CN102346239A - 用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于快速交变磁场下失超检测系统和方法,系统包括失超检测传感器,光纤隔离器,二次补偿处理单元和失超探测器,失超检测传感器依次通过光纤隔离器和二次补偿处理单元与失超探测器相连,二次补偿单元外接有多个安装在交变电源上的电流传感器;失超检测传感器将获得的检测电压信号经过光钎隔离器后送入二次补偿处理单元,并与送入二次补偿处理单元的由多个安装在交变电源上的电流传感器获得的检测电压信号进行累加得到有效检测电压信号后送入失超探测器判别。本发明解决了大型超导磁体在工作电流急剧变化和磁场急剧变化环境下超导磁体可靠的失超探测的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于超导磁体的新型失超检测系统和方法,尤其适用于脉冲场下的失超检测。
背景技术
可控热核聚变能研究的一项重大突破,是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上。全超导托卡马克可实现稳态运行,并通过在稳态运行条件下大大改善约束,为未来稳态、先进聚变反应堆奠定工程技术和物理基础。未来商用堆必须是全超导,才能实现稳态运行。
传统的超导线圈超导保护信号检测方法主要包括:电压检测法,温升检测法,压力检测,流量检测法,超生波检测等。其中最有效而常用的检测法就是电压检测法。
目前主要的失超检测主要是针对稳态场下超导磁体的失超检测,一般电流变化缓慢,只有几A到几十A每秒的电流变化率,传统的电压检测法是采用电桥平衡原理。这种检测法存在以下缺陷:一:存在失超检测盲点,如果桥路两端出现对称性失超,会出现保护盲点或检测延误;二:抗电磁干扰能力很弱,无法抵消快速磁场变化所产生的感应干扰,只适用于稳态场或自身磁场变化很缓慢(几A每秒电流变化率下)同时受周围影响很弱的磁场环境下的失超检测。
发明内容
以往的失超检测主要是针对稳态场下超导磁体的,一般说来,低温超导磁体应当避免工作电流的急剧变化和磁场的急剧变化,因为这些急剧变化极有可能导致失超。随着超导技术的发展,超导磁体由于其功耗极小、体积小和稳定性高等优点,在热核聚变、超导储能磁体、高能物理、固体物理、生物物理、医学等基础学科研究中得到了越来越广泛的应用。在很多场合下需要超导磁体能够在交变的电流下运行,所以迫切需要提供一种安全,准确,快速的可应用于交变磁场下的有效的失超检测方法。本发明提供了一种适合于快速交变磁场下的电压失超检测方法,此方法不仅适用于适用于低温超导(NbTi,Nb3Sn,MgB2),也适合于高温超导磁体(Bi2223,YBCO)运行在交变磁场环境下的失超检测。
本发明的技术方案如下:
一种用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,其特征在于:包括失超检测传感器,光纤隔离器,二次补偿处理单元和失超探测器,所述失超检测传感器由相互绝缘的超导线圈与同绕线绕在一起组成,其中同绕线的一端和超导线圈的一端焊接在一起,同绕线另一端和超导线圈的另一端分别通过导线接入光纤隔离器,所述的光纤隔离器通过二次补偿处理单元与失超探测器相连,所述的二次补偿单元外接有多个安装在交变电源上的电流传感器;失超检测传感器将获得的检测电压信号经过光钎隔离器后送入二次补偿处理单元,并与送入二次补偿处理单元的由多个安装在交变电源上的电流传感器获得的检测电压信号进行累加得到有效检测电压信号后送入失超探测器判别。
一种用于脉冲场下超导磁体的失超检测方法,其特征在于:其具体包括以下步骤:首先将相互绝缘的超导线圈与同绕线绕在一起组成失超检测传感器,失超检测传感器将获得的检测电压信号经过光钎隔离器后送入二次补偿处理单元;同时多个安装在交变电源上的电流传感器将获得的检测电压信号作为二此补偿信号经隔离、放大和滤波后送入二次补偿处理单元,再与失超检测传感器获得的检测电压信号上所带的自感应和耦合噪声按函数关系进行累加,抵消剩余噪声,获得信噪比30dB以上的有效检测电压信号,然后送入失超探测器;失超探测器对送入的有效检测电压信号做出判别,如果有效检测电压信号阈值超过设定的电压阈值且持续的时间超过设定的阈值时间,即判定超导线圈失超。
所述的用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,其特征在于:所述的同绕线和超导线圈具有相同尺寸和表面积。
所述的用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,其特征在于:所述的同绕线为金属导线。
所述的用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,其特征在于:所述的二次补偿处理单元包括信号采集单元、信号累加器单元和信号输出单元,其中信号采集单元分多路采集经光纤隔离器输入的信号,并将采集获得的多路信号在信号累加器单元上按设定的系数进行累加,最后通过处信号输出单元输出。
所述的用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,其特征在于:所述的失超探测器由电压比较器和时间比较器组成,电压比较器和时间比较器分别进行电压阈值判别和时间阈值判别,当送入信号如果电压值大于设定电压,且持续时间超过预设时间值,失超探测器输出故障信号。
为抑制交变磁场下产生电感的感应电压噪声,本发明首现采用将相同尺寸和面积的同绕线和超导线圈同绕,绕制过程中尽量紧密藕合,使线圈间的藕合系数K接近于1,利用相同扭距的次级感应回路来抵消磁场交变所产生的感应噪声,可以抑制将近98%左右磁场感应干扰。
但由于制作工艺上的限制,同绕线和超导线圈无法做到完全耦合,必然存在一定误差,当超导线圈电感较大,电流变化较快时(特别是几千A/s以上),自感产生的感应电压可能已有上千伏,在这种状况下同绕线法获得检测电压信号必然会有一定的残余感应电压。为抑制极快速交变磁场下超导线圈的感应噪声,本发明利用二次补偿信号处理系统,来抵消失超检测电压上剩余电磁感应噪声,可以将超导线圈运行脉冲磁场下自感应电压噪声及周围交变磁场所产生的耦合感应噪声彻底去除。
本发明利用装在交变电源上的电流传感器来跟踪交变电源电流变化值,将传感器获得的信号作为二此补偿信号经隔离、放大、滤波后引入二次补偿处理单元,再与失超检测传感器获得的检测电压信号上所带的自感应和耦合噪声按函数关系进行累加,最终可获得信噪比30dB以上的有效检测电压信号。
本发明的有益效果:
本发明首次解决了大型超导磁体在工作电流急剧变化和磁场急剧变化环境下超导磁体可靠的失超探测的难题,在EAST全超导托卡马克装置上首次将超导线圈代替所有的通电线圈,特别是极向场线圈以脉冲方式运行以实现等离子体建立和控制,磁场变化速率可达7T/S,最大电流变化可达20 KA/S。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
具体实施方式
参见图1,一种用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,包括失超检测传感器1,光纤隔离器2,二次补偿处理单元3和失超探测器4,失超检测传感器1由相互绝缘的超导线圈5与同绕线6绕在一起组成,其中同绕线6的一端和超导线圈5的一端焊接在一起,同绕线6另一端和超导线圈5的另一端分别通过导线接入光纤隔离器2,光纤隔离器2通过二次补偿处理单元3与失超探测器4相连,二次补偿单元3外接有多个安装在交变电源上的电流传感器11;失超检测传感器1将获得的检测电压信号经过光钎隔离器2后送入二次补偿处理单元3,并与送入二次补偿处理单元3的由多个安装在交变电源上的电流传感器11获得的检测电压信号进行累加得到有效检测电压信号后送入失超探测器4判别。
一种用于脉冲场下超导磁体的失超检测方法,具体包括以下步骤:首先将相互绝缘的超导线圈与同绕线绕在一起组成失超检测传感器,失超检测传感器将获得的检测电压信号经过光钎隔离器后送入二次补偿处理单元;同时多个安装在交变电源上的电流传感器将获得的检测电压信号作为二此补偿信号经隔离、放大和滤波后送入二次补偿处理单元,再与失超检测传感器获得的检测电压信号上所带的自感应和耦合噪声按函数关系进行累加,抵消剩余噪声,获得信噪比30dB以上的有效检测电压信号,然后送入失超探测器;失超探测器对送入的有效检测电压信号做出判别,如果有效检测电压信号阈值超过设定的电压阈值且持续的时间超过设定的阈值时间,即判定超导线圈失超。
同绕线6和超导线圈5具有相同尺寸和表面积。
同绕线6为金属导线。
二次补偿处理单元包括信号采集单元、信号累加器单元和信号输出单元,其中信号采集单元分多路采集经光纤隔离器输入的信号,并将采集获得的多路信号在信号累加器单元上按设定的系数进行累加,最后通过处信号输出单元输出。
失超探测器4由电压比较器13和时间比较器14组成,电压比较器13和时间比较器14分别进行电压阈值判别和时间阈值判别,当送入信号如果电压值大于设定电压,且持续时间超过预设时间值,失超探测器4输出故障信号。
以下结合附图对本发明作进一步的说明:
超导线圈5和同绕线6组成失超检测传感器获得的检测电压Ui, 检测电压信号Ui经光纤转换器7、8、9传输至控制系统,高压隔离电源变压器10做为电源隔离。
同绕线6选用锰铜线主要考虑其电阻率较高,强度好的特性,同绕线6做成玻璃丝挡边带与导体同绕,构成失超检测回路,获得取样电压作为失超检测电压。多个安装在交变电源上的电流传感器11选用Rogowsgi线圈,传统上一般选用Rogowsgi线圈测量线圈的电流特别适用于测量快速变化线圈电流值,Rogowsgi线圈测量电压做为补偿信号,主要在于其测得的电压信号与检测电压信号干扰噪声完全同步,将Rogowsgi线圈分别测量所有快速交变磁场线圈的输出信号作为二次补偿信号和失超检测取样电压按一定的函数关系处理,抵消自身线圈和其它快速交变线圈耦合产生的剩余感应电压,将获得的电压作为最终的失超检测量。
Claims (6)
1.一种用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,其特征在于:包括失超检测传感器,光纤隔离器,二次补偿处理单元和失超探测器,所述失超检测传感器由相互绝缘的超导线圈与同绕线绕在一起组成,其中同绕线的一端和超导线圈的一端焊接在一起,同绕线另一端和超导线圈的另一端分别通过导线接入光纤隔离器,所述的光纤隔离器通过二次补偿处理单元与失超探测器相连,所述的二次补偿单元外接有多个安装在交变电源上的电流传感器;失超检测传感器将获得的检测电压信号经过光钎隔离器后送入二次补偿处理单元,并与送入二次补偿处理单元的由多个安装在交变电源上的电流传感器获得的检测电压信号进行累加得到有效检测电压信号后送入失超探测器判别。
2.一种用于脉冲场下超导磁体的失超检测方法,其特征在于:其具体包括以下步骤:首先将相互绝缘的超导线圈与同绕线绕在一起组成失超检测传感器,失超检测传感器将获得的检测电压信号经过光钎隔离器后送入二次补偿处理单元;同时多个安装在交变电源上的电流传感器将获得的检测电压信号作为二此补偿信号经隔离、放大和滤波后送入二次补偿处理单元,再与失超检测传感器获得的检测电压信号上所带的自感应和耦合噪声按函数关系进行累加,抵消剩余噪声,获得信噪比30dB以上的有效检测电压信号,然后送入失超探测器;失超探测器对送入的有效检测电压信号做出判别,如果有效检测电压信号阈值超过设定的电压阈值且持续的时间超过设定的阈值时间,即判定超导线圈失超。
3.根据权利要求1所述的用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,其特征在于:所述的同绕线和超导线圈具有相同尺寸和表面积。
4.根据权利要求1所述的用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,其特征在于:所述的同绕线为金属导线。
5.根据权利要求1所述的用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,其特征在于:所述的二次补偿处理单元包括信号采集单元、信号累加器单元和信号输出单元,其中信号采集单元分多路采集经光纤隔离器输入的信号,并将采集获得的多路信号在信号累加器单元上按设定的系数进行累加,最后通过处信号输出单元输出。
6.根据权利要求1所述的用于脉冲场下超导磁体的失超检测系统,其特征在于:所述的失超探测器由电压比较器和时间比较器组成,电压比较器和时间比较器分别进行电压阈值判别和时间阈值判别,当送入信号如果电压值大于设定电压,且持续时间超过预设时间值,失超探测器输出故障信号。
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