專利名稱：：一種超導(dǎo)線圈失超檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)線圈失超檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：超導(dǎo)設(shè)備如超導(dǎo)磁體、電機(jī)、變壓器、限流器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件是超導(dǎo)線圈。超導(dǎo)體只能運(yùn)行在臨界溫度、臨界磁場(chǎng)和臨界電流以下，否則就會(huì)失去超導(dǎo)電性，超導(dǎo)體失去超導(dǎo)電性的現(xiàn)象叫做失超。超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，電阻非常小，可以認(rèn)為是零，超導(dǎo)體上沒有電壓；一旦三個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)超過臨界值，超導(dǎo)體就會(huì)失去超導(dǎo)電性，變?yōu)檎B(tài)，電阻增大，超導(dǎo)體上出現(xiàn)電壓。國(guó)際上一般把超導(dǎo)體上的電壓大小作為判斷超導(dǎo)體失超與否的標(biāo)準(zhǔn)，如果超導(dǎo)體上的電壓大于lnV/cm，即可認(rèn)為超導(dǎo)體失超。超導(dǎo)線圈的失超包括局部失超和全面失超兩種情況，引起局部失超的原因包括局部磁場(chǎng)超過臨界磁場(chǎng)或局部溫度超過臨界溫度；如果整個(gè)線圈上的電流超過臨界電流，超導(dǎo)線圈就會(huì)全面失超；如果超導(dǎo)線圈發(fā)生局部失超后，產(chǎn)生的焦耳熱不能通過冷卻液體及時(shí)擴(kuò)散，熱量不斷積累并沿著超導(dǎo)線傳播，使整個(gè)線圈的溫度超過臨界溫度，也會(huì)引發(fā)線圈全面失超。超導(dǎo)線圈失超后產(chǎn)生的焦耳熱可能燒損線圈，也可能導(dǎo)致冷卻液體體積的急劇膨脹，損壞低溫杜瓦；失超還會(huì)引起過電壓、絕緣水平下降和機(jī)械應(yīng)力增大；超導(dǎo)線圏儲(chǔ)能容量大，嚴(yán)重的失超會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，必須在設(shè)計(jì)和制造超導(dǎo)線圈時(shí)，盡量防止失超的發(fā)生，并且在失超發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)檢測(cè)到失超并采取有效的保護(hù)措施以保護(hù)超導(dǎo)線圈。目前，超導(dǎo)線圈的失超檢測(cè)方法主要有電壓法、電流法、溫升法、壓力法、流速法和超聲波法。溫升法的原理是當(dāng)超導(dǎo)線圈局部失超時(shí)，失超點(diǎn)附近出現(xiàn)電阻，產(chǎn)生的焦耳熱引起溫升，如果熱量不斷沿超導(dǎo)線傳播，溫升也就沿超導(dǎo)線傳播；當(dāng)超導(dǎo)線圈全面失超時(shí)，整個(gè)線圈由于焦耳熱而出現(xiàn)溫升。用鉑電阻溫度計(jì)或光纖溫度傳感器監(jiān)測(cè)超導(dǎo)線圈繞組的若干個(gè)點(diǎn)的溫度，當(dāng)其中某個(gè)點(diǎn)的溫度大于臨界溫度時(shí)，即可確定線圈在溫度采樣點(diǎn)附近局部失超，當(dāng)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度大于臨界溫度時(shí)，即可確定線圈全面失超。溫升法存在檢測(cè)速度慢、靈敏度低的缺點(diǎn)。以Bi2223超導(dǎo)線圈發(fā)生局部失超為例，設(shè)失超點(diǎn)距離溫度采樣點(diǎn)5cm,從局部失超發(fā)生，即失超點(diǎn)附近的電壓升高到luV/cm，到檢測(cè)到線圈失超，即溫度采樣點(diǎn)的溫度由于焦耳熱而超過臨界溫度，時(shí)間一般超過10s。檢測(cè)速度慢和靈敏度低，會(huì)導(dǎo)致不能及時(shí)檢測(cè)到失超并采取保護(hù)措施，以致失超不斷發(fā)展，從而使超導(dǎo)線圈受到破壞的可能性增大，引發(fā)線圈故障。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的溫升法檢測(cè)速度慢、靈敏度低的缺點(diǎn)，提供一種用于超導(dǎo)線圈失超檢測(cè)的新方法一一溫升速率法。本發(fā)明溫升速率法選取溫升速率作為失超檢測(cè)量。由于溫度采樣時(shí)間間隔St可以達(dá)到lms，溫升速率ut-厶T/St比溫升厶T的數(shù)值的數(shù)量級(jí)大，從而提高了檢測(cè)靈敏度，如果溫升速率閾值選取恰當(dāng)，可以在監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度到達(dá)臨界溫度之前檢測(cè)到超導(dǎo)線圈的局部失超，提高了失超檢測(cè)速度；本發(fā)明所采取的失超檢測(cè)量一一溫升速率，從物理意義上來分析，更接近物理現(xiàn)象的本質(zhì)，因?yàn)槌瑢?dǎo)線圈的失超首先引起溫升速率的變化，溫升是溫升速率變化對(duì)時(shí)間積分的結(jié)果。本發(fā)明溫升速率法的原理是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超導(dǎo)線圈繞組的溫度，把時(shí)間上前后相鄰的溫度的差值除以溫度采樣時(shí)間間隔，得到失超檢測(cè)量一一溫升速率。超導(dǎo)線圈正常運(yùn)行時(shí)處于無阻的超導(dǎo)狀態(tài)，繞組中不產(chǎn)生焦耳熱，溫度不發(fā)生變化，溫升速率為零；失超時(shí)處于有阻的正常態(tài)，繞組中產(chǎn)生焦耳熱，溫度急劇上升，溫升速率由零變?yōu)橐粋€(gè)很大的數(shù)值，把溫升速率與溫升速率閾值進(jìn)行比較，一旦超過閾值，即可確定線圈已經(jīng)失超。溫升速率閾值的確定方法可用電阻加熱處于冷卻液體浸泡的超導(dǎo)線圈，觸發(fā)其熱失超，同時(shí)用鉑電阻溫度計(jì)和電壓傳感器測(cè)量失超點(diǎn)附近的電壓和兩側(cè)的溫度，并把溫度轉(zhuǎn)化為溫升速率，當(dāng)電壓升高到V/cm時(shí)，線圈失超。為減少測(cè)量可能出現(xiàn)的偶然誤差，本發(fā)明選取線圈失超時(shí)刻失超點(diǎn)兩側(cè)的溫升速率的平均值作為溫升速率閾值。計(jì)算溫升速率的公式如下-"t=(Tn+1-Tn)/St(1)式中ut—一失超點(diǎn)附近的溫升速率，單位為開爾文/秒(K/s);Tn—一第n次采集到的失超點(diǎn)附近的溫度，單位為開爾文(K);Tn+l—一第n+l次采集到的失超點(diǎn)附近的溫度，單位為開爾文(K)。失超點(diǎn)兩側(cè)的溫升速率取平均值的公式如下utc=("ti+ut2)/2(2)式中utc——溫升速率閾值，單位為開爾文/秒(K/s);utl——失超時(shí)失超點(diǎn)左側(cè)的溫升速率，單位為開爾實(shí)/秒(K/s);ut2——失超時(shí)失超點(diǎn)右側(cè)的溫升速率，單位為開爾文/秒(K/s)。采用本發(fā)明的溫升速率閾值確定方法得到的不同材料的超導(dǎo)線圈的溫升速率閾值見表1，其中NbTi、Nb3Sn、MgB2超導(dǎo)線圈處于液氦浸泡，Bi2223、YBCO超導(dǎo)線圈處于液氮浸泡。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表l.不同材料的超導(dǎo)線圈的溫升速率閾值Utc檢測(cè)超導(dǎo)線圈韻失超時(shí)，在線圈繞組上沿超導(dǎo)線按溫度采樣點(diǎn)間隔均勻分布多個(gè)鉑電阻溫度計(jì)。鉑電阻溫度計(jì)的測(cè)溫表面和超導(dǎo)線表面緊密接觸，以使測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)真實(shí)。溫度采樣點(diǎn)間隔根據(jù)失超傳播速度來選取，失超傳播速度由超導(dǎo)線圈的結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)材料的種類和冷卻條件決定。如果失超傳播速度大的話，當(dāng)局部失超發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的熱量能夠快速傳播出去，以致失超點(diǎn)附近的溫度迅速升高，因此溫度采樣點(diǎn)間隔可以大一些；與此相反，如果失超傳播速度小的話，當(dāng)局部失超發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的熱量不能快速傳播出去，以致使失超點(diǎn)附近的溫度升高較慢，因此溫度采樣點(diǎn)間隔必須小一些。計(jì)算溫度采樣點(diǎn)間隔的公式如下L-2XuqXt(3)式中L一一溫度采樣點(diǎn)間隔，即兩個(gè)鉑電阻溫度計(jì)之間超導(dǎo)線的長(zhǎng)度，單位為米(m);uq——超導(dǎo)線圈失超時(shí)沿超導(dǎo)線的失超傳播速度，單位為米/秒(m/s)，典型數(shù)值見表2，其中NbTi、Nb3Sn、MgB2超導(dǎo)線圈處于液氦浸泡，Bi2223、YBCO超導(dǎo)線圏處于液氮浸泡；t一一失超發(fā)生后線圈可以承受的時(shí)間，單位為秒(s)，一般取10s。公式(3)中乘2是考慮到局部失超發(fā)生在兩個(gè)溫度采樣點(diǎn)中間時(shí)，失超點(diǎn)到溫度采樣點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離是溫度采樣點(diǎn)間隔的一半(失超點(diǎn)位于兩個(gè)溫度采樣點(diǎn)正中間的情況)。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2.不同材料的超導(dǎo)線圈的典型失超傳播速度"在進(jìn)行失超檢測(cè)時(shí)，為了消除溫度采集過程中的信號(hào)波動(dòng)的影響，提高檢測(cè)的可靠性，本發(fā)明采用把溫度分組平均化的方法，即把同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)間上前后相鄰的3個(gè)溫度分為一組取平均值，然后再轉(zhuǎn)換為溫升速率，其中每組平均化時(shí)只去掉上一組中的一個(gè)舊的溫度，加入下一個(gè)新的溫度。溫度分組取平均值的公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)式中T、一一第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第n，n+l，n+2次溫度平均化后的溫度，單位為開爾文(K);Tn——第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第n次測(cè)得的溫度，單位為開爾文(K);Tn+l—一第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第n+l次測(cè)得的溫度，單位為開爾文(K);Tn+2——第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第n+2次測(cè)得的溫度，單位為開爾文(K)。平均化后的溫度轉(zhuǎn)換為溫升速率的公式如下-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)式中tn—一第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第n次溫升速率，單位為開爾文/秒(K/s);T'n+1—一第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第n+l次平均化后的溫度，單位為開爾文(K);T'n——第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第n次平均化后的溫度，單位為開爾文(K);St——溫度采樣時(shí)間伺隔，單位為秒(s)。把實(shí)時(shí)采集到的溫度代入公式(4)、(5)進(jìn)行計(jì)算，得到溫升速率，與溫升速率閾值進(jìn)行比較，如果大于閾值則發(fā)出失超信號(hào)，保護(hù)電路動(dòng)作，否則繼續(xù)監(jiān)測(cè)。圖1為本發(fā)明溫升速率閾值測(cè)量原理示意圖，L、T2為鉑電阻溫度計(jì)，H為加熱電阻，V為電壓傳感器。圖2為本發(fā)明溫度采樣點(diǎn)布置示意圖，T"丁2、…、Ti為鉑電阻溫度計(jì)，H為加熱電阻，V為電壓傳感器。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。圖1和圖2為本發(fā)明對(duì)一個(gè)Bi2223超導(dǎo)線圈進(jìn)行失超檢測(cè)的具體實(shí)施例。該Bi2223超導(dǎo)線圈參數(shù)如下結(jié)構(gòu)二雙餅；內(nèi)徑118mm;外徑184.2mm;高22mm;臨界電流37.77A;軸向最大場(chǎng)強(qiáng)7.863X10'3T;徑向最大場(chǎng)強(qiáng)5.243Xl(T3T;電阻7.4Q;電感43.7mH。檢測(cè)開始前，首先測(cè)定該超導(dǎo)線圈的溫升速率閾值。電壓升高到V/cm時(shí)的失超點(diǎn)兩側(cè)的溫升速率的平均值即為溫升速率閾值。如圖l所示，Bi2223超導(dǎo)線圈浸泡在液氮中；電壓傳感器V左右接頭之間的超導(dǎo)線長(zhǎng)度為lcm。加熱電阻H位于電壓傳感器V左右接頭正中間。鉑電阻溫度計(jì)TbT2分別位于電壓傳感器V的左右接頭處，即鉑電阻溫度計(jì)T卜丁2之間的距離為lcm。給加熱電阻H通5A的電流，加熱超導(dǎo)線圈，同時(shí)通過電壓傳感器V檢測(cè)加熱電阻附近的電壓。當(dāng)加熱電阻附近的電壓升高到luV時(shí)，即luV/cm時(shí)，線圈在加熱電阻附近局部失超。此時(shí)通過失超點(diǎn)左側(cè)的鉑電阻溫度計(jì)T,測(cè)得的時(shí)間上前后相鄰的兩個(gè)溫度依次為87.47913K、87.48005K，通過失超點(diǎn)右側(cè)的鉑電阻溫度計(jì)T2測(cè)得的時(shí)間上前后相鄰的兩個(gè)溫度依次為87.48425K、87.48532K。由公式(l)，失超點(diǎn)兩側(cè)的溫升速率為utl=(87.48005-87.47913)/0.001=0.92K/s:dtl=(87.48532-87.48425)/0.001=1.07K/s。由公式(2)，溫升速率閾值為utc=(0.92+1.07)/2=0.995K/s"lK/s。然后進(jìn)行失超檢測(cè)。如圖2所示，Bi2223超導(dǎo)線圈浸泡在液氮中；鉑電阻溫度計(jì)Tj、T2、...、Tj沿超導(dǎo)線均勻布置在線圈繞組上，鉑電阻溫度計(jì)T,、T2.....Ti之間的超導(dǎo)線長(zhǎng)度為L(zhǎng);加熱電阻H位于Ti旁邊的鉑電阻溫度計(jì)間隔正中間；電壓傳感器V左右接頭對(duì)稱分布于加熱電阻H兩側(cè)，電壓傳感器V左右接頭之間的超導(dǎo)線長(zhǎng)度為lcm。從表2可知Bi2223超導(dǎo)線圈失超時(shí)沿超導(dǎo)線的失超傳播速度uq為0.005,由公式(3)，溫度采樣點(diǎn)間隔為L(zhǎng)為L(zhǎng)=2X0.005X10=0.1m=10cm。工程實(shí)際中引起超導(dǎo)線圈局部失超的原因包括局部磁場(chǎng)超過臨界磁場(chǎng)或局部溫度超過臨界溫度，為了模擬實(shí)際的局部失超，本實(shí)施例采用加熱電阻加熱超導(dǎo)線圈，使超導(dǎo)線圈的局部溫度超過臨界溫度來引發(fā)線圈局部失超。用加熱電阻H加熱Bi2223超導(dǎo)線圈，同時(shí)通過電壓傳感器V監(jiān)測(cè)加熱電阻H附近的電壓，并通過布置在超導(dǎo)線圈繞組上的鉑電阻溫度計(jì)ThT2.....Ti采集各個(gè)溫度采樣點(diǎn)的溫度，并按公式(4)'、(5、)把溫度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為溫升速率。當(dāng)加熱電阻H附近的電壓大于1UV/cm時(shí)，線圈在加熱電阻H附近局部失超，此刻距離加熱電阻H最近(5cm)的兩個(gè)鉑電阻溫度計(jì)之一的Ti的溫升速率變化并不明顯，經(jīng)過5.362s后，測(cè)得Ti的溫度依次為79.51381K|t=5.362s、79.51476K|t=5.363s、79.51562K|t=5.364s、79.51669K|t=5.365s、79.51785K|t=5.366s。由公式(4),溫度平均化后為T、,=(79.51381+79.51476+79.51562)/3=79.51473K;T'2=(79.51476+79.51562+79.51669)/3=79.51569K;T'3=(79.51562+79.51669+79.51785)/3=79.51672K。由公式(5)，溫升速率為ut=(79.51569-79.51473)/0.001=0.96K/s;ut2=(79.51672-79.51569)/0.001=1.03K/s。其中溫度采樣時(shí)間間隔為lms，即0.001s。當(dāng)溫升速率從0.96K/s升高到1.03K/s時(shí)，超過1K/s的溫升速率閾值，即在局部失超發(fā)生后的5.366s檢測(cè)到失超。與溫升檢測(cè)法的10s相比，溫升速率法的速度提高了46%。本發(fā)明具有檢測(cè)速度快、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于低溫超導(dǎo)(NbTi、Nb3Sn、MgB2)線圈和高溫超導(dǎo)(Bi2223、YBCO)線圈。權(quán)利要求1、一種超導(dǎo)線圈失超檢測(cè)方法，其特征在于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超導(dǎo)線圈繞組的溫度，把時(shí)間上前后相鄰的溫度的差值除以溫度監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔，得到失超檢測(cè)量——溫升速率，溫升速率υt＝ΔT/δt；把溫升速率與溫升速率閾值進(jìn)行比較，一旦超過閾值，即可確定超導(dǎo)線圈失超。2、按照權(quán)利要求l所說的超導(dǎo)線圈失超檢測(cè)方法，其特征在于所述的溫升速率閾值的確定方法是同時(shí)監(jiān)測(cè)超導(dǎo)線圈失超過程中失超點(diǎn)附近的電壓和溫度，并把溫度轉(zhuǎn)化為溫升速率，當(dāng)電壓升高到lixV/cm時(shí)，線圈失超，此刻失超點(diǎn)兩側(cè)的溫升速率的平均值為溫升速率閾值。3、按照權(quán)利要求1或2所說的超導(dǎo)線圈失超檢測(cè)方法，其特征在于在所述的超導(dǎo)線圈繞組上沿超導(dǎo)線按溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔均勻布置多個(gè)鉑電阻溫度計(jì)；溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔根據(jù)失超傳播速度選??；計(jì)算溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔L的公式如下L=2XXt式中L—一溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔，即兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間超導(dǎo)線的長(zhǎng)度，單位為米(m);"q—一超導(dǎo)線圈失超時(shí)沿超導(dǎo)線的失超傳播速度，單位為米/秒(m/s);t一一失超發(fā)生后線圈可以承受的時(shí)間，單位為秒(s)。4、按照權(quán)利要求2或3所說的超導(dǎo)線圈失超檢測(cè)方法，其特征在于可采用把溫度分組平均化的方法，即把同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)間上前后相鄰的3個(gè)溫度分為一組取平均值，然后再轉(zhuǎn)換為溫升速率。全文摘要一種超導(dǎo)線圈失超檢測(cè)方法，其特征在于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超導(dǎo)線圈繞組的溫度，把時(shí)間上前后相鄰的溫度的差值除以溫度監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔，得到失超檢測(cè)量——溫升速率，把溫升速率與溫升速率閾值進(jìn)行比較，一旦超過溫升速率閾值，即可判斷線圈失超。溫升速率閾值的確定方法是同時(shí)監(jiān)測(cè)超導(dǎo)線圈失超過程中失超點(diǎn)附近的電壓和溫度，并把溫度轉(zhuǎn)化為溫升速率，當(dāng)電壓升高到1μV/cm時(shí)，線圈失超，此刻失超點(diǎn)兩側(cè)的溫升速率的平均值即為溫升速率閾值。本發(fā)明更接近物理現(xiàn)象的本質(zhì)，檢測(cè)速度快、靈敏度高，適用于低溫超導(dǎo)(NbTi、Nb₃Sn、MgB₂)線圈和高溫超導(dǎo)(Bi2223、YBCO)線圈。文檔編號(hào)G01K7/16GK101126787SQ20071017533公開日2008年2月20日申請(qǐng)日期2007年9月28日優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日發(fā)明者張正臣,李曉航申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所