郭帥武玉劉華軍劉勃施毅龍風(fēng)

(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)

1 引言

國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(簡(jiǎn)稱ITER)計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一。ITER計(jì)劃的核心部件是超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，由18個(gè)縱場(chǎng)(Toroidal Field，TF)線圈、6個(gè)中心螺管(center solenoid，CS)線圈、6個(gè)極向場(chǎng)(poloidal field，PF)線圈及18個(gè)校正場(chǎng)(correction coil，CC)線圈組成。中國(guó)承擔(dān)ITER計(jì)劃16 km的TF導(dǎo)體、48 km的PF導(dǎo)體及全部CC導(dǎo)體的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，在這些導(dǎo)體研制過程中，必須進(jìn)行相關(guān)超導(dǎo)導(dǎo)體低溫性能的測(cè)試及研究。

CC導(dǎo)體接頭是CC導(dǎo)體的重要部件之一，建立對(duì)CC導(dǎo)體接頭測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，可以提高在ITER CC導(dǎo)體相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)上的研究水平，為承接和爭(zhēng)取更多的ITER相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目提供有利條件［1］。接頭電阻是CC導(dǎo)體接頭的重要參數(shù)，介紹了一套用于CC導(dǎo)體接頭低溫測(cè)試裝置，可以滿足ITER CC導(dǎo)體接頭電阻的測(cè)量要求。

2 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試裝置系統(tǒng)包括低溫杜瓦，超導(dǎo)變壓器，失超保護(hù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測(cè)試裝置圖如圖1所示。采用內(nèi)徑為300 mm的液氦杜瓦提供所需要的低溫環(huán)境，用LHe浸泡的冷卻方法對(duì)CC導(dǎo)體接頭和超導(dǎo)變壓器初次級(jí)線圈進(jìn)行冷卻，保證線圈完全處于超導(dǎo)狀態(tài)。裝置采用超導(dǎo)變壓器提供CC導(dǎo)體接頭所需要的測(cè)試電流。超導(dǎo)變壓器是用兩個(gè)同軸的超導(dǎo)線圈組合在一起，初級(jí)線圈在內(nèi)層，采用單根NbTi線繞制;次級(jí)線圈在外層，直接利用CC導(dǎo)體接頭連接的CC導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路。利用電磁感應(yīng)的方法，在初級(jí)線圈上給一變化電流，在次級(jí)線圈上感應(yīng)出放大的電流，作為接頭測(cè)試用電流。失超保護(hù)系統(tǒng)是根據(jù)磁體失超傳播的特點(diǎn)，利用平衡橋路快速檢測(cè)出失超信號(hào)，及時(shí)釋放出磁體的電磁能。電流引線外接磁體電源，采用常規(guī)銅電流引線，電流設(shè)計(jì)最大為200 A。

2.1 10 kA超導(dǎo)變壓器的設(shè)計(jì)

由于運(yùn)用的是電磁感應(yīng)原理，要求兩個(gè)線圈盡量緊密，增大感應(yīng)的磁通和耦合程度。為此，研究將超導(dǎo)變壓器磁體結(jié)構(gòu)采用同軸雙骨架的設(shè)計(jì)，即超導(dǎo)變壓器的兩個(gè)線圈設(shè)計(jì)成同軸螺旋管磁體，初級(jí)線圈在里面，次級(jí)線圈在外面，相互套裝而成。初級(jí)線圈最大運(yùn)行電流200 A，在結(jié)構(gòu)上采用8層1 032匝單根NbTi線繞制而成;次級(jí)線圈最大設(shè)計(jì)電流10 kA，采用2匝CC導(dǎo)體繞制在初級(jí)線圈的外側(cè)。CC導(dǎo)體采用4級(jí)3×4×5×5 CICC結(jié)構(gòu)，第一級(jí)由3根超導(dǎo)股線絞纜而成，4根一級(jí)纜再絞制成二級(jí)纜，第三級(jí)為4根二級(jí)子纜繞中間1根二級(jí)子纜繞制，最后一級(jí)為5根副纜相互纏繞，隨后進(jìn)行穿纜、縮管、磁體繞制及固化等工藝過程［2］，變壓器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 接頭測(cè)試裝置圖Fig.1 Test facility diagram of joint

表1 超導(dǎo)變壓器主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of superconducting transformer

次級(jí)線圈采用矩形截面的導(dǎo)體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，既便于線圈繞制，又增大了與初級(jí)線圈之間的耦合程度。為達(dá)到設(shè)計(jì)的1×106的電感，次級(jí)線圈設(shè)計(jì)為單層2匝結(jié)構(gòu)，線圈外徑為222.4 mm，軸長(zhǎng)與初級(jí)線圈的軸長(zhǎng)相同，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的徑向距離控制在10 mm左右，保證兩線圈之間有足夠的安裝空隙，同時(shí)還可使得兩個(gè)線圈的耦合系數(shù)達(dá)到0.72的設(shè)計(jì)值。

超導(dǎo)變壓器初級(jí)、次級(jí)線圈都選用NbTi超導(dǎo)材料，NbTi超導(dǎo)材料生產(chǎn)工藝比較成熟，性能比較穩(wěn)定，不需要經(jīng)過熱處理，制作工藝也較為簡(jiǎn)單［3］。NbTi超導(dǎo)股線的參數(shù)如表2所示。

表2 NbTi超導(dǎo)線參數(shù)Table 2 Main parameters of NbTi wire

UNK NbTi超導(dǎo)股線在4.2 K、5 T環(huán)境下，其臨界電流Ic=550 A;在4.2 K、6 T環(huán)境下，其臨界電流Ic=465 A，由Luca定標(biāo)率公式可得到在4.2 K，2 T環(huán)境下，臨界電流Ic=970 A。運(yùn)行電流設(shè)計(jì)200 A，則Iop/Ic＜21%。NbTi超導(dǎo)股線臨界電流密度Jc曲線如圖2所示。

圖2 NbTi超導(dǎo)股線臨界電流密度曲線Fig.2 Critical-current density of NbTi wire

2.2 失超保護(hù)方案

超導(dǎo)變壓器初級(jí)線圈的通電回路包括磁體電源，移能電阻，接觸器開關(guān)和信號(hào)調(diào)理電路，失超保護(hù)主電路如圖3所示。超導(dǎo)變壓器次級(jí)線圈儲(chǔ)能較小，失超時(shí)其儲(chǔ)存的能量將消耗在線圈正常區(qū)電阻上，無需采取保護(hù)措施。初級(jí)線圈為動(dòng)態(tài)運(yùn)行磁體，為便于失超信號(hào)探測(cè)，失超探測(cè)采用平衡橋路探測(cè)法。通過調(diào)節(jié)平衡橋路兩端電阻比值，使之與線圈感應(yīng)電壓比值相等，線圈超導(dǎo)態(tài)勵(lì)磁時(shí)橋路平衡。失超時(shí)，因磁體失超的傳播性，橋路失衡，從而檢測(cè)出失超電壓信號(hào)。

圖3 失超保護(hù)主電路Fig.3 Electric circuit of quench protection

磁體降溫到設(shè)定溫度，在正式通電測(cè)試之前必須調(diào)節(jié)橋路平衡。當(dāng)通電運(yùn)行磁體局部出現(xiàn)失超時(shí)，失超段產(chǎn)生阻態(tài)電壓，檢測(cè)橋路失去平衡，失超檢測(cè)電壓經(jīng)過濾波、放大、高壓隔離處理等，和事先根據(jù)失超判據(jù)計(jì)算出的失超保護(hù)閾值電壓Vth比較，若超過閾值電壓，則接觸器工作，主回路常閉觸點(diǎn)K1打開，切斷主回路電流，磁體電流流過釋能電阻放電，達(dá)到保護(hù)初級(jí)線圈的目的。

考慮到磁體失超從探測(cè)點(diǎn)處開始的情況，失超并向兩側(cè)同步傳播，失超檢測(cè)電壓Vq不能真實(shí)的反映出失超電壓，出現(xiàn)檢測(cè)盲區(qū)。因此增加一路橋路信號(hào)，以檢測(cè)上述盲區(qū)失超電壓，一般選取磁體1/3處引出電位測(cè)量線，構(gòu)成另一路平衡橋路［4］。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在CC導(dǎo)體接頭的實(shí)驗(yàn)過程中，要監(jiān)測(cè)和記錄樣品環(huán)境溫度，接頭通電電流，接頭兩端電壓和液氦液面等物理量。在左右兩個(gè)接頭的內(nèi)外側(cè)都布一個(gè)電壓測(cè)量點(diǎn)，在接頭的上下側(cè)分布兩個(gè)溫度計(jì)，霍爾傳感器測(cè)量接頭通電電流大小，液面計(jì)測(cè)量杜瓦中液氦液面。傳感器把要測(cè)量的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，工控機(jī)建立和數(shù)字表的通訊，讀取傳感器輸出的電壓值。軟件部分根據(jù)事先設(shè)置的關(guān)系式，對(duì)各通道采集的物理量進(jìn)行文本顯示和曲線顯示。

磁體電源最大輸出1 500 A/10 V，電流輸出精度0.5%;溫度傳感器采用 LakeShore CX－1050－AA 系列，測(cè)溫范圍4.00—325 K;霍爾傳感器采用Lake－Shore HGCA－3020低溫霍爾探針，測(cè)量精度和線性度小于1%;液面計(jì)采用超導(dǎo)液面計(jì)，利用液氦液面上下超導(dǎo)絲電阻不同來測(cè)量出液面高度。

Keithley 2700表測(cè)量?jī)陕窚囟刃盘?hào)，左右接頭內(nèi)側(cè)電壓及初級(jí)線圈失超信號(hào)。其具有6位半測(cè)量精度，配合選用的7708型后面板插入卡可完成40通道差分輸入信號(hào)測(cè)量，并通過GPIB總線和工控機(jī)連接。通過選擇合適量程實(shí)現(xiàn)最佳的采樣分辨率，通過調(diào)整AD積分時(shí)間改變采樣速率。Keithley 2700儀器設(shè)置100 mV量程，采集速率為中速，數(shù)字濾波，此時(shí)各通道電壓測(cè)量在1 mV時(shí)的測(cè)量精度為±0.5%。

3臺(tái)Keithley 2182表分別測(cè)量左右接頭外側(cè)電壓，接頭通電電流。Keithley 2182是7位半數(shù)字表，雙通道輸入。為保證精度，每塊表用通道1測(cè)量。3臺(tái)2182通過GPIB接口線串聯(lián)，再連接到工控機(jī)上。每臺(tái)儀器設(shè)置10 mV量程，采集速率為中速，數(shù)字濾波，此時(shí)電壓測(cè)量在50 uV時(shí)測(cè)量精度為±0.5%。

軟件部分采用LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示，以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和對(duì)歷史數(shù)據(jù)的回放。軟件界面友好，利用LabVIEW提供的文件I/O函數(shù)集，可以在線添加和編輯關(guān)系式，添加新的測(cè)量點(diǎn)，修改通道名稱、關(guān)系式和單位等［5］，使測(cè)量更加靈活。數(shù)據(jù)采集任務(wù)停止后，可以通過數(shù)據(jù)回放選項(xiàng)，看到系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)文件列表，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)文件，會(huì)出現(xiàn)文件中各通道的數(shù)據(jù)索引，然后可以在Graph中可以看到整個(gè)采集過程中各通道數(shù)據(jù)的變化曲線。數(shù)據(jù)回放功能使用戶在實(shí)時(shí)采集結(jié)束后，仍可以重新觀察和深入處理采集數(shù)據(jù)［6］，以便對(duì)測(cè)試樣品物理性能深入分析。

3 CC導(dǎo)體接頭電阻的測(cè)量

將測(cè)試接頭和超導(dǎo)變壓器安裝于不銹鋼杜瓦中，先通入液氮進(jìn)行預(yù)冷，加入液氮時(shí)要緩慢，避免急速冷卻［7］。采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接頭和超導(dǎo)變壓器溫度，達(dá)到77 K后保持一段時(shí)間。然后換用LHe冷卻，把液氮排出并繼續(xù)降溫，直到溫度降到4.2 K左右并穩(wěn)定下來。調(diào)節(jié)失超保護(hù)平衡橋路，然后分別測(cè)量CC導(dǎo)體接頭在在自場(chǎng)環(huán)境下，2－4－5－6－7－8 kA 通電電流時(shí)的電阻，其中每個(gè)電流臺(tái)階穩(wěn)定通電時(shí)間維持在10 s以上。通電電流為6 kA和8 kA時(shí)的接頭電壓電流曲線如圖4、圖5所示，左右接頭電阻的大小分別約為8.4 nΩ和9.3 nΩ，接頭電阻測(cè)量精度小于±5%。

圖4 通電電流為6 kA的接頭電阻Fig.4 Resistance of joint at 6 kA current

圖5 通電電流為8 kA的接頭電阻Fig.5 Resistance of joint at 8 kA current

4 結(jié)論

介紹了ITER CC導(dǎo)體接頭電阻測(cè)試裝置，具體討論了10 kA超導(dǎo)變壓器的設(shè)計(jì)和研制，分析了失超保護(hù)系統(tǒng)原理以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。通過控制超導(dǎo)變壓器初級(jí)線圈的電流上升率和上升時(shí)間，在次級(jí)線圈獲得接頭測(cè)試所需要的不同的通電電流。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中的溫度信號(hào)，電壓電流信號(hào)，并根據(jù)每個(gè)通電電流臺(tái)階的接頭電壓電流值得出接頭電阻值。測(cè)試裝置系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到ITER CC導(dǎo)體接頭電阻的測(cè)量中，裝置滿足ITER CC導(dǎo)體接頭的測(cè)量要求。

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