一种超导线圈失超检测方法

摘要

一种超导线圈失超检测方法，其特征在于实时监测超导线圈绕组的温度，把时间上前后相邻的温度的差值除以温度监测时间间隔，得到失超检测量——温升速率，把温升速率与温升速率阈值进行比较，一旦超过温升速率阈值，即可判断线圈失超。温升速率阈值的确定方法是同时监测超导线圈失超过程中失超点附近的电压和温度，并把温度转化为温升速率，当电压升高到1μV/cm时，线圈失超，此刻失超点两侧的温升速率的平均值即为温升速率阈值。本发明更接近物理现象的本质，检测速度快、灵敏度高，适用于低温超导(NbTi、Nb3Sn、MgB2)线圈和高温超导(Bi2223、YBCO)线圈。

权利要求

1.一种超导线圈失超检测方法，实时监测超导线圈绕组的温度，把时间上前后相邻的温度的差值除以温度监测时间间隔，得到失超检测量——温升速率，温升速率υt＝ΔT/δt；把温升速率与温升速率阈值进行比较，一旦超过阈值，即可确定超导线圈失超，其特征在于所述的温升速率阈值的确定方法是同时监测超导线圈失超过程中失超点附近的电压和两侧温度，并把温度转化为温升速率，当电压升高到1μV/cm时，线圈失超，此刻失超点两侧的温升速率的平均值为温升速率阈值。

2.按照权利要求1所说的超导线圈失超检测方法，其特征在于在所述的超导线圈绕组上沿超导线按温度监测点间隔均匀布置多个铂电阻温度计；温度监测点间隔根据失超传播速度选取；计算温度监测点间隔L的公式如下：L＝2×υq×t

式中

L——温度监测点间隔，即两监测点间超导线的长度，单位为米(m)；

υq——超导线圈失超时沿超导线的失超传播速度，单位为米/秒(m/s)；

t——失超发生后线圈可以承受的时间，单位为秒(s)。

3.按照权利要求1或2所说的超导线圈失超检测方法，其特征在于可采用把温度分组平均化的方法，即把同一监测点时间上前后相邻的3个温度分为一组取平均值，然后再转换为温升速率。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种超导线圈失超检测方法。

背景技术：

超导设备如超导磁体、电机、变压器、限流器和储能系统的核心部件是超导线圈。超导体只能运行在临界温度、临界磁场和临界电流以下，否则就会失去超导电性，超导体失去超导电性的现象叫做失超。超导体处于超导态时，电阻非常小，可以认为是零，超导体上没有电压；一旦三个参数中的任何一个超过临界值，超导体就会失去超导电性，变为正常态，电阻增大，超导体上出现电压。国际上一般把超导体上的电压大小作为判断超导体失超与否的标准，如果超导体上的电压大于1μV/cm，即可认为超导体失超。超导线圈的失超包括局部失超和全面失超两种情况，引起局部失超的原因包括局部磁场超过临界磁场或局部温度超过临界温度；如果整个线圈上的电流超过临界电流，超导线圈就会全面失超；如果超导线圈发生局部失超后，产生的焦耳热不能通过冷却液体及时扩散，热量不断积累并沿着超导线传播，使整个线圈的温度超过临界温度，也会引发线圈全面失超。超导线圈失超后产生的焦耳热可能烧损线圈，也可能导致冷却液体体积的急剧膨胀，损坏低温杜瓦；失超还会引起过电压、绝缘水平下降和机械应力增大；超导线圈储能容量大，严重的失超会影响系统的稳定性。因此，必须在设计和制造超导线圈时，尽量防止失超的发生，并且在失超发生时能够及时检测到失超并采取有效的保护措施以保护超导线圈。

目前，超导线圈的失超检测方法主要有电压法、电流法、温升法、压力法、流速法和超声波法。

温升法的原理是当超导线圈局部失超时，失超点附近出现电阻，产生的焦耳热引起温升，如果热量不断沿超导线传播，温升也就沿超导线传播；当超导线圈全面失超时，整个线圈由于焦耳热而出现温升。用铂电阻温度计或光纤温度传感器监测超导线圈绕组的若干个点的温度，当其中某个点的温度大于临界温度时，即可确定线圈在温度采样点附近局部失超，当所有监测点的温度大于临界温度时，即可确定线圈全面失超。温升法存在检测速度慢、灵敏度低的缺点。以Bi2223超导线圈发生局部失超为例，设失超点距离温度采样点5cm，从局部失超发生，即失超点附近的电压升高到1μV/cm，到检测到线圈失超，即温度采样点的温度由于焦耳热而超过临界温度，时间一般超过10s。检测速度慢和灵敏度低，会导致不能及时检测到失超并采取保护措施，以致失超不断发展，从而使超导线圈受到破坏的可能性增大，引发线圈故障。

发明内容

本发明的目的是克服现有的温升法检测速度慢、灵敏度低的缺点，提供一种用于超导线圈失超检测的新方法——温升速率法。
本发明温升速率法选取温升速率作为失超检测量。由于温度采样时间间隔
δt可以达到1ms，温升速率υt＝ΔT/δt比温升ΔT的数值的数量级大，从而提高了检测灵敏度，如果温升速率阈值选取恰当，可以在监测点温度到达临界温度之前检测到超导线圈的局部失超，提高了失超检测速度；本发明所采取的失超检测量——温升速率，从物理意义上来分析，更接近物理现象的本质，因为超导线圈的失超首先引起温升速率的变化，温升是温升速率变化对时间积分的结果。
本发明温升速率法的原理是实时监测超导线圈绕组的温度，把时间上前后相邻的温度的差值除以温度采样时间间隔，得到失超检测量——温升速率。超导线圈正常运行时处于无阻的超导状态，绕组中不产生焦耳热，温度不发生变化，温升速率为零；失超时处于有阻的正常态，绕组中产生焦耳热，温度急剧上升，温升速率由零变为一个很大的数值，把温升速率与温升速率阈值进行比较，一旦超过阈值，即可确定线圈已经失超。
温升速率阈值的确定方法可用电阻加热处于冷却液体浸泡的超导线圈，触发其热失超，同时用铂电阻温度计和电压传感器测量失超点附近的电压和两侧的温度，并把温度转化为温升速率，当电压升高到1μV/cm时，线圈失超。为减少测量可能出现的偶然误差，本发明选取线圈失超时刻失超点两侧的温升速率的平均值作为温升速率阈值。
计算温升速率的公式如下：
υt＝(Tn+1-Tn)/δt    (1)
式中
υt——失超点附近的温升速率，单位为开尔文/秒(K/s)；
Tn——第n次采集到的失超点附近的温度，单位为开尔文(K)；
Tn+1——第n+1次采集到的失超点附近的温度，单位为开尔文(K)。
失超点两侧的温升速率取平均值的公式如下
υtc＝(υt1+υt2)/2    (2)
式中
υtc——温升速率阈值，单位为开尔文/秒(K/s)；
υt1——失超时失超点左侧的温升速率，单位为开尔文/秒(K/s)；
υt2——失超时失超点右侧的温升速率，单位为开尔文/秒(K/s)。
采用本发明的温升速率阈值确定方法得到的不同材料的超导线圈的温升速率阈值见表1，其中NbTi、Nb3Sn、MgB2超导线圈处于液氦浸泡，Bi2223、YBCO超导线圈处于液氮浸泡。
  材料   NbTi   Nb3Sn   MgB2   Bi2223   YBCO   υ  tc(K/s)   20   20   10   1   1
表1.不同材料的超导线圈的温升速率阈值υtc
检测超导线圈的失超时，在线圈绕组上沿超导线按温度采样点间隔均匀分布多个铂电阻温度计。铂电阻温度计的测温表面和超导线表面紧密接触，以使测得的温度数据真实。温度采样点间隔根据失超传播速度来选取，失超传播速度由超导线圈的结构、超导材料的种类和冷却条件决定。如果失超传播速度大的话，当局部失超发生时，产生的热量能够快速传播出去，以致失超点附近的温度迅速升高，因此温度采样点间隔可以大一些；与此相反，如果失超传播速度小的话，当局部失超发生时，产生的热量不能快速传播出去，以致使失超点附近的温度升高较慢，因此温度采样点间隔必须小一些。
计算温度采样点间隔的公式如下
L＝2×υq ×t    (3)
式中
L——温度采样点间隔，即两个铂电阻温度计之间超导线的长度，单位为米(m)；
υq——超导线圈失超时沿超导线的失超传播速度，单位为米/秒(m/s)，典型数值见表2，其中NbTi、Nb3Sn、MgB2超导线圈处于液氦浸泡，Bi2223、YBCO超导线圈处于液氮浸泡；
t——失超发生后线圈可以承受的时间，单位为秒(s)，一般取10s。
公式(3)中乘2是考虑到局部失超发生在两个温度采样点中间时，失超点到温度采样点的最远距离是温度采样点间隔的一半(失超点位于两个温度采样点正中间的情况)。
  材料   NbTi   Nb3Sn   MgB2   Bi2223   YBCO   υ  q(m/s)   1.5   5   0.6   0.005   0.01
表2.不同材料的超导线圈的典型失超传播速度υq
在进行失超检测时，为了消除温度采集过程中的信号波动的影响，提高检测的可靠性，本发明采用把温度分组平均化的方法，即把同一监测点时间上前后相邻的3个温度分为一组取平均值，然后再转换为温升速率，其中每组平均化时只去掉上一组中的一个旧的温度，加入下一个新的温度。温度分组取平均值的公式如下：
T`n＝(Tn+Tn+1+Tn+2)/3    (4)
式中
T`n——第i个监测点第n，n+1，n+2次温度平均化后的温度，单位为开尔文(K)；
Tn——第i个监测点第n次测得的温度，单位为开尔文(K)；
Tn+1——第i个监测点第n+1次测得的温度，单位为开尔文(K)；
Tn+2——第i个监测点第n+2次测得的温度，单位为开尔文(K)。
平均化后的温度转换为温升速率的公式如下：
υtn＝(T`n+1-T`n)/δt    (5)
式中
υtn——第i个监测点第n次温升速率，单位为开尔文/秒(K/s)；
T`n+1——第i个监测点第n+1次平均化后的温度，单位为开尔文(K)；
T`n——第i个监测点第n次平均化后的温度，单位为开尔文(K)；
δt——温度采样时间间隔，单位为秒(s)。
把实时采集到的温度代入公式(4)、(5)进行计算，得到温升速率，与温升速率阈值进行比较，如果大于阈值则发出失超信号，保护电路动作，否则继续监测。
附图说明：
图1为本发明温升速率阈值测量原理示意图，T1、T2为铂电阻温度计，H为加热电阻，V为电压传感器。
图2为本发明温度采样点布置示意图，T1、T2、...、Ti为铂电阻温度计，H为加热电阻，V为电压传感器。
具体实施方式：
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步描述。
图1和图2为本发明对一个Bi2223超导线圈进行失超检测的具体实施例。
该Bi2223超导线圈参数如下：
结构：二双饼；
内径：118mm；
外径：184.2mm；
高：22mm；
临界电流：37.77A；
轴向最大场强：7.863×10-3T；
径向最大场强：5.243×10-3T；
电阻：7.4Ω；
电感：43.7mH。
检测开始前，首先测定该超导线圈的温升速率阈值。电压升高到1μV/cm时的失超点两侧的温升速率的平均值即为温升速率阈值。
如图1所示，Bi2223超导线圈浸泡在液氮中；电压传感器V左右接头之间的超导线长度为1cm。加热电阻H位于电压传感器V左右接头正中间。铂电阻温度计T1、T2分别位于电压传感器V的左右接头处，即铂电阻温度计T1、T2之间的距离为1cm。给加热电阻H通5A的电流，加热超导线圈，同时通过电压传感器V检测加热电阻附近的电压。当加热电阻附近的电压升高到1μV时，即1μV/cm时，线圈在加热电阻附近局部失超。此时通过失超点左侧的铂电阻温度计T1测得的时间上前后相邻的两个温度依次为87.47913K、87.48005K，通过失超点右侧的铂电阻温度计T2测得的时间上前后相邻的两个温度依次为87.48425K、87.48532K。
由公式(1)，失超点两侧的温升速率为
υt1＝(87.48005-87.47913)/0.001＝0.92K/s；
υt1＝(87.48532-87.48425)/0.001＝1.07K/s。
由公式(2)，温升速率阈值为
υtc＝(0.92+1.07)/2＝0.995K/s≈1K/s。
然后进行失超检测。
如图2所示，Bi2223超导线圈浸泡在液氮中；铂电阻温度计T1、T2、...、Ti沿超导线均匀布置在线圈绕组上，铂电阻温度计T1、T2、...、Ti之间的超导线长度为L；加热电阻H位于Ti旁边的铂电阻温度计间隔正中间；电压传感器V左右接头对称分布于加热电阻H两侧，电压传感器V左右接头之间的超导线长度为1cm。
从表2可知Bi2223超导线圈失超时沿超导线的失超传播速度υq为0.005，由公式(3)，温度采样点间隔为L为
L＝2×0.005×10＝0.1m＝10cm。
工程实际中引起超导线圈局部失超的原因包括局部磁场超过临界磁场或局部温度超过临界温度，为了模拟实际的局部失超，本实施例采用加热电阻加热超导线圈，使超导线圈的局部温度超过临界温度来引发线圈局部失超。用加热电阻H加热Bi2223超导线圈，同时通过电压传感器V监测加热电阻H附近的电压，并通过布置在超导线圈绕组上的铂电阻温度计T1、T2、...、Ti采集各个温度采样点的温度，并按公式(4)、(5)把温度实时转换为温升速率。当加热电阻H附近的电压大于1μV/cm时，线圈在加热电阻H附近局部失超，此刻距离加热电阻H最近(5cm)的两个铂电阻温度计之一的Ti的温升速率变化并不明显，经过5.362s后，测得Ti的温度依次为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)，温度平均化后为
T`1＝(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)，温升速率为
υt1＝(79.51569-79.51473)/0.001＝0.96K/s；
υt2＝(79.51672-79.51569)/0.001＝1.03K/s。
其中温度采样时间间隔为1ms，即0.001s。
当温升速率从0.96K/s升高到1.03K/s时，超过1K/s的温升速率阈值，即在局部失超发生后的5.366s检测到失超。与温升检测法的10s相比，温升速率法的速度提高了46％。
本发明具有检测速度快、灵敏度高的优点，适用于低温超导(NbTi、Nb3Sn、MgB2)线圈和高温超导(Bi2223、YBCO)线圈。