电流和快速励磁条件下失超保护对确保装置安全变得尤为重要。文中主要提出在超导线圈大电流和快速励磁条件下如何进行正确失超保护的一种方便又可行的工程方法 ,并在中科院等离子体所对 HT- 7U第一个超导中心螺管原型线圈进行的性能测试实验中取得了成功。     

一维热传播模型下高温超导带的失超特性研究

对Bi-2223/Ag高温超导带材的失超传播特性进行了研究。测量了Bi-2223/Ag带材在有绝缘材料包裹和液氮浸泡环境下的电压变化曲线,同时利用一维热流方程模型,模拟出超导体失超传播过程中由超导态过渡到正常态的温度变化行为,同时还对传输电流和触发能量对失超传播速度的影响进行了实验研究。这些工作对高温超导磁体及电力系统的应用有着重要的参考价值。     

超导储能系统的失超检测

超导磁体的失超检测与保护是超导电力技术实用化的一个重要课题。文中针对超导储能系统的特点,设计了一套用于超导储能(SMES)磁体的失超检测系统。该系统采用有源功率检测方法,通过对超导磁体上产生的失超信号进行隔离、放大、滤波以及比较等,实现失超信号的检测。实验结果表明,该失超检测系统能够及时准确的检测到失超信号,为超导储能系统的失超保护提供了可靠的前提条件。     

Electromagnetic viewpoints on a 200 kW MgB2 induction heater

In this paper an electromagnetic system for a 200 kW MgB₂ induction heater was designed to verify the feasibility of MgB₂ superconductor in a DC induction heating system. The final master plan connects the electromagnetic design to the cryogenic and mechanical designs including the required measurement system. The electromagnetic design consists of conductor development, dimensioning the superconducting magnets and the quench protection system analysis. The coil system must guarantee appropriate heating distribution in the aluminium billet. The conductor has to fulfill the requirements of the current carrying capability required by the coil design. Furthermore, the conductor layout and constituent materials affect greatly to the coil stability in fault conditions. The coil behaviour during a fault was studied by quench simulations. The protection system design was based on the results of the quench analysis.     

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。     

MICE超导耦合磁体分段内保护仿真研究

超导磁体失超过程中会产生过大内电压和局部温升,这有可能对磁体造成破坏。对超导磁体进行分段内保护是降低失超过程中内电压和局部温升的有效办法,但是分段后各段线圈之间相互耦合,使得失超过程分析复杂化。将已有的单段失超传播模型推广到分段保护磁体的失超分析,研发了失超过程仿真算法。应用该算法对M ICE超导耦合磁体在不同分段保护系统下的失超过程进行仿真研究,得到了电流、电压、温度等有关物理量变化曲线。仿真结果表明,通过选择合适的分段数和分段保护电阻,可以控制M ICE超导耦合磁体失超过程中内电压和局部温升在允许范围内。     

超导体电输运及交流磁化率双模式测量系统研制

介绍了一种基于小型制冷机的超导转变温度电输运和交流磁化率双模式单腔测量装置。该装置包括电输运法测量和交流磁化率法测量两部分,分别实现对高温超导薄膜样品的超导转变温度的测量。电输运法测量部分利用四点法测量原理对超导薄膜的电阻进行测量,获取电阻随温度变化的曲线;同时利用电流换向法消除热电势带来的测量误差,以进一步提高测量的精度。交流磁化率法测量部分利用的是电磁感应原理和超导磁效应。该部分包含有初级线圈和次级线圈,超导样品放置于两线圈之间。初级线圈用于产生交变激励磁场,次级线圈的输出信号反应了超导样品磁化率的变化,其输出信号由锁相放大器获取。测量过程中使用计算机自动记录测量数据。     

14T全身超导MRI磁体的技术挑战——大规模应用强场超导磁体未来十年的发展目标之一

本文首先综述了大规模应用的超导磁体,依赖并推动铌三锡Nb3Sn导线技术进步,向更强磁场发展的趋势.着重分析了超高场14 T全身MRI磁体的挑战性技术.选择青铜Nb3Sn导线,采用Nb3Sn线圈和NbTi线圈相结合的混合结构,对14 T全身MRI磁体进行了电磁概念设计和热稳定性及失超保护仿真分析,并简要阐述了14 T全身MRI磁体在应力、接头和匀场方面的关键问题.根据分析结果认为:1)Nb3Sn导线是14 T全身MRI磁体需要面临的首要挑战性问题—作为最佳选择的青铜Nb3Sn导线,其现有产品的性能指标离14 T全身MRI磁体的要求尚存在有一定的差距;2)14 T全身MRI磁体的失超保护涉及线圈的铜超比设计、运行电流同线圈电感的协调配置、被动保护的分段策略和主动保护的失超触发控制以及主动屏蔽结构磁体在失超过程中的逸散磁场限制等多个十分复杂的环节,是最具挑战性的综合性技术.     

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。     

50kA超导变压器初级绕组设计制作及低温通电实验

主要讨论了超导变压器初级绕组的设计、绕制以及低温通电实验,初级绕组主要采用2 942匝NbTi超导股线绕制,并经过真空压力浸渍而成。利用Ansys软件分析了其磁场分布。采用LHe浸泡式制冷,最大电流可达190A,中心场约为2T。     

中国科学院近代物理研究所磁体工程进展概述(英文)

本文着重论述了中国科学院近代物理研究所目前正在研制的三大磁体工程,它们包括重离子治癌工程(HIMM),强流重离子加速器(HIAF)工程,以及加速器驱动次临界系统(ADS)。在HIMM工程中的常规磁体建设中,着重介绍了联合运用钝化槽与活极头两项技术改善磁场品质的设计方法,并且运用Opera-3D设计软件,对该类高场常规磁体进行了数值分析,进一步地测量了该磁体磁场分布情况,相关的测量结果与数值模拟结果吻合良好。而对于正在处于预研阶段的HIAF工程中的快脉冲超导二极磁体,讨论了超导磁体的前期设计与结构优化技术,包括CACC超导线缆的结构设计,80 K冷屏与线圈盒结构的优化,力-磁耦合结构计算方法等。而在嬗变核废料处理的C-ADS注入器II中,核心部件是具有高磁场(高达7～8 T)的多层复合超导螺线管磁体结构,介绍了其在励磁和失超过程中相关磁学和力学多场实验测试工作。这些相关的设计和测量技术将为中国科学院近代物理研究所自主研制的磁体工程的物理和结构设计提供方法和指导。     

高温超导Bi2212 圆线材的热失超行为研究

为了及时的发现和保护超导体在失超过程中由于局部温度的突然升高而导致的材料的不可逆破坏行为,对于超导材料的失超行为深入地研究和定量地分析是必要的. 本文结合电场方程和热平衡方程, 建立了能够描述失超行为的热-电耦合方程, 并构建了能够表征多芯 Bi2212 圆线材结构的三维模型, 同时基于有限单元法进行数值计算, 研究其失超 行 为. 通过对比实验与研究结果验证模型的准确性和有效性, 继而研究了正常区传播速度(NZPV) 和最小失超能( MQE) 与运输电流之间的关系, 并给出了热失超过程中电流重分布过程.     

基于补偿法的超导单元交流损耗测量系统设计

交流损耗是影响超导电力装置运行稳定性和成本的关键因素之一.本文提出了一种基于电压补偿法的大载流超导单元交流损耗测量方法,通过串联在回路中的大电流补偿线圈,抵消超导单元的感性电压来实现.在系统设计上,通过数据采集卡和运动控制器,获取超导单元、补偿线圈的电压信号,同时控制步进电机拖动补偿线圈.通过相位的对比计算,实现精确定位补偿,从而测量超导单元的交流损耗.最后,在不同频率下,测量了0.2 m长、110 kV/1.5 kA的高温超导电缆样缆的交流损耗,得出的交流损耗曲线与计算结果基本吻合.实验结果表明,采用补偿线圈的交流损耗测量系统具有自动检测、定位和测量功能,可以实现具有大电流容量超导单元交流损耗的准确测量.     

Design of SC solenoid with high homogeneity

A novel kind of SC (superconducting) solenoid coil is designed to satisfy the homogeneity requirement of the magnetic field. In this paper, we first calculate the current density distribution of the solenoid coil section through the linear programming method. Then a traditional solenoid and a nonrectangular section solenoid are designed to produce a central field up to 7 T with a homogeneity to the greatest extent. After comparision of the two solenoid coils designed in magnet field quality, fabrication cost and other aspects, the new design of the nonrectangular section of a solenoid coil can be realized through improving the techniques of framework fabrication and winding. Finally, the outlook and error analysis of this kind of SC magnet coil are also discussed briefly.     

超导离子源铌三锡六极线圈镜像磁场约束结构的优化设计

中国科学院近代物理研究所正在进行国际首台45 GHz全铌三锡超导离子源FECR(Fourth Electron Cyclotron Resonance)磁体的研制,该离子源磁体线圈由六个铌三锡超导六极线圈和四个铌三锡超导螺线管线圈组成。由于单根超导线绕制异形六极线圈(非标准鞍型)技术难度大,且铌三锡超导性能对应力敏感,为了测试单个铌三锡六极线圈性能能否达到设计指标,基于铝合金壳层结构和Bladder-Key精确预紧技术,设计了镜像磁场约束结构。本工作主要阐述了运用ANSYS参数化设计编程对镜像磁场结构进行优化设计的过程和优化后的镜像磁场结构,确定了室温预应力大小,并给出了线圈经过室温预紧、冷却降温和加电励磁后的最大等效应力。进一步结合实际六极线圈制作公差(±0.1 mm),分析和评估了公差对镜像磁场结构中六极线圈预应力施加的影响。     

Heat propagation and stability in a small high Tc superconductor coil

Using a Bi-based small high T_c superconductor (HTSC) coil, we have studied its stability against a local disturbance and current-induced quench in the helium gas cooling condition. While the stability margin of HTSC coil against a local disturbance was very large, quench current was limited by a catastrophic temperature rise which originated from the nonlinear characteristic of the Joule heating. The crucial parameter for the quench becomes the nonlinear resistance in HTSC as a function of temperature and transport current. It has been shown that the dynamic characteristics of the quench can be described quantitatively by the simplified one-dimensional heat balance equation.     

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.     

内/外部励磁方式下高温超导环的俘获场特性

高温超导磁体在闭环运行时,可以提供稳定磁场,但是由于高温超导带材无法实现无阻焊接,成为高温超导磁体闭环运行的技术瓶颈.本文利用第二代高温超导带材制备闭环超导环,采用内部励磁和外部励磁对超导环进行励磁,在液氮温度中(77 K)测量超导环的中心俘获磁场.结果表明超导环在内部励磁俘获的磁场值比外部励磁俘获的磁场值高;外部励磁中,超导环中插入铁芯柱能提高俘获场;内部励磁中,超导环在螺线管闭环运行俘获的磁场值比开环运行俘获的磁场值高.结果对于高温超导闭环磁体励磁和高温超导带材磁通动力学研究具有很重要参考价值.     

基于PSCAD/EMTDC的高温超导电缆模型

在PSCAD/EMTDC中对国内首条110kV冷绝缘高温超导电缆建立了模型,该模型能够反映出电流在导体层和铜骨架之间的分流情况;将MATLAB与PSCAD/EMTDC通过接口程序连接,在MATLAB中编写了导体层阻值的计算程序,该程序考虑到了温度和电流的影响,能够反映出每一个采样时间段内阻值的变化情况;设置了单相接地故障,对故障电流下超导电缆的失超过程进行了仿真,得到并分析了失超过程中电流波形图以及导体层的温度曲线。