專利名稱：用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉 及一種應(yīng)用于超導(dǎo)磁體的新型失超檢測(cè)系統(tǒng)和方法，尤其適用于脈沖場(chǎng)下的失超檢測(cè)。
背景技術(shù)：
可控?zé)岷司圩兡苎芯康囊豁?xiàng)重大突破，是將超導(dǎo)技術(shù)成功地應(yīng)用于產(chǎn)生托卡馬克強(qiáng)磁場(chǎng)的線圈上。全超導(dǎo)托卡馬克可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，并通過(guò)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下大大改善約束，為未來(lái)穩(wěn)態(tài)、先進(jìn)聚變反應(yīng)堆奠定工程技術(shù)和物理基礎(chǔ)。未來(lái)商用堆必須是全超導(dǎo)，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。傳統(tǒng)的超導(dǎo)線圈超導(dǎo)保護(hù)信號(hào)檢測(cè)方法主要包括電壓檢測(cè)法，溫升檢測(cè)法，壓力檢測(cè)，流量檢測(cè)法，超生波檢測(cè)等。其中最有效而常用的檢測(cè)法就是電壓檢測(cè)法。目前主要的失超檢測(cè)主要是針對(duì)穩(wěn)態(tài)場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)，一般電流變化緩慢，只有幾A到幾十A每秒的電流變化率，傳統(tǒng)的電壓檢測(cè)法是采用電橋平衡原理。這種檢測(cè)法存在以下缺陷一存在失超檢測(cè)盲點(diǎn)，如果橋路兩端出現(xiàn)對(duì)稱性失超，會(huì)出現(xiàn)保護(hù)盲點(diǎn)或檢測(cè)延誤；二 抗電磁干擾能力很弱，無(wú)法抵消快速磁場(chǎng)變化所產(chǎn)生的感應(yīng)干擾，只適用于穩(wěn)態(tài)場(chǎng)或自身磁場(chǎng)變化很緩慢(幾A每秒電流變化率下)同時(shí)受周?chē)绊懞苋醯拇艌?chǎng)環(huán)境下的失超檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
以往的失超檢測(cè)主要是針對(duì)穩(wěn)態(tài)場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的，一般說(shuō)來(lái)，低溫超導(dǎo)磁體應(yīng)當(dāng)避免工作電流的急劇變化和磁場(chǎng)的急劇變化，因?yàn)檫@些急劇變化極有可能導(dǎo)致失超。隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)磁體由于其功耗極小、體積小和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在熱核聚變、超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體、高能物理、固體物理、生物物理、醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科研究中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在很多場(chǎng)合下需要超導(dǎo)磁體能夠在交變的電流下運(yùn)行，所以迫切需要提供一種安全，準(zhǔn)確，快速的可應(yīng)用于交變磁場(chǎng)下的有效的失超檢測(cè)方法。本發(fā)明提供了一種適合于快速交變磁場(chǎng)下的電壓失超檢測(cè)方法，此方法不僅適用于適用于低溫超導(dǎo)(NbTi，Nb3Sn，MgB2)，也適合于高溫超導(dǎo)磁體(Bi2223，YBC0)運(yùn)行在交變磁場(chǎng)環(huán)境下的失超檢測(cè)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包括失超檢測(cè)傳感器，光纖隔離器，二次補(bǔ)償處理單元和失超探測(cè)器，所述失超檢測(cè)傳感器由相互絕緣的超導(dǎo)線圈與同繞線繞在一起組成，其中同繞線的一端和超導(dǎo)線圈的一端焊接在一起，同繞線另一端和超導(dǎo)線圈的另一端分別通過(guò)導(dǎo)線接入光纖隔離器，所述的光纖隔離器通過(guò)二次補(bǔ)償處理單元與失超探測(cè)器相連，所述的二次補(bǔ)償單元外接有多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器； 失超檢測(cè)傳感器將獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)光釬隔離器后送入二次補(bǔ)償處理單元，并與送入二次補(bǔ)償處理單元的由多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行累加得到有效檢測(cè)電壓信號(hào)后送入失超探測(cè)器判別。
—種用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)方法，其特征在于其具體包括以下步驟 首先將相互絕緣的超導(dǎo)線圈與同繞線繞在一起組成失超檢測(cè)傳感器，失超檢測(cè)傳感器將獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)光釬隔離器后送入二次補(bǔ)償處理單元；同時(shí)多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器將獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)作為二此補(bǔ)償信號(hào)經(jīng)隔離、放大和濾波后送入二次補(bǔ)償處理單元，再與失超檢測(cè)傳感器獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)上所帶的自感應(yīng)和耦合噪聲按函數(shù)關(guān)系進(jìn)行累加，抵消剩余噪聲，獲得信噪比30dB以上的有效檢測(cè)電壓信號(hào)，然后送入失超探測(cè)器；失超探測(cè)器對(duì)送入的有效檢測(cè)電壓信號(hào)做出判別，如果有效檢測(cè)電壓信號(hào)閾值超過(guò)設(shè)定的電壓閾值且持續(xù)的時(shí)間超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)間，即判定超導(dǎo)線圈失超。 所述的用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的同繞線和超導(dǎo)線圈具有相同尺寸和表面積。所述的用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的同繞線為金
屬導(dǎo)線。所述的用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的二次補(bǔ)償處理單元包括信號(hào)采集單元、信號(hào)累加器單元和信號(hào)輸出單元，其中信號(hào)采集單元分多路采集經(jīng)光纖隔離器輸入的信號(hào)，并將采集獲得的多路信號(hào)在信號(hào)累加器單元上按設(shè)定的系數(shù)進(jìn)行累加，最后通過(guò)處信號(hào)輸出單元輸出。所述的用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的失超探測(cè)器由電壓比較器和時(shí)間比較器組成，電壓比較器和時(shí)間比較器分別進(jìn)行電壓閾值判別和時(shí)間閾值判別，當(dāng)送入信號(hào)如果電壓值大于設(shè)定電壓，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間值，失超探測(cè)器輸出故障信號(hào)。為抑制交變磁場(chǎng)下產(chǎn)生電感的感應(yīng)電壓噪聲，本發(fā)明首現(xiàn)采用將相同尺寸和面積的同繞線和超導(dǎo)線圈同繞，繞制過(guò)程中盡量緊密藕合，使線圈間的藕合系數(shù)K接近于1，利用相同扭距的次級(jí)感應(yīng)回路來(lái)抵消磁場(chǎng)交變所產(chǎn)生的感應(yīng)噪聲，可以抑制將近98%左右磁場(chǎng)感應(yīng)干擾。但由于制作工藝上的限制，同繞線和超導(dǎo)線圈無(wú)法做到完全耦合，必然存在一定誤差，當(dāng)超導(dǎo)線圈電感較大，電流變化較快時(shí)(特別是幾千A/s以上)，自感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可能已有上千伏，在這種狀況下同繞線法獲得檢測(cè)電壓信號(hào)必然會(huì)有一定的殘余感應(yīng)電壓。為抑制極快速交變磁場(chǎng)下超導(dǎo)線圈的感應(yīng)噪聲，本發(fā)明利用二次補(bǔ)償信號(hào)處理系統(tǒng)，來(lái)抵消失超檢測(cè)電壓上剩余電磁感應(yīng)噪聲，可以將超導(dǎo)線圈運(yùn)行脈沖磁場(chǎng)下自感應(yīng)電壓噪聲及周?chē)蛔兇艌?chǎng)所產(chǎn)生的耦合感應(yīng)噪聲徹底去除。本發(fā)明利用裝在交變電源上的電流傳感器來(lái)跟蹤交變電源電流變化值，將傳感器獲得的信號(hào)作為二此補(bǔ)償信號(hào)經(jīng)隔離、放大、濾波后引入二次補(bǔ)償處理單元，再與失超檢測(cè)傳感器獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)上所帶的自感應(yīng)和耦合噪聲按函數(shù)關(guān)系進(jìn)行累加，最終可獲得信噪比30dB以上的有效檢測(cè)電壓信號(hào)。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明首次解決了大型超導(dǎo)磁體在工作電流急劇變化和磁場(chǎng)急劇變化環(huán)境下超導(dǎo)磁體可靠的失超探測(cè)的難題，在EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置上首次將超導(dǎo)線圈代替所有的通電線圈，特別是極向場(chǎng)線圈以脈沖方式運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)等離子體建立和控制，磁場(chǎng)變化速率可達(dá)7T/S，最大電流變化可達(dá)20 KA/S。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，一種用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，包括失超檢測(cè)傳感器1， 光纖隔離器2，二次補(bǔ)償處理單元3和失超探測(cè)器4，失超檢測(cè)傳感器1由相互絕緣的超導(dǎo)線圈5與同繞線6繞在一起組成，其中同繞線6的一端和超導(dǎo)線圈5的一端焊接在一起，同繞線6另一端和超導(dǎo)線圈5的另一端分別通過(guò)導(dǎo)線接入光纖隔離器2，光纖隔離器2通過(guò)二次補(bǔ)償處理單元3與失超探測(cè)器4相 連，二次補(bǔ)償單元3外接有多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器11 ；失超檢測(cè)傳感器1將獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)光釬隔離器2后送入二次補(bǔ)償處理單元3，并與送入二次補(bǔ)償處理單元3的由多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器11 獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行累加得到有效檢測(cè)電壓信號(hào)后送入失超探測(cè)器4判別。一種用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)方法，具體包括以下步驟首先將相互絕緣的超導(dǎo)線圈與同繞線繞在一起組成失超檢測(cè)傳感器，失超檢測(cè)傳感器將獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)光釬隔離器后送入二次補(bǔ)償處理單元；同時(shí)多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器將獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)作為二此補(bǔ)償信號(hào)經(jīng)隔離、放大和濾波后送入二次補(bǔ)償處理單元， 再與失超檢測(cè)傳感器獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)上所帶的自感應(yīng)和耦合噪聲按函數(shù)關(guān)系進(jìn)行累力口，抵消剩余噪聲，獲得信噪比30dB以上的有效檢測(cè)電壓信號(hào)，然后送入失超探測(cè)器；失超探測(cè)器對(duì)送入的有效檢測(cè)電壓信號(hào)做出判別，如果有效檢測(cè)電壓信號(hào)閾值超過(guò)設(shè)定的電壓閾值且持續(xù)的時(shí)間超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)間，即判定超導(dǎo)線圈失超。同繞線6和超導(dǎo)線圈5具有相同尺寸和表面積。同繞線6為金屬導(dǎo)線。二次補(bǔ)償處理單元包括信號(hào)采集單元、信號(hào)累加器單元和信號(hào)輸出單元，其中信號(hào)采集單元分多路采集經(jīng)光纖隔離器輸入的信號(hào)，并將采集獲得的多路信號(hào)在信號(hào)累加器單元上按設(shè)定的系數(shù)進(jìn)行累加，最后通過(guò)處信號(hào)輸出單元輸出。失超探測(cè)器4由電壓比較器13和時(shí)間比較器14組成，電壓比較器13和時(shí)間比較器14分別進(jìn)行電壓閾值判別和時(shí)間閾值判別，當(dāng)送入信號(hào)如果電壓值大于設(shè)定電壓，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間值，失超探測(cè)器4輸出故障信號(hào)。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明
超導(dǎo)線圈5和同繞線6組成失超檢測(cè)傳感器獲得的檢測(cè)電壓Ui，檢測(cè)電壓信號(hào)Ui經(jīng)光纖轉(zhuǎn)換器7、8、9傳輸至控制系統(tǒng)，高壓隔離電源變壓器10做為電源隔離。同繞線6選用錳銅線主要考慮其電阻率較高，強(qiáng)度好的特性，同繞線6做成玻璃絲擋邊帶與導(dǎo)體同繞，構(gòu)成失超檢測(cè)回路，獲得取樣電壓作為失超檢測(cè)電壓。多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器11選用Rogowsgi線圈，傳統(tǒng)上一般選用Rogowsgi線圈測(cè)量線圈的電流特別適用于測(cè)量快速變化線圈電流值，Rogowsgi線圈測(cè)量電壓做為補(bǔ)償信號(hào)，主要在于其測(cè)得的電壓信號(hào)與檢測(cè)電壓信號(hào)干擾噪聲完全同步，將Rogowsgi線圈分別測(cè)量所有快速交變磁場(chǎng)線圈的輸出信號(hào)作為二次補(bǔ)償信號(hào)和失超檢測(cè)取樣電壓按一定的函數(shù)關(guān)系處理，抵消自身線圈和其它快速交變線圈耦合產(chǎn)生的剩余感應(yīng)電壓，將獲得的電壓作為最終的失超檢測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包括失超檢測(cè)傳感器， 光纖隔離器，二次補(bǔ)償處理單元和失超探測(cè)器，所述失超檢測(cè)傳感器由相互絕緣的超導(dǎo)線圈與同繞線繞在一起組成，其中同繞線的一端和超導(dǎo)線圈的一端焊接在一起，同繞線另一端和超導(dǎo)線圈的另一端分別通過(guò)導(dǎo)線接入光纖隔離器，所述的光纖隔離器通過(guò)二次補(bǔ)償處理單元與失超探測(cè)器相連，所述的二次補(bǔ)償單元外接有多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器；失超檢測(cè)傳感器將獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)光釬隔離器后送入二次補(bǔ)償處理單元，并與送入二次補(bǔ)償處理單元的由多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行累加得到有效檢測(cè)電壓信號(hào)后送入失超探測(cè)器判別。
2.一種用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)方法，其特征在于其具體包括以下步驟 首先將相互絕緣的超導(dǎo)線圈與同繞線繞在一起組成失超檢測(cè)傳感器，失超檢測(cè)傳感器將獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)光釬隔離器后送入二次補(bǔ)償處理單元；同時(shí)多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器將獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)作為二此補(bǔ)償信號(hào)經(jīng)隔離、放大和濾波后送入二次補(bǔ)償處理單元，再與失超檢測(cè)傳感器獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)上所帶的自感應(yīng)和耦合噪聲按函數(shù)關(guān)系進(jìn)行累加，抵消剩余噪聲，獲得信噪比30dB以上的有效檢測(cè)電壓信號(hào)，然后送入失超探測(cè)器；失超探測(cè)器對(duì)送入的有效檢測(cè)電壓信號(hào)做出判別，如果有效檢測(cè)電壓信號(hào)閾值超過(guò)設(shè)定的電壓閾值且持續(xù)的時(shí)間超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)間，即判定超導(dǎo)線圈失超。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的同繞線和超導(dǎo)線圈具有相同尺寸和表面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的同繞線為金屬導(dǎo)線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的二次補(bǔ)償處理單元包括信號(hào)采集單元、信號(hào)累加器單元和信號(hào)輸出單元，其中信號(hào)采集單元分多路采集經(jīng)光纖隔離器輸入的信號(hào)，并將采集獲得的多路信號(hào)在信號(hào)累加器單元上按設(shè)定的系數(shù)進(jìn)行累加，最后通過(guò)處信號(hào)輸出單元輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于脈沖場(chǎng)下超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的失超探測(cè)器由電壓比較器和時(shí)間比較器組成，電壓比較器和時(shí)間比較器分別進(jìn)行電壓閾值判別和時(shí)間閾值判別，當(dāng)送入信號(hào)如果電壓值大于設(shè)定電壓，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間值，失超探測(cè)器輸出故障信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于快速交變磁場(chǎng)下失超檢測(cè)系統(tǒng)和方法，系統(tǒng)包括失超檢測(cè)傳感器，光纖隔離器，二次補(bǔ)償處理單元和失超探測(cè)器，失超檢測(cè)傳感器依次通過(guò)光纖隔離器和二次補(bǔ)償處理單元與失超探測(cè)器相連，二次補(bǔ)償單元外接有多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器；失超檢測(cè)傳感器將獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)光釬隔離器后送入二次補(bǔ)償處理單元，并與送入二次補(bǔ)償處理單元的由多個(gè)安裝在交變電源上的電流傳感器獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行累加得到有效檢測(cè)電壓信號(hào)后送入失超探測(cè)器判別。本發(fā)明解決了大型超導(dǎo)磁體在工作電流急劇變化和磁場(chǎng)急劇變化環(huán)境下超導(dǎo)磁體可靠的失超探測(cè)的難題。
文檔編號(hào)G01R33/12GK102346239SQ201110096310
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者呂環(huán)宇, 朱則英, 李建剛, 胡燕蘭, 陸建華, 陳灼民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所