CN114641838A - 失超保护装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于超导磁体的失超保护装置。该装置包括：超导磁体，其包括多个磁体区段；多个变阻器，其中所述多个变阻器中的每个变阻器并联地电连接在所述多个磁体区段中的相应磁体区段两端；以及加热器装置，其电连接到所述多个变阻器，并且被配置为响应于所述多个变阻器中的任何一个或多个变阻器两端的电压的变化而向所述多个磁体区段中的每一个磁体区段施加热。还公开了一种保护超导磁体的方法。

Description

失超保护装置

技术领域

本发明涉及失超(quench)保护装置。特别地，本发明涉及一种用于超导磁体的失超保护装置，该装置包括多个变阻器，该多个变阻器连接在超导磁体的多个区段中的相应区段两端。

背景技术

超导体(特别是超导磁体)中的失超是其中超导性的突然损失，并且发生在磁体线圈的一部分恢复到正常的电阻状态时。各种条件可以导致发生失超，通常是磁体内部的过度场或其变化率，或者物理缺陷。在线圈的已经不再具有超导性的部分处产生的快速、局部化的焦耳加热反过来升高了周围区域的温度，这是由在该位置处继续流动的高电流引起的。因此，导致这些区域进入正常的电阻状态，并且因此产生加热链反应，由此整个磁体上的温度被升高到超导阈值之上并且磁体恢复到正常状态。

当失超发生时，电流的突然减小可以导致感应电压尖峰和电弧。磁体和其它部件可能被这些高压和热效应损坏。此外，对于通过低温流体保持在其低操作温度的“湿”磁体，例如液氦浴(bath)磁体，当作为超导体操作时存储在磁体中的大量能量的快速转变成热导致低温流体的突然的、潜在爆炸性的汽化。此外，利用这些“湿”磁体，前述流体的汽化可能产生窒息危险。

由于线圈中电阻增加，发生的失超将导致流动的电流减小。然而，电流通常缓慢下降，因为失超可能花费几秒来传播，这取决于线圈的尺寸。另外，磁体区段通常与一个或多个其它区段串联操作，并且在这种情况下，如果仅一个区段失超，则其它磁体的电感将产生电压，该电压被引导以便维持电流，这可以使得存储在那些连接的磁体区段中的能量以及发生失超的磁体区段中的能量被转储到后者中。

已知为超导磁体配备安全装置，该安全装置适于在失超发生之后尽快停止或限制电流，并且通过将所产生的热扩散或消散到遍及磁体区段和与其连接的其它磁体区段的最大可能程度，来避免热能在失超磁体内的不期望的和潜在的破坏性集中。用于实现这种扩展效应的已知方法是，当在磁体线圈中检测到失超时，通过故意加热其他线圈来启动其他线圈中的失超。

在感应的超导磁体区段两端使用电阻器和二极管是已知的失超保护方法。电阻器通常由镍铬(NiCr)、不锈钢或在给定温度下具有线性电压-电流特性的其它电阻材料制成。在这种现有的保护系统中，借助于互感和电流到电阻器中的循环，失超完全被动地传播通过线圈组。这可以被称为“被动”保护方法。

可以通过每个区段中的电流变化率或达到临界电流来实现失超的启动。在一些系统中，加热器网络用于启动相邻线圈中的失超以加速失超。这可以被称为“利用加热器的被动(passive with heater)”方法。加热器由在发生失超的区段和/或磁体的其它保护区段之一上的电阻器两端产生的电压驱动。

替代地，可以在外部检测失超，并且作为响应，可以引起电容放电或电池放电，其用于点燃，即触发或驱动磁体内的加热器。这种类型的保护可以被称为“主动”。

用于失超保护的现有解决方案具有许多缺点。例如，当传统电阻器用于具有高场磁体的保护装置中时，如果过电流通过那些电阻器，则它们可能熔化并由于开路而失效，从而可能以不受控制的方式产生接地且在磁体的各部分之间的电弧。在这种情况下，可能对磁体造成损坏。此外，可能花费长的时间段来建立磁体区段两端的电压(通常大约100ms)，这限制了由被动布置和利用加热器的被动布置提供的保护的响应性。

需要一种免受超导磁体中的失超的改善方式，其例如通过以下方式实现：更有效的驱动“利用加热器的被动”系统中的加热器；进一步增加并加速能量耗散；以及具体地提供对紧凑的高场和高电流密度磁体的改善的保护。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于超导磁体的失超保护装置，该装置包括：超导磁体，其包括多个磁体区段；多个变阻器，其中所述多个变阻器中的每个变阻器并联地电连接在所述多个磁体区段中的相应一个磁体区段两端；以及加热器装置，其电连接到所述多个变阻器，并且被配置为响应于所述多个变阻器中的任何一个或多个变阻器两端的电压的变化而向所述多个磁体区段中的每一个磁体区段施加热。

发明人已经意识到在低温环境下可以有利的利用变阻器，并且变阻器可以用来改善对磁体失超的保护。变阻器是具有根据所施加的电压变化的电阻，通常其电阻随着电流的增加而降低。图1A示出了变阻器的电流电压关系与固定或线性的电阻器的电流电压关系之间的比较。变阻器因此可以被理解为是与电压相关的非线性电气部件。它们通常可以被表征为具有在较低电压下的高电阻，其随着电压的增大而减小，如上所述。响应可以被理解为通常遵循s形曲线(sigmoidal curve)。这些部件通常在其他技术领域中用作电压浪涌限制器。已经发现，在具有低温超导体(LTS)或高温超导体(HTS)磁体区段的保护电路中使用变阻器。这种装置能够在磁体失超开始时在变阻器两端产生较高的电压和电流。这种效应可以用来针对线圈来驱动失超加热器，这些线圈与失超线圈相邻或以其他方式定位成能够对失超线圈施加热以加速失超，或者改变磁体区段之间的电流分布，以加速整个磁体两端的失超。以此方式，使用该装置而不是常规的基于电阻器的装置，可以更快地实现失超在整个磁体的传播。因此，该装置可以更可靠地且响应地使失超在整个磁体蔓延开来，从而消除高度局部加热的不利影响。有利地，通过变阻器装置促进能量在磁体中快速消散，可以降低在发生失超时产生的线圈热点。本公开中使用的术语“电压”可以被理解为指代电势差。即，变阻器两端的电压可以被理解为其两端的电势差。

如上所述，使用变阻器的重要意义在于，通常，在低电流下，变阻器两端的电压将相对较高，同时保持在最大电流下的预定范围内。变阻器关于电流的性质可以通过关系式V＝CI^β近似得到，其中，V是变阻器两端的电压；β是非线性参数；C是1A电流流过变阻器时的电阻。针对任意给定材料，这些参数通常在不同操作温度下不同。作为数量级的指导，在室温下，包括碳化硅(SiC)材料的变阻器可以通常具有值β～0.5；包括氧化锌(ZnO)材料的变阻器可以通常具有非线性参数值β～0.05。优选地，基于通常由其β和C参数值量化的非线性和电阻性质，来选择多个变阻器中的一个或多个。

作为说明，图1B和图2示出了β＝0.5、C＝15的变阻器与1Ω线性电阻器之间比较的特征电压电流图。在图1B中，绘出了整个感兴趣范围内的响应。假设受保护磁体区段两端的最大允许电压是250V，这对应于在使用1Ω线性电阻器的情况下的250A的电流。所选变阻器两端的电压将在该电流的电压极限内。在图2中，曲线的扩展部分以较低电流示出。在该区域中，变阻器两端的电压高于在相同电流流过变阻器的情况下变阻器两端的电压。“被动”失超加热器可能需要100V以便可靠地激活，该电压以变阻器的小于50A的电流达到，而可以看出，将需要100A的电流流过1Ω电阻器，以便实现这一目的。

在各种实施例和配置中，导致向磁体施加热的电压变化可以是电压值的正向或负向变化。通常，该装置适于基于电压变化满足预定条件来施加热，该预定条件优选地是电压变化的幅度(即电压变化的起始值与电压变化到的值之间的差的绝对值)满足或超过配置的或预定的阈值差值。

在一些优选实施例中，所述加热器装置被配置为响应于所述多个变阻器中的任何一个或多个变阻器两端的电压达到阈值而施加热。以这种方式，该变化可以使得该区段两端的电压变得等于或超过阈值。通常，这包括超过阈值的电压的幅度或其幅度，因为这些值可以是正的或负的，如上所述。

如本公开中所述的装置可以有利地依赖于特定方式，其中当在其两端连接变阻器以加热磁体或磁体的一些其它部分的磁体区段中发生失超时，变阻器两端的电压改变，以便减轻在初始区段中发生的失超。原则上，这可以通过单个加热器实现。然而，在优选实施例中，加热装置包括多个加热器。更优选地，一个或多个加热器被布置成使得围绕整个超导磁体或者其至少一部分的热分布最大化，在该部分中通过加热来引起失超。因此，在一些实施例中，加热器装置包括多个加热器，其中所述多个加热器中的每个加热器被定位用于向所述多个磁体区段中的相应一个施加热，或被配置成在使用中向所述多个磁体区段中的相应一个施加热。为每个磁体区段提供被配置成在任何区段中发生失超时激活的相应加热器，使得磁体内的能量能够更快且更有效地耗散。

一些优选实施例可以被理解为类似于上述“利用加热器的被动”保护方案。因此，在一些实施例中，加热器装置被配置为由于多个变阻器中的所述一个或多个两端的电压变化，通过焦耳加热的方式，生成将被施加到多个磁体区段中的每一个的热。通过连接到包括变阻器的保护电路的一个或多个加热器产生或增加的电流来被动驱动加热器保持了被动方案的上述益处，同时还通过变阻器实现了装置对磁体的任何部分中的失超的响应性的显著改进。

通常，在每个磁体区段两端连接的变阻器被提供为单个变阻器部件。然而，在优选实施例中，多个变阻器中的一个或多个或全部均包括两个或多个变阻器部件。也就是说，在这样的实施例中，每个变阻器部件单独地是变阻器，并且在那些应用中，那些部件一起被配置成在充当给定磁体区段两端的变阻器的组中操作。在各种实施例中，这些包括多个变阻器部件的复合变阻器中的每一个可以包含两个、三个、四个、五个或更多或任何数量的这样的部件。对于装置中的多个变阻器中的任何两个，每个变阻器中的变阻器部件的数量可以相同或不同，例如这取决于它们所涉及的超导磁体线圈的结构。

在使用包含多个组合在一起的变阻器部件的变阻器的情况下，以堆叠的形式提供成组合在一起的部件可能是有利的。因此，优选实施例包括具有可堆叠的几何形状的这些变阻器部件，例如，所述几何形状例如为瓦片状、板状或圆盘状。在一些优选的实施例中，每个变阻器部件形成为盘，并且对于包括两个或更多个所述变阻器部件的一个或多个变阻器中的每一个，变阻器部件布置成堆叠。

另外，或者替代利用变阻器来激活“利用加热器的被动”保护电路，主动保护电路也可以从对变阻器两端的失超的电压响应中受益。特别地，变阻器的使用及其在失超发生时产生快速电压增加的能力对于主动方案是有用的，因为电压变化可以用作信号或触发器以激活被外部地驱动、供电或配置的保护装置或系统，而不是由从电压变化产生的电流驱动。

因此，在一些实施例中，该装置还包括主动失超保护系统，该主动失超保护系统包括：失超检测器模块，其被配置为基于在所述多个磁体区段中的一个或多个两端连接的所述多个变阻器中的一个或多个两端的电压达到预定失超阈值电压值，来检测在所述多个磁体区段中的一个或多个中发生的失超，所述预定失超阈值电压值可以与先前提到的阈值电压值相同或不同。所述主动失超保护系统还可以包括失超电感器系统，所述失超电感器系统被配置为响应于所述失超检测器模块检测到失超发生，在所述多个磁体区段中的一个或多个磁体区段中实现失超条件。这种装置的优点在于，通过采用变阻器可以更快速地达到阈值电压，这意味着可以更快速地触发这些主动保护方案，这些主动保护方案以它们在整个磁体中感应失超的方式变化，如下面进一步解释的。

变阻器两端电压快速上升的具体益处在于，在磁体电流与磁体操作电流成比例地较低时发生失超的情况下，保护电路中的一个或多个变阻器两端的电压可能上升到高于用于主动失超的触发电平，而在常规电阻器保护的情况下，电压将低于该电平，并且加热器电路将不触发。通常应当理解，在这种情况下，“低”电流通常对应于小于磁体操作电流一半的电流。因此，在一些采用主动保护系统的实施例中，所述装置可以被配置为使得当通过所述磁体区段的电流的幅值小于与所述磁体的操作电流对应的预定电流值的50％时，在所述多个磁体区段中的一个或多个中发生的失超，使所述多个变阻器中的一个或多个两端的电压达到所述预定失超阈值电压值。这样，与传统方法相比，这种装置扩展了失超保护。这可以通过所述装置实现，具体地，变阻器被配置为使得在低于基于电阻器的保护装置将被激活的电流水平的电流水平下满足用于触发主动保护的电压条件。在一些优选实施例中，该装置可以被配置成使得当所述电流幅度小于所述操作电流的40％、30％、20％或10％时，所述电压达到预定失超阈值电压值。

本公开中描述的装置可以用于保护各种类型的超导磁体。除了低温超导体(LTS)磁体之外，包括高温超导体(HTS)部件以及LTS部件的混合磁体通常需要替代或附加装置，以便有效地保护HTS区段。尽管一些实施例可能对两种类型的超导体线圈采用相同的失超保护，但是通常应用于LTS的失超保护方法不一定适用于保护HTS磁体区段，或在保护HTS磁体区段方面不一定特别有效。

HTS相对于LTS的“稳定性裕度”可以理解为最小失超能量密度，典型地为HTS比LTS线圈大三个数量级。这例如在以下文章中得以解释：Springer(2009年第二版)中的作者Iwasa的“超导磁体案例研究”(Case Studies in Superconducting Magnets)的第6.2.6节，特别参考了表6.4。这意味着由HTS导体缠绕的磁体通常比LTS绕组更稳定地抗干扰，并且更不可能失超。

虽然HTS绕组可以不失超，但HTS磁体区段不能被损坏的情况不是必须的。尤其在HTS部分被布置为插入或在使用中容纳在LTS磁体内的磁体中，损坏是可能的。通常在这种配置中，随着LTS绕组中的电流衰减，由于根据楞次定律的电感耦合，在HTS绕组中引起增加的电流。一种可能的损坏机制是所产生的附加应力使磁体绕组过度应变。

更大的稳定性还意味着使用通常应用于LTS磁体的装置或方案来激发用于保护磁体的失超相当困难。此外，如果在HTS线圈中局部地引起失超，则由于相同的原因，失超不太可能传播通过导体绕组。因此，不恰当地应用的局部加热器可能具有产生热点的不期望的效果，原则上导致HTS中的过热损坏。

为了解决这些差异，已经使用替代装置来保护HTS磁体和由混合磁体构成的HTS绕组。存在基于电压信号或变化检测或磁体已经失超的另一指示而触发的不同HTS保护方案的许多示例。一个示例是打开开关以将来自线圈的能量耗散到磁体外部。另一个示例是主动施加交流电，以便在绕组主体内而不是在线圈表面局部地引起加热。根据后一示例的装置在EP 3014634 B1中解释，在此称为“耦合损耗感应失超”。

在一些实施例中，可以采用用于保护HTS磁体和磁体部件的现有装置，其中LTS/HTS混合超导磁体要受到保护。在这样的实施例中，超导磁体区段包括至少一个低温超导体LTS磁体区段和至少一个高温超导体HTS磁体区段，并且其中失超保护装置包括HTS失超保护系统，其适于响应于在多个变阻器中的任何一个或多个两端的电压达到阈值电压值，将失超保护应用于至少一个HTS磁体区段中的每一个。如上所述，典型地，HTS区段被布置成在使用中作为LTS磁体区段内的插入物。可以使用用于将磁体的HTS插入部分与LTS部分结合的各种构造，这可以被称为“外接标签(outsert)”。例如，LTS和HTS部分可以分别使用两个电源供电，这两个电源可以是不同的，例如它们可以在不同的电流下操作。在一些实施例中，这两个部分可以串联连接以用单个电源来运行，并且可以在相同的电流下操作。其它配置也是可能的，并且可以涉及感应耦合以激励所述区段。特别是当任意磁体区段中发生失超时，HTS系统通常使用电压条件作为触发，以实现用于保护HTS区段的技术。

如上所述，HTS失超保护系统适于通过以下方式中的任意一个或多个来应用失超保护：使能量从所述至少一个HTS磁体区段耗散到所述磁体外部的主体；以及施加具有预定频率和幅度的交流电，所述预定频率和幅度被配置为在所述至少一个HTS磁体区段的线圈内引起焦耳加热。通过打开开关以将能量从线圈传递到外部连接的部件，可以使能量耗散。

在各种实施例中，不同类型的变阻器可以用于连接在磁体区段两端，包括本公开中较早提及的类型。优选地，由于它们的特性，该装置包括碳化硅(SiC)变阻器。更优选地，多个变阻器中的一个或多个或子集包括碳化硅，并且更优选地，多个变阻器中的每一个变阻器包括碳化硅。

在一些优选实施例中，该装置所包括的变阻器是高能碳化硅变阻器。这些部件通常包括碳化硅，通常为颗粒形式，通常分散或以其它方式设置在由一种或多种粘合剂和/或添加剂形成的基质中。通常，基质由粘土材料形成。每个变阻器通常具有包括(一种或多种)所述材料的盘的形式，其中通常将电触点附接到所述盘。

通常，变阻器根据给定应用所需的特定特性来选择，包括变阻器的电压、电流和能量性质中的任何一种。另外，可根据部件的电阻的非线性程度来选择变阻器。这种非线性通常根据变阻器的β值来量化。

另外，由于根据本保护装置的典型变阻器的盘中的局部区域中的短路的故障模式，变阻器可能面临接近于其部件故障的挑战。根据典型实施例的变阻器的鲁棒材料成分有利地保持在低温环境中，这通常允许完成磁体测试而不会对地产生电弧并随后损坏磁体线圈。

各种SiC变阻器适用于本装置。发明人已经惊奇地发现，在低温环境中使用传统上用于室温应用的变阻器可以允许提供失超保护装置，其与现有保护系统相比提供了许多优点。变阻器和装置的其它部件，例如保护电路和/或加热器电路，通常被配置为在低温环境中操作。

有利地，该装置可以便于并入利用变阻器的独特性质的保护电路，以便以多种方式加速失超。

该装置可以是有益的，因为在低电流时涉及高电压，而在高电流时涉及低电压，这可以降低对磁体造成损坏的风险，同时最大化变阻器中的电流密度(与常规电阻器电路相比，变阻器通常保持更高的电平)。通常，对于较低电流的初始高电压以及随后的电阻下降，意味着可以以避免在磁体区段中建立高电流的方式来配置变阻器。

另外，在一些实施例中，来自变阻器的电压可用于更有效地驱动加热器，特别是在其它线圈中的一个或多个中可启动失超的速度方面。这还可以改进加热器在不同失超场景中的可靠性，因为加热器电压通常至少在某种程度上是自限制的。

优选地，变阻器被配置成使得发生电压钳位。因此，可以保持安全电压，由此无论过大电流如何，磁体线圈都得到保护。可以选择一个或多个变阻器所包括的SiC颗粒的尺寸，以便优化钳位电压和/或电流密度。

此外，“主动”保护电路优选地最初具有较大的区段电压，并且这通常使得能够在设定的电压阈值上更快地触发(正和负)。

在一些实施例中，主动保护电路和“利用加热器的被动”装置两者的组合是有益的，主动保护电路和“利用加热器的被动”装置中每个都是基于变阻器的，如上所述。例如，对于包括LTS和HTS元件的磁体，这种组合特别有价值，因为它使得两种不同的保护方案能够应用于它们最适合的元件。这将在下面更详细地讨论。

在一些优选实施例中，变阻器与背对背二极管串联连接在被保护的磁体区段两端。该装置可以包括设计成汲取更多电流并且特别地在“利用加热器的被动”场景中使加热器点火的保护电路。在这些实施例中有利地利用了已经被发现的变阻器的有利特性。

被动失超保护也可以通过该装置以改进的方式提供，特别是在低温条件下，例如在T＝4.2K，并且以这种方式可以提供故障安全操作。

如本公开中先前已经解释的，可以通过所描述的装置实现的关键优点是在给定磁体区段中出现的失超可以更快地传播到其它磁体区段。这通过提供作为该装置的一部分的保护电路来实现，以在整个磁体上快速施加热的方式连接的一个或多个加热器连接到该保护电路。优选地，加热器装置与多个变阻器相关联，使得当在多个磁体区段中的一个磁体区段中发生失超时，在所述变阻器两端产生的电压使加热装置向多个磁体区段中的至少一个另外的磁体区段提供热。

根据本发明的第二方面，提供了一种保护超导磁体的方法，所述超导磁体包括多个磁体区段，其中多个变阻器中的每一个并联地电连接在所述多个磁体区段中的相应一个两端，并且加热器装置电连接到所述多个变阻器，所述方法包括响应于所述多个变阻器中的任何一个或多个两端的电压的变化而将热施加到所述多个磁体区段中的每一个。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的示例，其中：

图1A和图1B是分别示出了在感兴趣的范围内典型变阻器与典型线性电阻器的特性比较以及示例性变阻器与电阻器的特性比较的曲线图；

图2是比较变阻器和线性电阻器在较低电流下的特性的曲线图；

图3是用于建模失超行为的磁体测试线圈的横截面的示意图，其中使用变阻器代替磁体失超保护装置中的电阻器；

图4是示出了两区段磁体两端的建模线圈电压的比较的曲线图，其中，两区段磁体具有利用变阻器保护的失超区段以及由固定电阻器保护的失超区段；

图5是示出了通过其中两个线圈都失超的磁体的建模线圈电流并且示出了当磁体用变阻器保护时和当其用线性电阻器保护时的电流的曲线图；

图6是示例性保护装置的示意图，示出了与超导磁体电路相关的保护电路，其中所示磁体是仅具有两个线圈区段的简化示例；

图7是包括根据本发明的保护装置的保护电路与根据现有技术的等效电路的比较的示意图，其中保护电路在一个受保护的线圈区段两端；以及

图8是示出根据本发明的示例性装置和保护电路的示意图，其中，用于LTS磁体上的内部激活的失超加热器与用于磁体中的HTS插入物的外部激活的失超保护的触发器组合。

具体实施方式

为了证明在失超保护装置中变阻器的能力，已经执行了失超建模。为了简单起见，并且考虑到更复杂的建模场景使变阻器的影响不太清楚或导致系统建模误差的倾向，已经使用简单的双线圈设计来测试该概念。这仅是为了说明的目的，并且设想失超保护装置可以用任何数量的磁体线圈来实现。计算机软件已经用于建模线圈配置和失超建模。

图3示出了穿过如在该一般示例中建模的圆柱形线圈的一半的截面。线圈被示出为以R＝0(对应于图中的y轴)为中心并且在z方向(平行于图中的x轴)上延伸的圆柱形块。线圈1和线圈2都由相同尺寸的铌钛(NbTi)导线组成，并且为了简单起见以及为了将失超建模结果与近似理论导出的分析计算进行比较，已经选择线圈以具有相当的电阻和电感。所用的变阻器参数是从它们在低温下的电压电流特性的实验测量结果中导出的。在磁体设计期间，超导线和其它材料特性以及所使用的其它内部模型参数已经被长期建立并且可靠地用于失超模型计算机程序中，并用于磁体测试结果的分析。

基于变阻器的失超保护对在失超区段两端的导出电压的影响已经通过对在线圈2中开始的失超建模而得到证明。已经发现，与用常规电阻器保护失超区段的情况相比，使用变阻器代替电阻器来保护磁体的情况导致电压的显著更快的上升。基于图4中所显示的数据，可以看出，通过使用保护电路中的适当变阻器而不是电阻器，可以提前大约50ms触发失超加热器。

为了证明使用变阻器对失超中线圈中感应的最大过电流的影响，已经运行了一种模型，其中两个建模的线圈都失超。因此，结果说明了其中已经触发了所有线圈上的失超加热器的情况。这也将近似于这样的情况，即来自其中开始失超的线圈的效应可以用于在第一线圈开始失超之后不久，在其它线圈中引起失超。

该模型显示，与用常规电阻器保护的磁体相比，当用变阻器保护磁体时，最慢的失超区段中的峰值电流大大降低。基于图5中所显现的数据，通过使用保护电路中的适当变阻器而不是常规电阻器，可以将峰值过电流减少一半以上。

图4和图5示出了失超建模的示例性输出。

现在描述采用由失超建模所展示的原理的失超保护装置的示例。

在一些示例中，变阻器优选地与“背对背”二极管串联连接在受保护磁体区段两端，其中所导出的电压用于在上述“利用加热器的被动”场景中激活加热器。诸如GB2514372B中描述的保护方案适于被实现为响应于变阻器两端的电压变化而保护磁体线圈的方法。

图6是第一示例装置的示意性表示，其中为了简单起见，示出了仅具有两个线圈区段的磁体。该装置的应用被设想为包括比该简化示例显著更多的受保护的磁体线圈区段。

图7示出了包括图右侧的变阻器的示例保护电路以及根据现有技术的包括图左侧的线性电阻器的电路的示意表示。

在特别适合于保护包括具有HTS插入物的LTS磁体的另一示例中，对LTS线圈和HTS线圈分别使用不同的保护方案。这两个磁体部分可以使用单独的电源并联运行，或者可以串联运行。该示例采用与先前示例装置相同的“利用加热器的被动”方案来保护LTS区段。此外，该装置被配置为比现有技术装置可能更快速地检测LTS磁体保护元件两端的电压变化，以便在外部激活HTS磁体的失超保护方案。上面提到了这些混合型磁体的保护方案的这种组合。图8示意性地示出了该示例中涉及的附加元件。

现在描述示例SiC变阻器和包括它们的超导磁体失超保护装置的细节。

如上所述，变阻器特性可由关系式V＝CI^β来表征。定义变阻器的非线性程度的“β值”(β)影响放电速度。这可以通过变阻器材料中的掺杂剂和工艺调整来修改。

一些示例变阻器是由粘土基体中的SiC颗粒制造以生产圆盘状或瓦片状的半导体器件。

已经在液氮中进行了示例装置的故障模式测试，并且涉及将能量增加到该装置在室温下的能量五倍以上。发现在变阻器圆盘上形成非传播热点，其通过短路失效并继续通过电流。这对于磁体保护是特别有用的属性。示例变阻器的SiC材料在低温条件下保持其完整性，并且通过材料优化，设想进一步的示例可以提供线性移能(dump)电阻器的有效替代。

Claims (13)

1.一种用于超导磁体的失超保护装置，所述装置包括：

超导磁体，其包括多个磁体区段；

多个变阻器，其中，所述多个变阻器中的每个变阻器并联地电连接在所述多个磁体区段中的相应一个磁体区段两端；以及

加热器装置，所述加热器装置电连接至所述多个变阻器，并且被配置为响应于所述多个变阻器中的任何一个或多个变阻器两端的电压的变化，向所述多个磁体区段中的每一个磁体区段施加热。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述加热器装置被配置为响应于所述多个变阻器中的任何一个或多个变阻器两端的电压达到阈值电压值而施加热。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述加热器装置包括多个加热器，其中所述多个加热器中的每个加热器被定位用于向所述多个磁体区段中的相应一个磁体区段施加热。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述加热器装置被配置为由于所述多个变阻器中的所述一个或多个变阻器两端的电压变化，通过焦耳加热，来生成将被施加到所述多个磁体区段中的每一个磁体区段的热。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述多个变阻器中的一个或多个变阻器均包括两个或更多个变阻器部件。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，每个变阻器部件被形成为圆盘，并且对于包括两个或更多个所述变阻器部件的一个或多个变阻器中的每个变阻器，所述变阻器部件被布置成堆叠。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括主动失超保护系统，所述主动失超保护系统包括：

失超检测器模块，其被配置为基于所述多个变阻器中的一个或多个变阻器两端的电压达到预定失超阈值电压值，来检测在所述多个磁体区段中的一个或多个磁体区段中发生的失超；以及

失超电感器系统，其被配置为响应于所述失超检测器模块检测到失超发生，在所述多个磁体区段中的一个或多个磁体区段中实现失超条件。

8.根据权利要求7所述的装置，其被配置为使得当通过所述磁体区段的电流的幅值小于与所述磁体的操作电流对应的预定电流值的50％时，在所述多个磁体区段中的一个或多个中发生的失超使所述多个变阻器中的所述一个或多个变阻器两端的电压达到所述预定失超阈值电压值。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述超导磁体区段包括至少一个低温超导体(LTS)磁体区段和至少一个高温超导体(HTS)磁体区段，并且其中，所述失超保护装置包括HTS失超保护系统，所述HTS失超保护系统适于响应于所述多个变阻器中的任一个或多个变阻器两端的电压达到阈值电压值，对所述至少一个HTS磁体区段中的每一个HTS磁体区段施加失超保护。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，HTS失超保护系统适于通过以下中的任意一个或多个方式来施加所述失超保护：使能量从所述至少一个HTS磁体区段耗散到所述磁体外部的主体；以及施加具有预定频率和幅度的被设置为在所述至少一个HTS磁体区段的线圈内引起焦耳加热的交流电。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述多个变阻器中的每个变阻器包括碳化硅。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述加热器装置与所述多个变阻器相关联，使得当在所述多个磁体区段中的一个磁体区段中发生失超时，在所述变阻器两端产生的电压使所述加热装置向所述多个磁体区段中的至少一个另外的磁体区段提供热。

13.一种保护超导磁体的方法，所述超导磁体包括多个磁体区段，其中，多个变阻器中的每个变阻器并联地电连接在所述多个磁体区段中的相应一个磁体区段两端，并且加热器装置电连接至所述多个变阻器，所述方法包括响应于所述多个变阻器中的任何一个或多个变阻器两端的电压的变化，向所述多个磁体区段中的每个磁体区段施加热。

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