CN108292553A - 超导磁体中的失超保护 - Google Patents

Abstract

一种防止超导磁体失超的方法，超导磁体具有包括高温超导体HTS材料的至少一个初级线圈。设置次级HTS带，次级HTS带与初级线圈接近并且与初级线圈电绝缘，并且被配置为在磁体操作期间在比初级线圈更低的温度下停止超导。检测次级HTS带中超导性的失去。响应于所述检测，能量从初级线圈转储到外部电阻性负载中。

Description

超导磁体中的失超保护

技术领域

本发明涉及超导磁体中的失超保护。特别地，本发明涉及用于识别可能的失超的方法和装置，以便可以在包含高温超导体的磁体中采用保护措施。

背景技术

超导磁体是由超导材料的线圈形成的电磁体。由于磁体线圈的电阻为零，因此超导磁体可以承载零损耗的高电流(尽管非超导组件会有一些损耗)，因此可以达到具有比传统电磁体低的损耗的高场。

超导性仅在某些材料中且仅在低温下发生。超导材料起到由超导体的临界温度(材料在零磁场中为超导体的最高温度)和超导体的临界场(材料在0K下为超导体的最高磁场)限定的区域中的超导体的作用。超导体的温度和存在的磁场限制了超导体在不变为电阻性的情况下超导体能够承载的电流。

一般来说，存在两种类型的超导材料。低温超导体(LTS)的临界温度低于30-40K，高温超导体(HTS)的临界温度高于30-40K。目前许多HTS材料的临界温度高于77K，这允许使用液氮进行冷却。

超导磁体中可能发生的一个问题是失超。当超导线圈的一部分进入电阻性状态时发生失超。这可能是由于温度或磁场的波动或超导体中的物理损伤或缺陷(例如，如果磁体用于聚变反应堆中通过中子照射)而发生的。由于磁体中存在高电流，即使当超导体的一小部分变为电阻性时，超导体也快速升温。在LTS磁体中，这快速提高周围区域的温度。这使得周围区域也变为电阻性，并且这在链式反应中继续，这使得非常迅速转向整个磁体电阻性(一直到几秒，取决于线圈的尺寸)。

由于HTS磁体的温度裕度较大，材料在较高温度下的比热较高，因此HTS磁体中的失超不会快速地传播。这会导致对磁体更大的损坏，原因在于磁体中的所有能量都沉积在非常小的电阻性体积中。

失超导致磁体中的能量转换为热，这会使任何液体冷却剂汽化，并可以导致磁体的永久性损坏。磁场中存储的能量由下式给出：

即，磁通密度越大和体积越大，磁体的储存能量就越大。强大的磁体释放的能量可以处于与炸药棒爆炸类似的量级。

传统的失超管理方法是提供外部电阻负载，当检测到局部失超时，电流可以被“转储”在外部电阻性负载中。上述简化示意图如图1所示。在正常操作期间，开关1闭合，开关2打开，从而使电压转储短路。当检测到失超时，开关2闭合，开关1打开。这使电源短路，并且迫使来自超导磁体的电流通过恒压转储(即外部电阻性负载)。对于HTS磁体，电流可以转储到磁体的远离原始热点的部分，以便将能量沉积扩散到更多的线圈上，从而限制任一点处的温度升高。

如图2所示，HTS带11夹在铜层12之间以形成诸如线缆的导体。铜稳定器12充当HTS带11的外部电阻性负载。铜稳定器12用于在失超期间导出过量电流(通过电流流14示出)，并且还去除一些热。通过增加HTS导体中的铜的量可以降低失超初始热区13加热的速率，增加HTS导体中的铜的量降低了铜的电阻并增加了其热容量。

但是，在需要较小直径导体的应用中，铜稳定器会显著增加导体的尺寸。例如，在一个球形托卡马克核聚变反应堆中，中心柱需要尽可能小，以便尽可能减小设备尺寸和成本，并提高反应堆的效率(通过增加纵横比，并通过增加等离子体内表面处的磁场)。较薄的导体意味着磁体可以在任何应用中制造得更加紧凑，并且可以增加某些几何形状中的可用场(即，对于磁场随与电流的距离而变化的几何形状，然后具有较厚铜层将增加电流与使用该场的区域之间的距离)。

如果能够快速检测到失超并且快速激活转储系统，则可以减少所需的铜量。但是，过度敏感的检测系统往往会产生错误的触发，导致磁体不必要的关闭。因此重要的是获得具有最小噪声的尽可能最快的失超检测。

图3示出了失超期间热点温度的曲线图，其转储激活时间为2s。温度从30K升高到217K。但是，如果能够检测到失超并且在1s内打开转储开关，则对于相同的温度升高可以显著减少铜的量(在这种情况下，减少至原始横截面积的83％)。

传统的失超检测方法是在超导线圈两端使用电压抽头。本质上，测量线圈两端的电压，并且如果在指定电压范围之外检测到任何电压，则这表示线圈的一部分已经变为电阻性并且正在开始失超。然而，初始热区通常非常小，因此电阻(因而产生的电压)为低。在磁体通电期间，即使努力消除掉感应电压效应，也会存在这些感应电压效应，这可能会使电阻电压淹没。从嘈杂的背景信号中过滤真正的失超信号需要时间，并且具有高的错误率。

发明内容

根据一个方面，提供了一种防止超导磁体失超的方法，所述超导磁体具有包括高温超导体HTS材料的至少一个初级线圈。设置次级HTS带，次级HTS带与初级线圈接近并且与初级线圈电绝缘，并且被配置为在磁体操作期间在比初级线圈低的温度下停止超导。检测次级HTS带中超导性的失去。响应于所述检测，能量从初级线圈转储到外部电阻性负载。

在磁体操作期间，次级HTS带中的电流与初级线圈中的电流相比可以占其临界电流的较多部分。

次级HTS带可以被设置为一对带，带沿相反的方向承载电流并且彼此平行且相邻地放置。

检测超导性的失去可以包括检测次级HTS带的两点之间超过预定值的电压差。

根据第二方面，提供了一种用于与超导磁体一起使用的失超保护系统，所述超导磁体具有包括高温超导体HTS材料的至少一个初级线圈。该系统包括次级HTS带、检测单元和失超保护单元。次级HTS带被配置为定位与磁体的初级线圈接近并且与所述初级线圈绝缘，并且在磁体的操作期间在比初级线圈低的温度下停止超导。检测单元被配置为检测次级HTS带中的超导性的失去。失超保护单元被配置成响应于所述检测而使能量从初级线圈转储到外部电阻性负载。

次级HTS带可以包括一对HTS带，该对HTS带彼此平行且相邻地放置并且被配置为沿相反的方向承载电流。

根据另一方面，提供了包括初级线圈的超导磁体和根据第二方面的失超保护系统，初级线圈包括高温超导体HTS材料。

根据又一方面，提供了一种用于核聚变反应堆的环向或极向场线圈，该环向或极向场线圈包括高温超导体HTS材料和根据第二方面的失超保护系统。

附图说明

图1是失超保护系统的一部分的电路图；

图2是HTS导体中的热点的示意图；

图3是示例性HTS导体中的热点的温度相对于时间的曲线图。

具体实施方式

为了提供更快和更可靠的失超检测，必须减小使失超检测信号模糊的噪声，或者必须增大信号本身。下面提出了一种解决方案，与传统方法相比，提供了极大改进的检测速度和可靠性。

第二种解决方案涉及使用“金丝带(canary tape)”。接近磁体的(“初级”)线圈设置次级HTS带。次级带被配置为使得在磁体的操作期间在较低温度下(例如在比初级线圈停止超导的温度低约5K至约80K的温度下)停止超导。次级HTS带可以在物理上被削弱，例如，通过中子照射或化学蚀刻，或者可以是具有比初级线圈的HTS更低的临界温度的替代HTS材料。

由于次级HTS带在比初级线圈温度更低的温度下停止超导，所以它通常会比初级线圈更快地变为电阻性，或者如果初级线圈中形成热点则将很快变为电阻性。因此，次级带两端的电压可以被认为是初级带中可能存在失超的指示。由于次级带不需要磁体的功能，因此对失超的检测可以等待，直到次级HTS带两端的电压降足够高，以便容易地从电噪声中突出，这极大地降低了错误警报的风险，并因此降低了检测信号所需的处理(和时间)。一旦检测到失超，失超检测系统会使磁体中的能量转储到外部电阻性负载，从而减轻失超的影响。

在一个实施例中，次级HTS带被设置为彼此平行且相邻地放置并且沿相反的方向承载电流的一对带。这确保了次级带所产生的场基本上被抵消，并且使次级带包围的环的尺寸最小化，这减小了感应效应。

次级带可以承载比初级线圈低得多的电流，从而次级带需要极少的铜以在发生失超时保护它。在一个实施例中，次级带可以被视为一次性的，并且设置有很少保护或不设置保护，但是这要求由次级带中的失超释放的能量不足以对磁体的其他组件造成损伤。磁体可以被配置为使得在能量从磁体转储之后可以容易地更换次级带。

可以在磁体的不同区域设置多个次级带，其性质取决于该区域。例如，在18T下的环向磁场线圈的中心柱中使用的带在2T处可能不会检测到返回臂中的失超，直到它太迟检测到，因此可以在较低的磁场中使用更敏感的带。

Claims (9)

1.一种防止超导磁体失超的方法，所述超导磁体具有包括高温超导体HTS材料的至少一个初级线圈，所述方法包括：

设置次级HTS带，所述次级HTS带与所述初级线圈接近并且与所述初级线圈电绝缘，并且被配置为在所述磁体的操作期间在比所述初级线圈更低的温度下停止超导；

检测次级HTS带中超导性的失去；

响应于所述检测，将来自初级线圈的能量转储到外部电阻性负载中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述磁体的操作期间，所述次级HTS带中的电流与所述初级线圈中的电流相比占其临界电流的较多部分。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述次级HTS带设置为一对带，所述带沿相反的方向承载电流并且彼此平行且相邻地放置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，检测超导性的失去包括检测次级HTS带的两点之间超过预定值的电压差。

5.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述次级HTS带停止超导的温度与所述初级线圈的HTS带停止超导的温度之间的差值为约5开尔文到约80开尔文。

6.一种与超导磁体一起使用的失超保护系统，所述超导磁体具有包括高温超导体HTS材料的至少一个初级线圈，所述系统包括：

次级HTS带，被配置为定位与所述磁体的所述初级线圈接近并与所述初级线圈绝缘，并且在所述磁体的操作期间在比所述初级线圈低的温度下停止超导；

检测单元，被配置为检测次级HTS带中的超导性的失去；

失超保护单元，被配置为响应于所述检测而使能量从所述初级线圈转储到外部电阻性负载。

7.根据权利要求7所述的失超保护系统，其中所述次级HTS带包括一对HTS带，所述一对HTS带彼此平行且相邻地放置并且被配置为沿相反的方向承载电流。

8.一种超导磁体，包括初级线圈和根据权利要求7或8所述的失超保护系统，所述初级线圈包括高温超导体HTS材料。

9.一种用于核聚变反应堆的环向或极向场线圈，所述环向或极向场线圈包括高温超导体HTS材料和根据权利要求7或8所述的失超保护系统。