CN117075010A - 高温超导磁体检测组件及制法、高温超导磁体失超检测法 - Google Patents

高温超导磁体检测组件及制法、高温超导磁体失超检测法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温超导磁体检测组件制法及高温超导磁体检测组件、高温超导磁体失超检测法，制造所述高温超导磁体检测组件时用绝缘薄膜分别对高温超导带材与辅助检测带材进行绝缘绕包处理，再相互平行、并列同步绕制所述高温超导带材与辅助检测带材，分别形成高温超导线圈与同绕线圈；连接同绕线圈与高温超导线圈的相邻的第一对对应端构成等电位点；在同绕线圈与高温超导线圈的相邻的第二对对应端之间串联连接电压表。由前述制法制得的高温超导磁体检测组件能自动补偿高温超导磁体如高温超导线圈的感应电压噪声，抗干扰能力强，利于及时、准确地检测到高温超导磁体的失超电压信号，可避免感应电压噪声导致的失超误判。

Description

高温超导磁体检测组件及制法、高温超导磁体失超检测法
技术领域
本发明属于高温超导磁体领域，特别是关于一种高温超导磁体检测组件及制法、高温超导磁体失超检测法。
背景技术
第二代高温超导磁体(ReBCO)具有交流损耗低、超导临界转变温度高、高场下的载流能力强等优越的物理特性，是制备高场磁体的理想材料，但是，高温超导磁体只有在特定环境条件下才具备超导特性，一旦特定环境条件被破坏，则高温超导磁体将会失超，高温超导磁体失超过程中，局部升温可能会对高温超导磁体造成损坏，甚至进一步破坏聚变装置，因此，需要及时、准确、可靠地检测出高温超导磁体的失超信号。
高温超导磁体的现有失超检测原理主要基于检测高温超导磁体失超过程中不同物理量的变化，相应的失超检测方法主要包括电压检测法及流速检测法、温升检测法、压力检测法、超声波检测法等非电信号检测方法，但是，非电信号检测方法需使用高灵敏度、高精度的传感器，成本较高，非电信号转换成电信号时信号处理时的计算量大、响应速度不够快；与非电信号检测方法相比，基于电压检测的失超检测方法响应速度快、信号处理时的计算量小、检测结果更直观，因而在高温超导磁体的失超检测中被广泛应用。
但是，现有基于电压检测的失超检测方法仍存在抗干扰能力差、易受感应电压噪声影响的问题，对失超电压信号的检测灵敏度不够高，这对运行于复杂电磁环境下的高温超导磁体来说十分不利，且高温超导磁体本身即具有失超传播速度慢、失超后局部温升产生的等效失超电阻上的电压较低的缺点，此外，作为感性负载，高温超导磁体的端电压对电流的变化也非常敏感，因此，现有基于电压检测的失超检测方法难以及时、准确地捕捉到高温超导磁体的失超电压信号。
最后，现有高温超导磁体的失超检测方法受高温超导磁体的尺寸即运行工况、响应速率等的影响，普适性较低。
发明内容
为解决前述技术问题，本发明提供一种高温超导磁体检测组件制法，其包括以下步骤：
使用绝缘薄膜分别对高温超导带材与辅助检测带材进行绝缘绕包处理；
将经过绝缘绕包处理的高温超导带材与辅助检测带材相互平行、并列同步绕制，分别形成高温超导线圈与同绕线圈，
其中，
高温超导线圈具有第三端、第四端，同绕线圈具有与高温超导线圈的第三端相邻的第一端、与高温超导线圈的第四端相邻的第二端，同绕线圈的第一端与高温超导线圈的第三端形成第一对对应端，同绕线圈的第二端与高温超导线圈的第四端形成第二对对应端；
连接同绕线圈与高温超导线圈的相邻的第一对对应端，构成同绕线圈与高温超导线圈之间的等电位点；
在同绕线圈与高温超导线圈的相邻的第二对对应端之间串联连接电压表。
进一步地，绝缘薄膜为聚酰亚胺薄膜。
进一步地，辅助检测带材为金属带材。
进一步地，同绕线圈与高温超导线圈的匝数相等。
进一步地，同绕线圈的各匝与高温超导线圈的各匝间隔排布。
进一步地，同绕线圈与高温超导线圈的宽度相等。
本发明又提供一种由前述高温超导磁体检测组件制法制得的高温超导磁体检测组件。
本发明还提供一种高温超导磁体失超检测法，其包括以下步骤：
通过电源对高温超导磁体检测组件的高温超导线圈供电，通过电压表测量高温超导线圈与同绕线圈之间的电压差；
通过测试程序实时采集电压差；
当电压差超过失超电压阈值时，测试程序即判定高温超导线圈失超。
进一步地，通过测试程序实时采集高温超导线圈的运行电流和端电压。
进一步地，测试程序判定高温超导线圈失超后，控制电源将高温超导线圈的运行电流降为0。
与现有技术相比，由本发明提供的高温超导磁体检测组件制法制得的高温超导磁体检测组件能对感应电压噪声进行补偿，从而抵消大部分感应电压，抗干扰能力强，有助于及时、准确地检测到高温超导磁体的失超电压信号。
此外，本发明还提供一种基于同绕带补偿的高温超导磁体失超检测方法，操作简单，无需使用高灵敏度、高精度的传感器，成本低。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的高温超导磁体失超检测方法的流程图；
图2示出了根据本发明实施例的分别经过绝缘绕包处理的高温超导带材与辅助检测带材共绕构成的高温超导磁体检测组件的结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例的高温超导磁体失超检测方法的检测原理电路结构示意图；
图4示出了根据本发明实施例的由测试程序内置的虚拟示波器观察的高温超导线圈与同绕线圈之间的电压差、高温超导线圈的运行电流和端电压随检测时间变化示意图，
主要附图标记说明：
L1：同绕线圈，L11：同绕线圈的第一端，L12：同绕线圈的第二端，L2：高温超导线圈，L21：高温超导线圈的第三端，L22：高温超导线圈的第四端，VCW：高温超导线圈与同绕线圈之间的电压差，I：高温超导线圈的运行电流，R：高温超导线圈的等效失超电阻，VT：高温超导线圈的端电压。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，应当理解，本发明的实施方式不限于附图中所示的实施例，且本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只用来区分不同的组成部分，同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
除非另外限定，否则本发明所用的所有技术术语、科学术语的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同，此外，本发明所用的技术术语、科学术语的含义应当被解释为与常用技术手册中限定的相应术语具有一致的含义，且不被解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本发明明确如此限定。
图1示出了根据本发明的高温超导磁体失超检测方法的流程图，参见图1，本发明提供的高温超导磁体失超检测方法包括以下步骤：
S1、使用绝缘薄膜分别对高温超导带材与辅助检测带材进行绝缘绕包处理。
本实施例中，绝缘薄膜例可为聚酰亚胺薄膜，辅助检测带材可为金属带材。
S2、将经过绝缘绕包处理的高温超导带材与辅助检测带材相互平行、并列同步绕制，分别形成高温超导线圈L2与同绕线圈L1，其中，辅助检测带材作为与高温超导带材同步绕制的同绕带材，且所述高温超导线圈L2与同绕线圈L1构成高温超导磁体检测组件。
具体地，所述高温超导带材与辅助检测带材的长度、宽度均相同。
本发明所述的高温超导磁体以由高温超导带材绕制而成的高温超导线圈L2为例。
图2示出了根据本发明的分别经过绝缘绕包处理的高温超导带材与辅助检测带材共绕构成的高温超导磁体检测组件的结构示意图，参见图2，分别经过绝缘绕包处理的高温超导带材与辅助检测带材相互平行、并列同步绕制，形成连续的双层饼形线圈，第一层线圈、第二层线圈均由同一高温超导带材、同一辅助检测带材连续绕制而成，且同绕线圈L1的各匝与高温超导线圈L2的各匝间隔排布。高温超导线圈L2具有第三端L21、第四端L22，同绕线圈L1具有与高温超导线圈L2的第三端L21相邻的第一端L11、与高温超导线圈L2的第四端L22相邻的第二端L12。同绕线圈L1的第一端L11与高温超导线圈L2的第三端L21形成第一对对应端，同绕线圈L1的第二端L12与高温超导线圈L2的第四端L22形成第二对对应端。
本领域技术人员应当理解，本实施例虽然以双层饼形线圈为例，但是并不限制高温超导带材与辅助检测带材具体的绕制层数(除双层线圈外也可为单层线圈或多层线圈)、绕制形状(除饼形线圈外也可为其他形状)及绕制方式(如高温超导带材与辅助检测带材绕制时的相互内外位置、高温超导带材与辅助检测带材两端的具体位置等)，只要相互平行、并列同步绕制即可。
具体地，同绕线圈L1与高温超导线圈L2的匝数相等。
具体地，同绕线圈L1与高温超导线圈L2的宽度相等。
S3、将同绕线圈L1的第一端L11与高温超导线圈L2的第三端L21连接，即连接同绕线圈L1和高温超导线圈L2的相邻的第一对对应端，构成等电位点。
具体地，同绕线圈L1的第一端L11与高温超导线圈L2的第三端L21连接后可导电。
在同绕线圈L1的第二端L12与高温超导线圈L2的第四端L22(即同绕线圈L1和高温超导线圈L2的相邻的第二对对应端)之间串联连接电压表(图2中未示出)。
本领域技术人员应当理解，本实施例以连接同绕线圈L1的第一端L11与高温超导线圈L2的第三端L21构成等电位点，电压表串联连接在同绕线圈L1的第二端L12与高温超导线圈L2的第四端L22之间为例；同理，也可连接同绕线圈L1的第二端L12与高温超导线圈L2的第四端L22构成等电位点，电压表串联连接在同绕线圈L1的第一端L11与高温超导线圈L2的第三端L21之间。
S4、通过电源(图2中未示出)对高温超导线圈L2供电，通过电压表测量高温超导线圈L2与同绕线圈L1之间的电压差VCW。
图3示出了根据本发明的高温超导磁体失超检测方法的检测原理电路结构示意图，参见图3，相互平行、并列同步绕制的同绕线圈L1与高温超导线圈L2相互并联，高温超导线圈L2具有失超后局部温升产生的等效失超电阻R。通过电源向高温超导线圈L2提供运行电流I，同绕线圈L1的第一端L11与高温超导线圈L2的第三端L21连接，构成同绕线圈L1与高温超导线圈L2之间的等电位点，电压表串联连接在同绕线圈L1的第二端L12与高温超导线圈L2的第四端L22之间，电压表读数即为高温超导线圈L2与同绕线圈L1之间的电压差VCW。
磁场变化时，同绕线圈L1与超导线圈L2的磁通量的变化一致，所以同绕线圈L1与超导线圈L2上的感应电压几乎相同，且同绕线圈L1的第一端L11与高温超导线圈L2的第三端L21连接，即通过同绕线圈L1可实现高温超导线圈L2感应电压的自动补偿，从而消除感应电压噪声对失超检测的影响，有助于及时、准确地捕捉高温超导磁体的失超电压信号，避免感应电压噪声导致的失超误判。
S5、通过测试程序实时采集电压表读数即高温超导线圈L2与同绕线圈L1之间的电压差VCW、高温超导线圈L2的运行电流I和端电压VT。
图4示出了根据本发明的由测试程序内置的虚拟示波器观察的高温超导线圈L2与同绕线圈L1之间的电压差VCW、高温超导线圈L2的运行电流I和端电压VT随检测时间变化示意图，参见图4，通过电源对高温超导线圈L2施加200A、恒定的运行电流I，并从施加恒定的运行电流I开始对检测时间计时，通过人为舀除液氮的方式诱导高温超导线圈L2逐步失超，高温超导线圈L2逐步失超过程中所述电压差VCW在540s(秒)附近发生正向跳变并不断增大、但同时高温超导线圈L2的端电压VT并未表现出临界转变的趋势，即高温超导线圈L2逐步失超过程中其失超电压信号被淹没在感应电压噪声中，这也是现有技术中以高温超导线圈L2的端电压VT进行失超检测时导致失超误判的原因。检测时间到560s(秒)～570s(秒)时所述电压差VCW超过失超电压阈值(为本领域技术人员根据业内经验得出的经验值，与失超检测时的环境温度、绕制形成高温超导线圈L2的高温超导带材长度等有关，如本实施例为1.08mV)，此时通过电压表能准确地捕捉到高温超导线圈L2的失超电压信号即高温超导线圈L2与同绕线圈L1之间的电压差VCW(本实施例为1.2mV)，避免感应电压噪声导致的失超误判。
S6、当高温超导线圈L2与同绕线圈L1之间的电压差VCW大于失超电压阈值时，测试程序即判定高温超导线圈L2失超。
S7、测试程序判定高温超导线圈L2失超后，控制电源将高温超导线圈L2的运行电流I降为0。
综上所述，本发明提供的高温超导磁体检测组件，制造时用绝缘薄膜分别对高温超导带材与辅助检测带材进行绝缘绕包处理后，相互平行、并列同步绕制的辅助检测带材与高温超导带材，分别形成高温超导线圈L2与同绕线圈L1，且同绕线圈L1的各匝与高温超导线圈L2的各匝间隔排布；再将同绕线圈L1的第一端L11与高温超导线圈L2的第三端L21连接，并在同绕线圈L1的第二端L12与高温超导线圈L2的第四端L22之间串联连接电压表。通过设置上述同绕线圈L1，且同绕线圈L1的第一端L11与高温超导线圈L2的第三端L21连接，构成同绕线圈L1与高温超导线圈L2之间的等电位点，即可通过同绕线圈L1实现对高温超导线圈L2感应电压的自动补偿，从而消除感应电压噪声对失超检测的影响，抗干扰能力强，利于及时、准确地捕捉高温超导磁体的失超电压信号，避免感应电压噪声导致的失超误判。
本发明提供的基于同绕带补偿的高温超导磁体失超检测方法通过电源对高温超导线圈L2供电，通过电压表测量高温超导线圈L2与同绕线圈L1之间的电压差VCW；最后通过测试程序实时采集所述电压差VCW、高温超导线圈L2的运行电流I和端电压VT，当所述电压差VCW超过失超电压阈值时，测试程序即判定高温超导线圈L2失超。本发明提供的基于同绕带补偿的高温超导磁体失超检测方法通过测量高温超导线圈L2与同绕线圈L1之间的电压差VCW来判定高温超导线圈L2是否失超，操作简单，无需使用高灵敏度、高精度的传感器，检测精度高，成本低。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的公开范围由说明书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.高温超导磁体检测组件制法，其特征在于，包括以下步骤：
使用绝缘薄膜分别对高温超导带材与辅助检测带材进行绝缘绕包处理；
将经过所述绝缘绕包处理的所述高温超导带材与所述辅助检测带材相互平行、并列同步绕制，分别形成高温超导线圈与同绕线圈，
其中，
所述高温超导线圈具有第三端、第四端，所述同绕线圈具有与所述高温超导线圈的第三端相邻的第一端、与所述高温超导线圈的第四端相邻的第二端，所述同绕线圈的第一端与所述高温超导线圈的第三端形成第一对对应端，所述同绕线圈的第二端与所述高温超导线圈的第四端形成第二对对应端；
连接所述同绕线圈与所述高温超导线圈的相邻的所述第一对对应端，构成所述同绕线圈与所述高温超导线圈之间的等电位点；
在所述同绕线圈与所述高温超导线圈的相邻的所述第二对对应端之间串联连接电压表。
2.根据权利要求1所述的高温超导磁体检测组件制法，其特征在于，所述绝缘薄膜为聚酰亚胺薄膜。
3.根据权利要求2所述的高温超导磁体检测组件制法，其特征在于，所述辅助检测带材为金属带材。
4.根据权利要求3所述的高温超导磁体检测组件制法，其特征在于：所述同绕线圈与所述高温超导线圈的匝数相等。
5.根据权利要求4所述的高温超导磁体检测组件制法，其特征在于：所述同绕线圈的各匝与所述高温超导线圈的各匝间隔排布。
6.根据权利要求3所述的高温超导磁体检测组件制法，其特征在于：所述同绕线圈与所述高温超导线圈的宽度相等。
7.由权利要求1-6任一项所述的高温超导磁体检测组件制法制得的高温超导磁体检测组件。
8.高温超导磁体失超检测法，其特征在于，包括以下步骤：
通过电源对权利要求7所述的高温超导磁体检测组件的高温超导线圈供电，通过电压表测量所述高温超导线圈与同绕线圈之间的电压差；
通过测试程序实时采集所述电压差；
当所述电压差超过失超电压阈值时，所述测试程序即判定所述高温超导线圈失超。
9.根据权利要求8所述的高温超导磁体失超检测法，其特征在于，还包括以下步骤：通过所述测试程序实时采集所述高温超导线圈的运行电流和端电压。
10.根据权利要求9所述的高温超导磁体失超检测法，其特征在于，还包括以下步骤：所述测试程序判定所述高温超导线圈失超后，控制所述电源将所述高温超导线圈的所述运行电流降为0。
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