CN107221401B - 一种超导磁体系统及其失超保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导磁体系统，包括超导磁体回路和失超保护回路，所述超导磁体回路包含若干个线圈单元和失超检测组件，所述线圈单元相互串联，且当任一线圈单元发生失超时，所述失超检测组件产生触发信号；所述失超保护回路包含储能组件、激发组件、电流引线和多个加热组件；所述加热组件与所述线圈单元热耦合，所述储能组件通过电流引线串联连接多个加热组件或所述激发组件，所述激发组件可响应所述触发信号而控制所述储能组件驱动所述加热组件发热。本发明的超导磁体回路与失超保护回路电气隔离，且失超保护回路的储能组件由外部独立提供，失超保护机制稳定、可靠，失超传播速度提高。此外，本发明还提出超导磁体系统失超保护的方法。

Description

一种超导磁体系统及其失超保护方法

【技术领域】

本发明涉及低温冷却的超导磁体，特别涉及一种在失超事件发生期间保护超导磁体免受损坏的保护电路及方法。

【背景技术】

磁共振设备的超导磁体通常由多个由超导线缆绕制而成的线圈或螺线管组成，超导线圈中的电流可产生整个超导磁体的磁场，且超导磁体运行在工作电流时存储有较大的能量。如目前常用的1.5T(特斯拉)和3.0T MRI超导磁体中，为了达到设计的磁场，施加在超导线中的运行电流通常要到数百安培，然而单根超导线缆的截面积通常却仅有平方毫米量级，为维持超导线缆的零电阻状态，超导线缆通常由外部包覆的铜基体和内部被包覆的铌钛合金所组成，在其正常工作的液氦温度下(约4.2K)，所有电流都会在铌钛合金内运行且不产生热量。然而，当某部分超导体由于外部热输入造成的温升失去其超导状态后，零电阻效应消失，原本在铌钛合金中的电流大部分会进入铜基体中运行，并且开始产生热量。此热量持续沿着各个方向在超导线圈内部传播，引发越来越多的超导体温升且失去超导状态，最终原先运行的数百安培电流耗尽至零，而超导磁体储藏的磁场能也全部转化为热能，引起液氦的大量蒸发，该过程被称为失超。然而通常情况下，失超现象在超导磁体的某一局部区域最先发生，最早转变为正常态的区域受到欧姆加热的时间最长，温度最高。超导磁体局部过热可能造成磁体不可逆转的损坏，还可能产生高电压引起磁体层间绝缘击穿，最为严重的是失超产的大量焦耳热散发出来导致液氦蒸发，体积急剧膨胀，使冷却管内部压力上升，造成低温制冷系统损坏。因此，在超导磁体的设计中必须考量出现失超情况下对超导磁体线圈的保护。

目前常见的做法是建立失超保护电路，如果超导线圈内部出现失超的部分，由其引发的内部电压差能够触发失超保护电路里的发热元件，通过发热元件的加热尽快的在超导磁体内的所有线圈中创建更多的失超区域，只要使得有足够多的非超导区域来承担整体的磁能转换而成的热能，而不是所有的热量都集中在局部区域释放，那么原先运行的强大电流就能够在数秒内衰减下来，而不会造成超导磁体线圈在失超过程中受到损坏。基于上述理论，失超在线圈内部引起的初始电压一旦出现，失超保护电路需要尽可能快地让电路中的发热元件加热相应的超导线圈部分，即尽快的让失超在超导磁体线圈中传播开来。从这个角度出发，失超保护又可以分为主动失超保护和被动失超保护，主动失超保护一般指的是利用计算机等类似的外部电子设备来探测失超出现的电压信号，然后同样是通过计算机等类似的外部电子设备发出指令让失超保护电路中发热元件加热超导线圈；被动失超保护一般指的是利用超导线圈内部产生的电压来驱动失超保护电路里的发热元件工作。但是主动失超非常依赖于外部电子设备对电压信号探测的准确性和稳定性，万一发生误报或者是漏报，都会造成额外的液氦损耗或者造成超导磁体的损坏。被动失超保护一方面存在失超开始时间点和超导线圈内部电压峰值调和的矛盾；另一方面，由于低电流运行下的失超，其超导线圈内部驱动电压增长的速率相对较慢，所能达到的峰值也相对较小，在这种情况下失超保护电路的后继反应速度也会相应变慢，往往需要通过实验的拟合、校准才能达到最终的优化设计。因此，有必要对现有超导磁体失超保护电路进行改进。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种超导磁体系统，其具有失超保护措施，可有效避免超导磁体在失超过程中损坏。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种超导磁体系统，包括超导磁体回路和失超保护回路：

所述超导磁体回路包含若干个线圈单元和失超检测组件，所述线圈单元相互串联，且当任一线圈单元发生失超时，所述失超检测组件产生触发信号；

所述失超保护回路包含储能组件、激发组件、电流引线和多个加热组件；所述加热组件与所述线圈单元热耦合，所述储能组件通过电流引线串联连接多个加热组件或所述激发组件，所述激发组件可响应所述触发信号而控制所述储能组件驱动所述加热组件发热。

进一步地，所述失超检测组件可采用温升检测、压力检测、超声波检测、流速检测或电压检测中的至少一种方法监测所述线圈单元。

进一步地，所述失超检测组件为设置在所述线圈单元不同节点的电阻器，所述电阻器与所述激发组件之间热耦合。

进一步地，所述激发组件为失超保护开关，所述失超保护开关设置在所述加热组件连接所述储能组件的电流引线接口之间。

根据本发明另一方面，一种超导磁体系统，包括：

超导磁体，由多个线圈单元串联组成，用于产生磁场；

失超检测组件，设置在线圈单元的节点之间，用于监测至少包含一个线圈单元的节点的电压差，并产生触发信号；

若干个加热组件，与线圈单元热耦合，且所述加热组件组成串联回路，所述串联回路还包括可连接储能组件的接口；

储能组件，被配置为在所述超导磁体发生失超期间驱动所述加热组件；

激发组件，设置在可连接储能组件的接口之间且与所述失超检测组件热耦合，所述激发组件响应所述触发信号而断开与所述储能组件的连接。

进一步地，所述储能组件为磁场储能电源，所述磁场储能电源可以将存储的磁场能转化为电能。

进一步地，所述储能组件为恒流源。

进一步地，所述失超检测组件为电阻器，所述电阻器响应所述线圈单元不同节点的电压差而产生触发信号，所述触发信号为所述电阻器产生的热量。

进一步地，所述失超检测组件还串联有二极管集成组件，所述二极管集成组件由以反并联方式放置的两个二极管组成。

本发明还提出一种超导磁体系统失超保护的方法，所述超导磁体系统包括若干个由线圈单元串联组成的超导磁体，所述方法包括如下步骤：

提供失超保护电路和失超检测组件，所述失超检测组件被设置在所述线圈单元的不同节点之间，所述失超保护电路包含储能组件、激发组件和多个加热组件，且所述加热组件与所述储能组件连接组成第一电流路径，所述激发组件与所述储能组件连接组成第二电流路径；

当线圈单元未发生失超时，所述储能组件的电流全部流过所述第二电流路径；

当任一线圈单元发生失超时，所述失超检测组件承受电压，产生触发信号；

所述激发组件响应所述触发信号而断开与所述储能组件的连接，使所述储能组件流出的电流全部流过所述第一电流路径；

所述储能组件驱动所述加热组件发热，且所述加热组件对线圈单元加热。

与现有技术相比，本发明的优点在于：失超保护电路与超导磁体回路之间电气隔离或不存在磁通干扰，通过在线圈单元的不同节点之间设置失超检测组件产生可触发失超保护电路工作的触发信号，超导磁体线圈回路与失超保护回路完全隔离，失超保护电路的工作不受超导磁体运行电流或磁通的影响，失超保护机制更稳定、可靠；失超保护电路驱动加热组件的能量来自于外部，而非超导磁体本身，在触发信号触发失超保护电路的瞬间，储能组件流出的电流全部或大部由未失超前流经连接失超保护开关的第二电流路径改为流经连接加热组件的第一电流路径，加热组件即开始以设定峰值功率工作，而不存在某些低电压时段加热器不工作的现象，失超传播更迅速，进一步减小超导磁体承载高电流的风险。

【附图说明】

图1为本发明超导磁体系统失超保护的方法流程图；

图2为本发明实施例一的超导磁体系统电气示意图；

图3为本发明实施例二的超导磁体系统电气示意图；

图4为本发明实施例三的超导磁体系统电气示意图。

【具体实施方式】

使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的超导磁体系统，包括超导磁体回路和失超保护回路，其中超导磁体回路包含若干个线圈单元和失超检测组件，线圈单元相互串联，且失超检测组件可在任一线圈单元发生失超时，产生触发信号；失超保护回路包含储能组件、激发组件、电流引线和多个加热组件；加热组件与线圈单元热耦合，储能组件通过电流引线串联连接多个加热组件，激发组件，与失超检测组件连接，且激发组件可响应所述触发信号而控制所述储能组件驱动加热组件发热。失超检测组件可采用温升检测、压力检测、超声波检测、流速检测或者电压检测等任一方法检测超导磁体系统是否发生失超，例如：温升检测可测量超导磁体的温度变化；压力检测可测量低温容器内压力的变化；流速检测可测量液氦等冷却介质流速的变化；超声波检测可测量超声波信号的输入输出间的变化；电压检测可测量超导磁体的线圈单元节点之间施加电阻等器件电压分量的变化。激发组件与失超检测组件之间的连接可采用信号传输导线电气连接，还可热耦合连接、无线传输等其他任意可传播触发信号的连接方式。

根据本发明的另一方面，超导磁体系统包括：由多个串联连接的线圈单元组成的超导磁体，线圈单元可在注入持续电流作用下产生磁场；失超检测组件，设置在线圈单元的节点之间，即与线圈单元呈并联连接关系，当监测到线圈单元不同节点之间存在一定量级的电压差时，产生触发信号；若干个加热组件，可与线圈单元对应，并热耦合至线圈单元，上述加热组件串联连接组成串联回路，串联回路还包括可连接储能组件的接口；储能组件，被配置为在超导磁体失超期间驱动所有加热组件在电流或电压作用下产生欧姆热量；激发组件，设置在可连接储能组件的接口之间，可响应触发信号而断开与储能组件的连接，具体可设置为失超保护开关。更具体地，超导磁体系统的线圈单元由超导线缆绕制而成，且多个线圈单元串联连接并封闭在装有液态氦或者其他冷却剂的低温保持容器中。此外，超导磁体系统还包括低温开关以及连通到低温保持容器外部的电流引线所组成的回路。具体为：当线圈单元处于超导临界温度以下时，线圈单元的电阻减小到可以忽略的等级，外部的励磁电源可通过正负极电流引线向线圈单元注入电流，实现对超导磁体的励磁操作。为了在断开外部的励磁电源之后保持超导磁体中的电流流动，在励磁电源的正负输出端之间还设置有低温开关，而低温开关实际上是一段与线圈单元并联且在其上附着或热耦合有发热器的超导体导线，超导体导线通常由NbTi、Nb₃Sn等材料制成。当与超导体导线附着或热耦合的发热器开始工作，低温开关处于电阻模式，如果此时超导磁体系统通过电流引线与励磁电源连通，低温开关具有足够大的电阻使来自励磁电源的电流大部分流过线圈单元，而只有很小的电流经过低温开关(低温开关此时相当于断开状态)；在励磁电源作用下，超导磁体线圈单元中的回路电流不断提升并产生磁场；当超导磁体线圈单元提升至设定电流值，低温开关的发热器停止工作，低温开关在冷却剂作用下从电阻模式转变为超导模式(低温开关此时相当于闭合状态)；当与电流引线连接的励磁电源向下匀变时，流经低温开关的电流将增加与流经外部电源的电流中所减少的电流量相同的量，一旦励磁电源完全向下匀变，就可以除去电流引线，以使超导磁体系统处于“持久模式”的状态，并限制超导磁体系统中的热损失。

处于“持久模式”的超导磁体系统中的电流基本上保持不变，然而，当超导磁体线圈单元中存在某种缺陷、产生位置移动或机械碰撞甚至外部热源的作用时，会导致超导磁体局部线圈单元零电阻效应消失，即从超导模式转变为电阻模式。当电流连续流动通过各个线圈单元，电阻性部分铌钛合金中的电流大部分会进入线圈单元的铜基体中产生欧姆热，该部分的欧姆热导致线圈单元的相邻部分变为电阻性进而导致热量持续沿着各个方向在超导磁体线圈单元内部传播，最终使得运行在线圈单元中的电流全部转化为欧姆热量。

为保证在其中一个线圈单元失超时，触发整个磁体失超且尽可能均匀地扩散磁体热量，此外，还尽量保证超导磁体所有线圈单元不会因为过热而损坏。如图1所示，本发明提出一种在失超事件期间保护超导磁体系统免受损坏的方法：

在线圈单元的不同节点之间设置电阻器作为失超检测组件，通过监测线圈单元不同节点间的电压差而产生触发信号；提供与超导磁体线圈单元电气隔离的失超保护电路，失超保护电路包括储能组件、加热组件以及可用作激发组件的失超保护开关，且储能组件与加热组件组成第一电流路径，储能组件可与失超保护开关组成第二电流路径。具体保护方法为：

在超导磁体系统正常运行且线圈单元未发生失超时，失超检测组件不产触发信号，储能组件的电流全部流过所述第二电流路径或仅仅有微小的部分在第一电流路径流通。

当超导磁体任一线圈单元发生失超，对应失超线圈单元会产生电阻效应，从而引起线圈单元不同节点的电压发生变化，产生电压差；上述电压差加载到处于对应节点之间的电阻器(失超信号触发组件)上，电阻器上流过相应的电流且产生欧姆热量，该电阻器上产生的热量即为失超检测组件产生的触发信号；

触发信号被失超保护电路的失超保护开关响应，产生开关信号；该开关信号控制储能组件驱动与线圈单元热耦合的加热组件：失超保护开关与储能组件的连接断开，使储能组件的电流全部流过第一电流路径或仅有微小部分在第二电流路径流通。储能组件通过加热组件可以将存储的能量或电能转化为热量对所有线圈单元加热，进而在加热组件附近的所有超导磁体线圈单元上引发进一步的失超传播。需要说明的是，当线圈单元未发生失超时，失超检测组件承载的电压很小，以至到可以忽略的量级，可认为失超检测组件不承受电压。

如图2为本发明实施例一的超导磁体系统电气示意图。具体地，若干个由NbTi或Nb₃Sn等铜基超导导线绕制的线圈单元10被串联连接，并通过正负极电流引线11、12与外部励磁电源连接。与此同时，低温开关13与外部励磁电源连接，并与线圈单元10并联。此外，在中间包含一个线圈单元10的两个节点A1、A2之间并联设置有可用作失超检测组件的电阻器14。本发明的超导磁体系统还包含有失超保护电路，包括：磁场储能电源21作为储能组件，具体为包含若干个超导线圈的电流回路，可通过连接外部电源将电能转化为超导线圈的磁场能，磁场储能电源21的超导线圈与线圈单元10之间电气隔离且两者之间不存在磁通干扰；串联连接的加热组件R1-R3，具体为电阻性加热器，加热组件被配置为与线圈单元一一对应，通过电流引线22在接口U1、U2连接磁场储能线圈，且加热组件R1-R3产生的热量可热耦合至线圈单元10；失超保护开关23，设置在可连接磁场储能电源21的接口U1、U2之间，且被设置在与电阻器14紧靠的位置，即两者存在热耦合。磁场储能电源21可与加热组件R1-R3连接组成第一电流路径，磁场储能电源21还可与失超保护开关23连接组成第二电流路径。需要说明的是，电阻器14与失超保护开关23之间不存在任何电气连接，且失超保护开关23采用的超导线通常是铜镍合金基材，其电阻率、导热率等性能与超导磁体线圈单元10中的铜基超导线截然不同，仅需要加热其绕组中的很小部分就可以引发整个绕组的失超。因此，通过适当的设计，可以使得在采集的失超电压信号极小的时刻就触发失超保护开关23进入其电阻态。本实施例中各种电气元件的具体参数可根据实际需要调节，各电气元件如线圈单元10、加热组件的数目也不作具体限制，可优选设置为一一对应，其中一个示例性参数设置如下：

超导磁体正常工作电流为400A；

超导磁体线圈单元的电感为35H；

低温开关13处于电阻模式的阻值约为100Ω；

失超保护电路的失超保护开关23处于电阻模式的阻值约为500Ω；

磁场储能电源21的磁场储能线圈电感为1H；

用作失超信号触发组件的电阻器14阻值约为1kΩ；

加热组件R1-R3的阻值都设置为10Ω。

上述超导磁体系统的工作过程为：

(1)失超保护电路储能阶段：将外部的直流电源的正负输出端分别在接口U1、U2与失超保护电路的正负电流引线22相连接，并将失超保护电路的失超保护开关23切换成电阻态(断开状态)，然后开始通过外部的直流电源来增加储能超导线圈内部的电流，当到达设计电流值后，则将失超保护电路的失超保护开关23切换成超导态(闭合状态)，随即降低外部电源的输出电流直到零。此时失超保护回路的电流全部流过第二电流路径或仅有微小部分在第一电流路径流经，能量都以磁能的形式储藏在磁场储能电源21的超导线圈中。由于这个失超保护电路中的超导线端头之间都会进行超导接头的操作，所以整个回路中的电阻很小以及其发热耗能可以忽略不计，在任何一次失超触发之前，储能超导线圈中的能量都可以被认为和最初输入的能量基本相等。

(2)励磁阶段：在磁场储能电源完成储能后，可以进行超导磁体系统的励磁操作，具体使用外部的励磁电源通过正负极电流引线11、12为线圈单元10提供爬升电流，低温开关13此时为断开状态；当线圈单元提升至设定电流值，低温开关从电阻模式转变为超导状态(即相当于闭合状态)；随即减小励磁电源的电流(在此过程中，流经低温开关13的电流增加量与励磁电源的电流减小量相同)，直至励磁电源可以完全撤去，线圈单元10与低温开关13所组成的电流回路，超导磁体系统可产生均匀的磁场。需要说明的是，本实例中失超保护电路中的磁场储能线圈和线圈单元10之间的互感近似为零，因此在线圈单元10励磁的过程中，磁场储能电源21的磁场储能线圈中的电流不会发生变化。无论在励磁过程中还是在励磁结束后超导磁体系统持续运行期间，在线圈单元10的两端(例如任一个超导线圈的两端或者串联在一起的若干个线圈单元的两端)采集出一个电压差，这个电压差将直接加载在电阻器14的两端。该电阻器14被设置为紧靠失超保护电路的失超保护开关23上，但电阻器14与失超保护开关23之间没有任何的电气连接。在超导磁体系统的线圈单元10爬升电流的过程中(包含爬升结束后线圈单元流经稳定、持续电流运行期间)，失超现象一旦发生，内部电压采集点之间即会开始产生一个电压差，与此同时在电阻器14上产生相应的电流，从而生成失超触发信号(电阻器上产生的热量)。

(3)失超信号传播：在采集的失超电压信号极小的时刻就触发失超保护电路的失超保护开关23进入其电阻态。在本实例中激发组件失超保护电路的失超保护开关23在电阻模式下的阻值远大于失超保护电路的加热组件R1-R3总体电阻值(两电气元件的阻值可根据实际情况调节)，一旦失超保护开关23进入其电阻态，与其电气连接的加热组件R1-R3会瞬间承担原本失超保护开关23支路承担的主要电流，即失超保护电路的电流主要流经第一电流路径或仅有微小部分流过第二电流路径，并将失超保护电路中预先储藏的磁场能转化成热能释放出来。由于加热组件R1-R3对与其耦合的线圈单元10加热，在超导磁体系统的每个线圈单元10上都会形成可观的非超导态区域，并且以此区域向相邻的区域开始进一步的失超传播，不断扩大的非超导态区域同时释放焦耳热量，将超导磁体储藏的磁能迅速转换为热能。与此同时超导磁体系统的运行电流迅速的下降，在数秒之内达到近似零。通过本发明失超保护电路的设计，超导磁体内部发生失超现象后，可在极短的时间内将运行电流降至近似零值，各个线圈单元在这个过程中的温升、内部电压峰值等有可能损坏超导线圈的因素都得到了合理的控制，保护了整个超导磁体的安全。

需要说明的是，上述过程一旦被触发，整个热能释放进程都和失超前超导磁体系统的运行状态等参数(如运行电流)无关，具有非常好的重复性。此外，本发明失超保护电路中的加热组件R1-R3在被触发的最初时刻就会以设计中的峰值功率工作，随后其发热功率逐渐减小直到零；而传统的被动失超保护电路中加热组件或发热元件的工作模式是：功率逐渐增大到峰值，然后再逐渐减小回归零。相比较之下，传统的被动失超保护电路会多出一个等待发热元件或加热组件功率爬升到有效发挥失超传播功能之前的时间段。而本实例中，失超保护电路中的发热元件会在被触发的最初时刻就开始发挥其失超传播的作用，省去了上述功率爬升的时间段，响应时间更短，失超传播更迅速。

如图3为本发明超导磁体系统实施例二的电气示意图。由NbTi或Nb₃Sn等铜基超导导线绕制的5个线圈单元10被串联连接到正负极电流引线11、12，用于与外部励磁电源连接，对应地加热组件也设置为R1-R5。与此同时，低温开关13与外部励磁电源连接，并与上述线圈单元10并联。此外，在中间包含3个线圈单元10的两个节点B1、B2之间并联设置有可用作失超检测组件的电阻器14，其余电气元件的设置与实施例一基本类似。对应地，本实施例中超导磁体系统的工作过程也与实施例一类似，包括失超保护电路储能阶段和励磁阶段以及失超信号传播阶段，其区别在于：本实施例中用作失超检测组件的电阻器14设置在包含三个线圈单元的节点之间，可同时监测连续三个线圈单元之间的电压变化。当R1-R5任一线圈单元发生失超，上述三个线圈单元之间的电压和就会发生变换，从而采集到电压差，产生失超触发信号。此外，本实施例的用作失超检测组件的电阻器14还串连有二极管集成组件15，两个二极管以反并联的方式设置，当被监测线圈单元两端的电压差超过一定值，电阻器14才有电流流过，并产生触发信号，用于防止假性失超现象。此外，需要说明的是，为防止失超过程中电流过大而导致失超检测组件的损坏，还可设置失超检测组件的保护电路，如串连温度热敏电阻或设置限压电路。

如图4为本发明超导磁体系统实施例三的电气示意图。具体地，由NbTi或Nb₃Sn等铜基超导导线绕制的线圈单元10被串联，连接到正负极电流引线11、12，用于与外部励磁电源连接。与此同时，低温开关13(设置在正负极电流引线之间)与外部励磁电源连接，并与线圈单元10并联。此外，在一个线圈单元10的两端节点C1、C2还并联设置有可用作失超检测组件的电阻器14。本发明的超导磁体系统还包含有失超保护电路，包括：直流电流源30，用作储能组件，具体为为恒流电流源，可提供恒定的直流电流值；串联连接的加热组件R1-R3，具体为电阻性加热器，加热组件被配置为与线圈单元一一对应，通过电流引线22，在接口U1、U2连接直流电流源30，且加热组件R1-R3产生的热量可热耦合至线圈单元10；用作激发组件的失超保护开关23，设置在可连接直流电流源30的接口U1、U2之间，且被设置在与电阻器14紧靠的位置，即两者存在热耦合。直流电流源30可与加热组件R1-R3组成第一电流路径，还可与失超保护开关23组成第二电流路径。需要说明的是，电阻器14与失超保护开关23之间不存在任何电气连接，且失超保护开关23采用的超导线通常是铜镍合金基材，其电阻率、导热率等性能与超导磁体线圈单元10中的铜基超导线截然不同，仅需要加热其绕组中的很小部分就可以引发整个绕组的失超。因此，通过适当的设计，可以使得在采集的失超电压信号极小的时刻就触发失超保护开关23进入其电阻态。上述超导磁体系统的工作过程为：

(1)失超保护电路运行在恒流模式：将一个外部的直流电流源30的正负输出端分别在接口U1、U2与失超保护电路的正负电流引线22相连接，并将失超保护电路的失超保护开关23切换成超导模式(闭合状态)，然后增加外部直流电流源30的输出，直到达到目标预设值为止。之后，直流电流源30将输出恒定的直流电流值，即采取恒流模式运行。由于加热组件的两端设置有有一个阻值接近零的失超保护开关23，而加热组件R1-R3的电阻远大于开关处于超导模式的阻值，直流电流源30所输出的电流几乎可以认为全部在第二电流路径，而仅有微小的电流在第一电流路径流通。

(2)励磁阶段：在保证失超保护电路运行在恒流模式后，可以进行超导磁体系统的励磁操作，具体使用外部的励磁电源通过正负极电流引线11、12为线圈单元10提供爬升电流，低温开关13此时为断开状态；当线圈单元提升至设定电流值，低温开关从电阻模式转变为超导状态(即相当于闭合状态)；随即减小励磁电源的电流(在此过程中，流经低温开关13的电流增加量与励磁电源的电流减小量相同)，直至励磁电源可以完全撤去，线圈单元10与低温开关13所组成的电流回路，超导磁体系统可产生均匀的磁场。无论在励磁过程中还是在励磁结束后超导磁体系统持续运行期间，在线圈单元10的两端(例如任一个超导线圈的两端或者串联在一起的若干个线圈单元的两端)采集出一个电压信号，这个电压信号将直接加载在电阻器14的两端。该电阻器14被设置为紧靠失超保护电路的失超保护开关23上，但电阻器14与失超保护开关23之间没有任何的电气连接。在超导磁体系统的线圈单元10爬升电流的过程中(包含爬升结束后线圈单元流经稳定、持续电流运行期间)，失超现象一旦发生，内部电压采集点之间即会开始产生一个电压差，与此同时在电阻器14上产生相应的电流，从而生成失超触发信号(电阻器上产生的热量)。

(3)失超信号传播：本实施例中，失超保护开关23所使用的超导线为铜镍合金基材，其电阻率、导热率等性能异于超导磁体系统中线圈单元10所用的铜基超导线，在采集的失超电压信号极小的时刻接收到电阻器14上生成的失超触发信号就触发失超保护电路的失超保护开关23进入其电阻态。本实例中失超保护电路的失超保护开关23在电阻模式下的阻值远大于失超保护电路的加热组件R1-R3总体电阻值，一旦失超保护开关23进入电阻态(相当于断开状态)，与其电气连接的加热组件R1-R3会瞬间承担原本失超保护开关23支路承担的主要电流(直流电流源30所输出的电流几乎可以认为全部在第一电流路径，而仅有微小的电流在第二电流路径流通)，随即开始释放热能，并一直保持以失超保护电路的直流电源30预先设定的恒定直流工作。需要说明的是，传统被动失超保护电路则会多出一个等到加热组件R1-R3爬升至有效发挥失超传播功能之前的时间段，而本发明失超保护电路在最初触发时刻至失超保护结束，由于外部直流电源电流恒定，加热组件R1-R3的功率始终处于最大峰值处，失超传播更迅速，响应及时。

由于加热组件R1-R3对与其耦合的线圈单元10加热，在超导磁体系统的每个线圈单元10上都会形成可观的非超导态区域，并且以此区域向相邻的区域开始进一步的失超传播，不断扩大的非超导态区域同时释放焦耳热量，将超导磁体系统线圈单元10储藏的磁能迅速转换为热能。与此同时超导磁体系统的运行电流迅速的下降，在数秒内可近似为零。通过本发明失超保护电路的设计，超导磁体内部发生失超现象后，可在极短的时间内将运行电流降至近似零值，各个线圈单元在这个过程中的温升、内部电压峰值等有可能损坏超导线圈的因素都得到了合理的控制，保护了整个超导磁体的安全。

本发明超导磁体系统所使用的失超保护电路，不会受到超导磁体线圈在失超发生时刻运行状态(运行电流)的影响，也不会受到整个超导磁体系统在失超过程中各种运行参数剧烈变化(磁场和电流迅速衰减)的影响。对于设计中心磁场大于或等于3.0特斯拉的超导磁体，在失超过程中每个超导线圈的两端都会产生很高的电压，如果利用超导线圈两端的电压来驱动失超保护电路的加热组件R1-R3，加热组件被烧毁的风险很大。本发明释放给加热组件的能量等于预设的能量值，即使在设计中心磁场较高的超导磁体中也可以确保发热元件的安全性。此外，本发明的失超保护电路，由于不采用超导磁体线圈内的电压差驱动加热组件，因传统驱动方式往往存在约1s左右的低电压工作时间段，而在这段时间内，加热组件由于没有到达峰值电压，失超传播作用无法正常发挥；本发明采用超导磁体回路与失超保护回路电气隔离的方式，单独设置失超保护回路的储能组件，在失超信号触发的瞬间，储能组件即刻驱动加热组件发挥失超传播作用，因此不存在低电压时间段加热组件不工作的情况，可以将超导磁体所经历的高电流、高风险时间压缩到最小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超导磁体系统，包括超导磁体回路和失超保护回路，其特征在于：

所述超导磁体回路包含若干个线圈单元和失超检测组件，所述线圈单元相互串联，且当任一线圈单元发生失超时，所述失超检测组件产生触发信号；

所述失超保护回路包含储能组件、激发组件、电流引线和多个加热组件；所述加热组件与所述线圈单元热耦合，所述储能组件通过电流引线串联连接多个加热组件或所述激发组件，所述激发组件与多个加热组件呈并联连接关系，且所述激发组件可响应所述触发信号而控制所述储能组件驱动所述加热组件发热；

所述失超检测组件为设置在所述线圈单元不同节点的电阻器，所述电阻器与所述激发组件之间热耦合。

2.根据权利要求1所述的超导磁体系统，其特征在于，所述失超检测组件可采用温升检测、压力检测、超声波检测、流速检测或电压检测中的至少一种方法监测所述线圈单元。

3.根据权利要求1所述的超导磁体系统，其特征在于，所述激发组件为失超保护开关，所述失超保护开关设置在所述加热组件连接所述储能组件的电流引线接口之间。

4.一种超导磁体系统，其特征在于，包括：

超导磁体，由多个线圈单元串联组成，用于产生磁场；

失超检测组件，设置在线圈单元的节点之间，用于监测至少包含一个线圈单元的节点的电压差，并产生触发信号；

若干个加热组件，与线圈单元热耦合，且所述加热组件组成串联回路，所述串联回路还包括可连接储能组件的接口；

储能组件，被配置为在所述超导磁体发生失超期间驱动所述加热组件；

激发组件，设置在可连接储能组件的接口之间且与所述失超检测组件热耦合，所述激发组件响应所述触发信号而断开与所述储能组件的连接。

5.根据权利要求4所述的超导磁体系统，其特征在于，所述储能组件为磁场储能电源，所述磁场储能电源可以将存储的磁场能转化为电能。

6.根据权利要求4所述的超导磁体系统，其特征在于，所述储能组件为恒流源。

7.根据权利要求4所述的超导磁体系统，其特征在于，所述失超检测组件为电阻器，所述电阻器响应所述线圈单元不同节点的电压差而产生触发信号，所述触发信号为所述电阻器产生的热量。

8.根据权利要求7所述的超导磁体系统，其特征在于，所述失超检测组件还串联有二极管集成组件，所述二极管集成组件由以反并联方式放置的两个二极管组成。

9.一种超导磁体系统失超保护的方法，所述超导磁体系统包括若干个由线圈单元串联组成的超导磁体，所述方法包括如下步骤：

提供失超保护电路和失超检测组件，所述失超检测组件被设置在所述线圈单元的不同节点之间，所述失超保护电路包含储能组件、激发组件和多个加热组件，且所述加热组件与所述储能组件连接组成第一电流路径，所述激发组件与所述储能组件连接组成第二电流路径；

当线圈单元未发生失超时，所述储能组件的电流全部流过所述第二电流路径；

当任一线圈单元发生失超时，所述失超检测组件承受电压，产生触发信号；

所述激发组件响应所述触发信号而断开与所述储能组件的连接，使所述储能组件流出的电流全部流过所述第一电流路径；

所述储能组件驱动所述加热组件发热，且所述加热组件对线圈单元加热。

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