[實用新型]超導磁鐵失超保護綜合控制接口單元

無效

• 申請號: 200820222580.9
• 申請日: 2008-11-25
• 公開（公告）號: CN201388043Y
• 公開（公告）日: 2010-01-20
• 發明（設計）人: 黨懷東;王有云;楊有濤;柴正勇;張文慶;王麗;石立峰
• 申請（專利權）人: 天水電氣傳動研究所有限責任公司
• 主分類號: H02H5/00
• 分類號: H02H5/00;H01F6/00;G05B19/04
• 代理公司: 甘肅省知識產權事務中心
• 代理人: 鮮 林

技術領域

本實用新型屬于超導電工技術和電子技術領域，涉及一種電子線路，可用來保護超導磁鐵免受失超可能導致的毀壞，具體說是一種超導磁鐵失超保護綜合控制接口單元。

背景技術

隨著超導技術和超導材料的蓬勃發展，超導磁鐵有著廣闊的應用前景。由于超導磁鐵體積小、電流密度高、能耗低、場強高等優點，近年來在基礎科學研究、醫療衛生、交通運輸、國防工業等重要領域被越來越多的采用。失超(Quench)，失超是指超導體從超導態進入常導態，超導線從沒有電阻變為有電阻，電流經過該區域時就會產生熱量，當用于超導磁鐵的超導體回復到電阻狀態時，就稱之為失超(Quench)。這可能是由于溫度、外界磁場的強度或承載電流的密度等某個參數超出其臨界值而引起的。超導體的一小部分不再是超導的，而是進入電阻狀態，任何流經該電阻部分的電流都會導致局部焦耳發熱。這將導致該超導體的鄰近部分失超，結果形成更大的電阻態體積，這又導致進一步地焦耳發熱。很快地，超導體進入電阻狀態，這時如果還有較大的電流仍在流經該超導體，那是非常危險的，會在一瞬間毀壞超導體。

實際應用中，在失超之前，超導磁鐵一般會帶有可能為兆焦耳數量級的儲存能量。在失超之后，儲能將在導體的電阻態體積中被消耗掉。如果不適當地控制失超過程，就會在有限的區域內消耗該儲能，從而導致局部溫度上升，該局部溫度上升會損壞失超開始的部分或附近的線圈區域。已知可以通過擴展失超過程或轉移儲能來避免有害的熱量集中，這就需要恰當地控制失超過程，也稱為對超導磁鐵進行失超保護。

超導磁鐵失超保護的作用主要是在磁鐵發生失超時，將線圈的熱點溫度控制在安全范圍內。控制熱點溫度的實質就是控制儲能在熱點的沉積，失超保護處理儲能的方式有兩種：一種是將儲能轉移到磁鐵外面的泄能電阻上；一種是通過擴展失超過程來避免有害的熱量集中，以便在盡可能多的可用超導體上均勻的耗散所產生的熱量，這將導致基本上涉及整個超導體的失超，意味著任一部分都不應達到危險的溫度。該方式一般是為每個超導線圈配備發熱器，該發熱器與線圈有緊密的熱接觸，通過向發熱器施加電流來實現故意的失超。

失超保護有被動保護和主動保護兩類。被動保護在失超發生時會自動啟動，一般是通過與超導磁鐵耦合的線圈，將磁鐵線圈的能量轉移到磁鐵外面的泄能電阻上，或者通過與線圈并聯的電阻，將線圈分為多個單元，使失超時能量的分布比較均勻，從而達到保護的目的。主動保護則復雜的多，需要準確的探測到失超的發生，再通過保護電路實施預定的保護動作。因為被動保護系統轉移的能量有限，所以多適應于銅超比較大的、無源的超導線圈，對于加速器上使用的超導磁鐵，由于其儲能大，銅超比小，超導線截面小，所以需要使用主動保護系統，以便將絕大部分能量轉移到外部的泄能電阻上，控制失超后的熱點溫度。

主動失超保護系統需要及時準確的探測到失超的發生，然后通過控制電路完成切斷電源、接入卸能電阻創建卸能回路、協調指揮全部相關部件執行預定動作、記錄儲存實時數據等。由主動失超保護系統的保護過程可以看出，主動失超保護系統主要包括幾個部分：失超探測器、失超保護器和失超保護綜合控制接口單元。

失超探測器的主要功能是監測各種狀態信號，在失超發生時能迅速準確的做出判斷，并向相關系統發送觸發信號。

失超探測器是失超保護系統的關鍵部件之一，它能否對磁鐵的失超作出迅速準確的判斷是整個失超保護系統正常工作的先決條件。失超后超導磁鐵以及各輔助系統的狀態都會發生變化，線圈上的電壓、電流會發生變化，整個冷卻回路中液氦的壓強以及流量也會發生變化。這些狀態的變化就是判斷失超的依據，相應的就有多種探測失超的方法。工程實踐證明，電壓抽頭是最合適的探測方法，其探測時間短，準確性高，受系統干擾和隨機干擾的影響小。因而電壓抽頭的探測方法目前被廣泛采用，從初期的模擬電路失超探測到后來的模擬加數字失超探測，再到近幾年開始開發應用的全數字失超探測，失超探測的可靠性和靈敏度都得到了大幅度的提高。

如果說失超探測器是失超保護系統的眼睛，失超保護器是手，那么失超保護綜合控制接口單元(QPAIC)就是大腦，其作用十分重要。QPAIC的主要功能是失超保護邏輯的處理和控制指揮失超保護器實施保護動作，同時，它還負責對失超保護器的各種故障、電源故障和對地泄漏電流的變化進行監控記錄，實現各部分間信號的交換并將相關的信息存儲在計算機中。