專利名稱：用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(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系統(tǒng)和方法，尤其適用于脈沖場下的失超檢測。
背景技術(shù)：
可控?zé)岷司圩兡苎芯康囊豁椫卮笸黄?，是將超?dǎo)技術(shù)成功地應(yīng)用于產(chǎn)生托卡馬克強(qiáng)磁場的線圈上。全超導(dǎo)托卡馬克可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，并通過在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下大大改善約束，為未來穩(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)。未來商用堆必須是全超導(dǎo)，才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。傳統(tǒng)的超導(dǎo)線圈超導(dǎo)保護(hù)信號檢測方法主要包括電壓檢測法，溫升檢測法，壓力檢測，流量檢測法，超生波檢測等。其中最有效而常用的檢測法就是電壓檢測法。目前主要的失超檢測主要是針對穩(wěn)態(tài)場下超導(dǎo)磁體的失超檢測，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)的電壓檢測法是采用電橋平衡原理。這種檢測法存在以下缺陷一存在失超檢測盲點(diǎn)，如果橋路兩端出現(xiàn)對稱性失超，會出現(xiàn)保護(hù)盲點(diǎn)或檢測延誤；二 抗電磁干擾能力很弱，無法抵消快速磁場變化所產(chǎn)生的感應(yīng)干擾，只適用于穩(wěn)態(tài)場或自身磁場變化很緩慢(幾A每秒電流變化率下)同時受周圍影響很弱的磁場環(huán)境下的失超檢測。

發(fā)明內(nèi)容
以往的失超檢測主要是針對穩(wěn)態(tài)場下超導(dǎo)磁體的，一般說來，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的急劇變化，因為這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越廣泛的應(yīng)用。在很多場合下需要超導(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)用于交變磁場下的有效的失超檢測方法。本發(fā)明提供了一種適合于快速交變磁場下的電壓失超檢測方法，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)行在交變磁場環(huán)境下的失超檢測。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(tǒng)，其特征在于包括失超檢測傳感器，光纖隔離器，二次補(bǔ)償處理單元和失超探測器，所述失超檢測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導(dǎo)線接入光纖隔離器，所述的光纖隔離器通過二次補(bǔ)償處理單元與失超探測器相連，所述的二次補(bǔ)償單元外接有多個安裝在交變電源上的電流傳感器； 失超檢測傳感器將獲得的檢測電壓信號經(jīng)過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安裝在交變電源上的電流傳感器獲得的檢測電壓信號進(jìn)行累加得到有效檢測電壓信號后送入失超探測器判別。
—種用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測方法，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傳感器，失超檢測傳感器將獲得的檢測電壓信號經(jīng)過光釬隔離器后送入二次補(bǔ)償處理單元；同時多個安裝在交變電源上的電流傳感器將獲得的檢測電壓信號作為二此補(bǔ)償信號經(jīng)隔離、放大和濾波后送入二次補(bǔ)償處理單元，再與失超檢測傳感器獲得的檢測電壓信號上所帶的自感應(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以上的有效檢測電壓信號，然后送入失超探測器；失超探測器對送入的有效檢測電壓信號做出判別，如果有效檢測電壓信號閾值超過設(shè)定的電壓閾值且持續(xù)的時間超過設(shè)定的閾值時間，即判定超導(dǎo)線圈失超。 所述的用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(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。所述的用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的同繞線為金
屬導(dǎo)線。所述的用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的二次補(bǔ)償處理單元包括信號采集單元、信號累加器單元和信號輸出單元，其中信號采集單元分多路采集經(jīng)光纖隔離器輸入的信號，并將采集獲得的多路信號在信號累加器單元上按設(shè)定的系數(shù)進(jìn)行累加，最后通過處信號輸出單元輸出。所述的用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的失超探測器由電壓比較器和時間比較器組成，電壓比較器和時間比較器分別進(jìn)行電壓閾值判別和時間閾值判別，當(dāng)送入信號如果電壓值大于設(shè)定電壓，且持續(xù)時間超過預(yù)設(shè)時間值，失超探測器輸出故障信號。為抑制交變磁場下產(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感應(yīng)回路來抵消磁場交變所產(chǎn)生的感應(yīng)噪聲，可以抑制將近98%左右磁場感應(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(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電壓信號必然會有一定的殘余感應(yīng)電壓。為抑制極快速交變磁場下超導(dǎo)線圈的感應(yīng)噪聲，本發(fā)明利用二次補(bǔ)償信號處理系統(tǒng)，來抵消失超檢測電壓上剩余電磁感應(yīng)噪聲，可以將超導(dǎo)線圈運(yùn)行脈沖磁場下自感應(yīng)電壓噪聲及周圍交變磁場所產(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跟蹤交變電源電流變化值，將傳感器獲得的信號作為二此補(bǔ)償信號經(jīng)隔離、放大、濾波后引入二次補(bǔ)償處理單元，再與失超檢測傳感器獲得的檢測電壓信號上所帶的自感應(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以上的有效檢測電壓信號。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急劇變化環(huán)境下超導(dǎo)磁體可靠的失超探測的難題，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，特別是極向場線圈以脈沖方式運(yùn)行以實現(xiàn)等離子體建立和控制，磁場變化速率可達(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。
具體實施例方式參見圖1，一種用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(tǒng)，包括失超檢測傳感器1， 光纖隔離器2，二次補(bǔ)償處理單元3和失超探測器4，失超檢測傳感器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的另一端分別通過導(dǎo)線接入光纖隔離器2，光纖隔離器2通過二次補(bǔ)償處理單元3與失超探測器4相 連，二次補(bǔ)償單元3外接有多個安裝在交變電源上的電流傳感器11 ；失超檢測傳感器1將獲得的檢測電壓信號經(jīng)過光釬隔離器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的由多個安裝在交變電源上的電流傳感器11 獲得的檢測電壓信號進(jìn)行累加得到有效檢測電壓信號后送入失超探測器4判別。一種用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測方法，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傳感器，失超檢測傳感器將獲得的檢測電壓信號經(jīng)過光釬隔離器后送入二次補(bǔ)償處理單元；同時多個安裝在交變電源上的電流傳感器將獲得的檢測電壓信號作為二此補(bǔ)償信號經(jīng)隔離、放大和濾波后送入二次補(bǔ)償處理單元， 再與失超檢測傳感器獲得的檢測電壓信號上所帶的自感應(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以上的有效檢測電壓信號，然后送入失超探測器；失超探測器對送入的有效檢測電壓信號做出判別，如果有效檢測電壓信號閾值超過設(shè)定的電壓閾值且持續(xù)的時間超過設(shè)定的閾值時間，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采集單元、信號累加器單元和信號輸出單元，其中信號采集單元分多路采集經(jīng)光纖隔離器輸入的信號，并將采集獲得的多路信號在信號累加器單元上按設(shè)定的系數(shù)進(jìn)行累加，最后通過處信號輸出單元輸出。失超探測器4由電壓比較器13和時間比較器14組成，電壓比較器13和時間比較器14分別進(jìn)行電壓閾值判別和時間閾值判別，當(dāng)送入信號如果電壓值大于設(shè)定電壓，且持續(xù)時間超過預(yù)設(shè)時間值，失超探測器4輸出故障信號。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明
超導(dǎo)線圈5和同繞線6組成失超檢測傳感器獲得的檢測電壓Ui，檢測電壓信號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)成失超檢測回路，獲得取樣電壓作為失超檢測電壓。多個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線圈測量線圈的電流特別適用于測量快速變化線圈電流值，Rogowsgi線圈測量電壓做為補(bǔ)償信號，主要在于其測得的電壓信號與檢測電壓信號干擾噪聲完全同步，將Rogowsgi線圈分別測量所有快速交變磁場線圈的輸出信號作為二次補(bǔ)償信號和失超檢測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量。
權(quán)利要求
1.一種用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(tǒng)，其特征在于包括失超檢測傳感器， 光纖隔離器，二次補(bǔ)償處理單元和失超探測器，所述失超檢測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導(dǎo)線接入光纖隔離器，所述的光纖隔離器通過二次補(bǔ)償處理單元與失超探測器相連，所述的二次補(bǔ)償單元外接有多個安裝在交變電源上的電流傳感器；失超檢測傳感器將獲得的檢測電壓信號經(jīng)過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安裝在交變電源上的電流傳感器獲得的檢測電壓信號進(jìn)行累加得到有效檢測電壓信號后送入失超探測器判別。
2.一種用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測方法，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傳感器，失超檢測傳感器將獲得的檢測電壓信號經(jīng)過光釬隔離器后送入二次補(bǔ)償處理單元；同時多個安裝在交變電源上的電流傳感器將獲得的檢測電壓信號作為二此補(bǔ)償信號經(jīng)隔離、放大和濾波后送入二次補(bǔ)償處理單元，再與失超檢測傳感器獲得的檢測電壓信號上所帶的自感應(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以上的有效檢測電壓信號，然后送入失超探測器；失超探測器對送入的有效檢測電壓信號做出判別，如果有效檢測電壓信號閾值超過設(shè)定的電壓閾值且持續(xù)的時間超過設(shè)定的閾值時間，即判定超導(dǎo)線圈失超。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(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所述的用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(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所述的用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的二次補(bǔ)償處理單元包括信號采集單元、信號累加器單元和信號輸出單元，其中信號采集單元分多路采集經(jīng)光纖隔離器輸入的信號，并將采集獲得的多路信號在信號累加器單元上按設(shè)定的系數(shù)進(jìn)行累加，最后通過處信號輸出單元輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于脈沖場下超導(dǎo)磁體的失超檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的失超探測器由電壓比較器和時間比較器組成，電壓比較器和時間比較器分別進(jìn)行電壓閾值判別和時間閾值判別，當(dāng)送入信號如果電壓值大于設(shè)定電壓，且持續(xù)時間超過預(yù)設(shè)時間值，失超探測器輸出故障信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于快速交變磁場下失超檢測系統(tǒng)和方法，系統(tǒng)包括失超檢測傳感器，光纖隔離器，二次補(bǔ)償處理單元和失超探測器，失超檢測傳感器依次通過光纖隔離器和二次補(bǔ)償處理單元與失超探測器相連，二次補(bǔ)償單元外接有多個安裝在交變電源上的電流傳感器；失超檢測傳感器將獲得的檢測電壓信號經(jīng)過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安裝在交變電源上的電流傳感器獲得的檢測電壓信號進(jìn)行累加得到有效檢測電壓信號后送入失超探測器判別。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急劇變化環(huán)境下超導(dǎo)磁體可靠的失超探測的難題。
文檔編號G01R33/12GK102346239SQ201110096310
公開日2012年2月8日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所