CN113871131A - 一种加速超导磁体失超传播电路 - Google Patents

一种加速超导磁体失超传播电路 Download PDF

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孙金水
刘辉
崔春艳
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Abstract

一种加速超导磁体失超传播电路，所述的加速超导磁体失超传播电路(10)由电容器(6)、开关(7)及加热器组件(9)串联连接组成。电容器(6)两端并联一个直流电压源(8)为其充电。加速超导磁体失超传播电路(10)并联连接在超导磁体(1)中Nb3Sn线圈组(2)的两端。当超导磁体(1)的任意一个超导线圈(L1‑L4)出现失超时，闭合开关(7)，此时电容器(6)与加热器组件(9)、超导磁体(1)形成RLC放电回路。加热器组件(9)和超导磁体(1)中将会流通高频交变电流。

Description

一种加速超导磁体失超传播电路
技术领域
本发明涉及一种加速超导磁体失超传播电路，特别涉及用于加速高磁场超导磁体中Nb3Sn线圈失超传播电路。
背景技术
用于超导磁体的超导体只有在满足特定条件，如温度、磁场、电流密度时才能体现超导特性。一旦特定条件被破坏，超导体将从超导态转变为正常态，称为失超。超导磁体的失超通常开始于某个线圈的局部。线圈局部失超区转变成带有一定电阻的正常区域，电流流经此正常区域将会产生焦耳热。
超导磁体可能储存有兆焦耳数量级的能量，在失超后，这些能量将在超导磁体的失超区中被消耗。如果没有采取有效的失超保护措施，就可能将整个超导磁体的储能消耗在失超的单个子线圈中，从而引起局部温度上升。严重的局部过热可能烧焦绝缘或熔化导体，同时失超也可能产生高电压击穿绝缘。
避免局部温升过高最有效的方法就是通过加速失超传播来扩展失超区域，使热量尽可能均匀消耗在整个超导磁体上。如果超导磁体在某一线圈的局部发生失超后迅速扩展到整个超导磁体失超，就意味着没有一个部分会达到危险温度。
超导磁体一般由多个同轴超导线圈组成。各个线圈之间有着很强的电磁耦合，但各个线圈之间的热耦合却很差，因此靠自发的失超传播速度极其缓慢。传统的失超保护方法一般在各组线圈表面安装加热器使得超导线圈提前失超，从而加快失超在各个线圈之间的传播。高磁场超导磁体一般由Nb3Sn线圈和NbTi线圈组成，Nb3Sn线圈位于内层的高磁场区域，NbTi线圈位于外层的低磁场区域。由于Nb3Sn超导体的临界温度较高，加热器加热Nb3Sn线圈发生失超的时间延迟较长；而且Nb3Sn线圈局部被加热器加热失超后，失超区扩展的速度依然缓慢。因此单靠安装加热器来加快失超传播的方法难以保证高磁场超导磁体失超后的安全。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中Nb3Sn线圈失超启动时间延迟长、失超扩展速度慢的缺陷，提出一种新的加速超导磁体失超传播电路。
本发明所适用的超导磁体由Nb3Sn线圈组和NbTi线圈组串联组成，其中Nb3Sn线圈组包含多个Nb3Sn线圈，NbTi线圈组包含多个NbTi线圈。超导磁体的所有超导线圈同轴沿径向排列，且没有热接触。电流源并联在超导磁体的两端，为超导磁体提供电流，电流源两端并联有二极管组件对电流源进行保护，二极管组件由多组背靠背反并联方式连接的二极管对串联组成。
超导磁体中的每个超导线圈均分别至少安装有一个紧密热接触的加热器。所有粘贴在超导线圈表面的加热器电气上串联连接在一起，形成加热器组件。
本发明提出的加速超导磁体失超传播电路由一个电容器、一个开关及所述加热器组件串联连接组成。电容器的两端并联一个直流电压源为其充电。加速超导磁体失超传播电路并联连接在Nb3Sn线圈组的两端。
当超导磁体通电正常运行时，加速超导磁体失超传播电路中的开关处于断开状态，此时直流电压源给电容器充电到目标电压值后保持电压恒定。当超导磁体的任意一个超导线圈出现失超时，立刻闭合加速失超电路中的开关，此时电容器与加热器组件、超导磁体组成RLC放电回路。加热器组件和超导磁体中将会流通高频交变电流。高频交变电流在超导线圈内产生大量耦合交流损耗热量，使得超导线圈温度快速上升，如此超导线圈温度距离失超临界温度的温差大幅缩小。同时高频交变电流在加热器组件内产生焦耳热量，使得加热器组件中的所有加热器温度快速上升，温度升高的加热器分别加热与其紧密热接触的超导线圈。由于超导线圈自身的温度也在同时上升，这样加热器加热超导线圈发生失超的时间延迟将缩短，加速了超导磁体的失超传播。
附图说明
图1本发明实施例的加速超导磁体失超传播电路示意图。
图中：1超导磁体、2Nb3Sn线圈组、3NbTi线圈组、4电流源、5二极管组件、6电容器、7开关、8直流电压源、9加热器组件、10加速超导磁体失超传播电路、L1-L2 Nb3Sn线圈、L3-L4NbTi线圈、R1-R4加热器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明所适用的超导磁体1由Nb3Sn线圈组2和NbTi线圈组3串联组成，其中Nb3Sn线圈组2包含多个Nb3Sn线圈L1-L2，NbTi线圈组3包含多个NbTi线圈L3-L4。超导磁体1的所有超导线圈L1-L4同轴沿径向排列且没有热接触。电流源4并联在超导磁体1的两端，为超导磁体1提供电流，电流源4的两端并联有二极管组件5对电流源4进行保护，二极管组件5由多组背靠背反并联方式连接的二极管对串联组成。
超导磁体1中的每个超导线圈L1-L4均分别至少安装有一个紧密热接触的加热器R1-R4。所有粘贴在超导线圈L1-L4表面的加热器R1-R4电气上串联连接在一起形成加热器组件9。
本发明提出的加速超导磁体失超传播电路10由一个电容器6、一个开关7及所述加热器组件9串联连接组成。电容器6的两端并联一个直流电压源8为其充电。加速超导磁体失超传播电路10并联连接在Nb3Sn线圈组2的两端。
当超导磁体1通电正常运行时，加速超导磁体失超传播电路10中的开关7处于断开状态，此时直流电压源8给电容器6充电到目标电压值并保持电压恒定。当超导磁体1的任意一个超导线圈L1-L4出现失超时，闭合开关7，此时电容器6与加热器组件9、超导磁体1组成RLC放电回路。加热器组件9和超导磁体1中将会流通高频交变电流。高频交变电流在超导线圈L1-L4内产生大量耦合交流损耗热量使得超导线圈L1-L4温度快速上升，这样超导线圈L1-L4温度距离失超临界温度的温差大幅缩小。同时高频交变电流在加热器组件9内产生焦耳热量，使得加热器组件9中的所有加热器R1-R4温度快速上升，温度升高的加热器R1-R4分别加热与其紧密热接触的超导线圈L1-L4。由于超导线圈L1-L4自身的温度也在同时上升，这样加热器R1-R4加热超导线圈L1-L4发生失超的时间延迟将缩短，加速了超导磁体1的失超传播。

Claims (2)

1.一种加速超导磁体失超传播电路，所述的超导磁体(1)由Nb3Sn线圈组(2)和NbTi线圈组(3)串联组成，其中Nb3Sn线圈组(2)包含多个Nb3Sn线圈(L1-L2)，NbTi线圈组(3)包含多个NbTi线圈(L3-L4)；所述的超导磁体(1)中的每个超导线圈(L1-L4)均至少安装有一个紧密热接触的加热器(R1-R4)；所有粘贴在超导线圈(L1-L4)表面的加热器(R1-R4)电气上串联在一起形成加热器组件(9)，其特征在于：所述的加速超导磁体失超传播电路(10)由一个电容器(6)、一个开关(7)及所述加热器组件(9)串联连接组成；电容器(6)的两端并联一个直流电压源(8)，为所述对岸容器(6)充电；加速超导磁体失超传播电路(10)并联连接在Nb3Sn线圈组(2)的两端。
2.按照权利要求1所述的加速超导磁体失超传播电路，其特征在于：当超导磁体(1)通电正常运行时，加速超导磁体失超传播电路(10)中的开关(7)处于断开状态，此时直流电压源(8)给电容器(6)充电到目标电压值，并保持电压恒定；当超导磁体(1)的任意一个超导线圈(L1-L4)出现失超时，闭合开关(7)，此时电容器(6)与加热器组件(9)、超导磁体(1)形成RLC放电回路；加热器组件(9)和超导磁体(1)中将会流通高频交变电流。
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CN102214911A (zh) * 2011-05-27 2011-10-12 中国科学院电工研究所 一种超导磁体失超保护装置
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