絕緣高溫超導磁體具有高臨界溫度、高臨界磁場及高載流能力等獨特優(yōu)勢，是中國聚變工程實驗堆中心和未來聚變裝置中螺線管磁體的首選。該實驗利用OFDR分布式光纖傳感技術，研究HTS（高溫超導）絕緣雙餅線圈熱點溫度在不同穩(wěn)定工作電流下的傳播規(guī)律。結果表明，熱點溫度沿線圈軸向傳播，并通過匝間絕緣徑向傳播。研究發(fā)現(xiàn)，與失超電壓信號相比，光纖譜移變化比電壓信號提前約10s，而且可用于熱點定位。證實了OFDR分布式光纖傳感技術可用于HTS絕緣線圈的失超檢測。
實驗樣品為Bi-2223帶材繞制生雙餅線圈，如圖1所示，采用0.03mm聚酰亞胺薄膜實現(xiàn)匝間絕緣，并在單餅線圈之間用0.2mm的環(huán)氧樹脂板隔開。線圈一般不加固，其外側以可拆卸的方式固定。線圈在兩層中有36圈，總長度接近20米。此外，選擇1μV/cm作為失超標準。線圈在77K液氮環(huán)境中的臨界電流約為90A。
圖1 (a)Bi2223/Ag絕緣雙餅線圈 (b)線圈加熱器位置
線圈具體參數(shù)如下表所示。
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參數(shù) |
數(shù)值 |
參數(shù) |
數(shù)值 |
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線圈尺寸mm |
160-172 |
帶材長度m |
20 |
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帶材尺寸mm |
4.8*0.27 |
雙餅線圈匝數(shù) |
18*2 |
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臨界電流 |
90A@77K |
電感mH |
0.383 |
實驗樣品線圈設計如圖2所示。為了模擬絕緣線圈在恒定電流下的失超，在線圈表面設置絕熱處理的脈沖加熱器（總電阻：16.5Ω，總長度：1.5cm），并使用環(huán)氧樹脂進行密封和絕緣。在線圈的兩端設置VTs探測裝置，用于檢測處于失超狀態(tài)下的線圈端電壓，并將其作為OFDR技術光譜偏移的對比信號。
線圈本身的溫度變化會引起附著在其表面光纖瑞利散射光譜的偏移，為了檢測絕緣層的溫度滲透性，將光纖直接布置在帶狀絕緣層的外部，兩根光纖沿螺旋方向均勻地分布5匝于雙餅線圈上下徑向平面上。 如圖2(a)所示，黑線表示光纖的分布路徑，最里面和最外面的黃線分別表示線圈的內(nèi)部和外部邊界。紅色矩形用于指示加熱器的位置和形狀。如圖2(b)所示，在電流引線和線圈之間的接合處設置三個重疊的超導帶，減小由引線到線圈的連接電阻引起的失超風險。
(a) 光纖傳感器安裝和7個測量點 (b) 安裝光纖、加熱器及VTs的線圈
圖2 實驗樣品線圈設計
通過液氮氣冷將線圈保持在約77K的溫度，使用低溫領域的高導熱絕緣漆GE Varnish 7031增強光纖的熱傳遞。
向高溫超導線圈提供恒定電流，并保持安全工作電流（< Ic），確保線圈處于完全超導狀態(tài)。ofdr設置空間分辨率為1cm，采樣率為1hz。
圖3顯示第1餅線圈在外部熱擾動下局部正常區(qū)域的溫度傳播。第1餅線圈對應光纖測試范圍16.00m-13.80m，施加Iop=50A，加熱器脈沖電流（I pulse）為1.5A，電流脈沖為2s，線圈局部正常區(qū)域出現(xiàn)徑向與軸向擴散。此時，線圈端電壓超過失超閾值（2mV），出現(xiàn)不可逆失超事件，如圖3(a)所示，正常區(qū)域溫度沿徑向方向傳播，即匝間傳播。為了避免加熱器與第五圈光纖直接接觸的影響，選擇1-4圈光纖進行分析，熱量按照由外向內(nèi)的溫度梯度方向。此時，線圈的熱點溫度通過匝間絕緣沿徑向傳播，位置4的光譜迅速變化，比線圈端電壓提前4s。
(a) 徑向失超傳播曲線 (b) 沿電流方向失超傳播曲線
圖3 第1餅線圈的光譜偏移和端電壓軌跡
(I pulse=1.5A)
圖3(b)為熱量沿線圈軸向傳播，光纖中3、6、7三個點（14.83、14.81、14.79 m）處的光譜偏移量在初期具有相同增長趨勢，這是工作電流與正常區(qū)傳播速度依賴關系的結果。此外，通過選擇一定的光譜偏移量對應值，可以分別計算光譜在軸向與徑向的傳播速度V radial=2mm/s，V axial=2.08cm/s，以此來表征正常區(qū)域在線圈中的傳播情況，顯然，軸向傳播速度遠遠超過徑向傳播速度。
第2餅線圈對應光纖測試范圍16.20m-13.70m，施加不同的運行電流，對線圈徑向失超傳播進行分析。如圖4(a)所示，Iop=60A，線圈在熱擾動(I pulse=1 A)的作用下，端電壓最高達到4.3mV，超過線圈失超閾值，發(fā)生可恢復失超事件。點5、4和3的光譜在加熱器工作開始就立即發(fā)生。點5的光譜偏移量最大，并沿著線圈徑向方向逐漸遞減。由于傳輸過程中的熱量消耗與線圈銅支架的散熱，導致點2和1的光譜變化不明顯。
(a) 自場、lop=60A (b) (b)自場、lop=70A
圖4 第2餅線圈徑向的光譜偏移和端電壓軌跡 (I pulse=1A)
同樣，在相同的熱干擾下，Iop=70A，如圖4(b)所示，發(fā)生可恢復失超事件，端電壓的峰值高達6.5mV。通過比較兩種結果可發(fā)現(xiàn)由于運行電流的增大，相同熱干擾刺激下，70A運行電流對應點的光譜偏移變化更快，這是因為正常區(qū)域傳播速度受運行電流的積極影響。
對于此類可恢復失超事件，線圈的光譜變化時間比端電壓感知信號時間要提前10s左右。同時，通過解調(diào)發(fā)射光譜變化與偏移量，還可以精確定位光纖的光譜變化位置信息與變化量。實驗證明，實驗線圈上0.03mm的聚酰亞胺薄膜具有優(yōu)異的導熱性能，能夠有效地將熱點溫度傳遞到光纖中。
但由于線圈結構及絕緣材料對光纖的影響較大，因此有必要考慮光纖最小彎曲半徑和絕緣材料的導熱系數(shù)等因素。對于低熱傳導性的絕緣材料，光纖應布置在導體絕緣之前，以便準確反映溫度變化。在這種情況下，要考慮光纖的受壓和耐彎曲性能。
該實驗主要是利用加熱器在恒定電流下使HTS絕緣雙餅線圈局部失超，并利用OFDR分布式光纖傳感技術測量絕緣線圈中正常區(qū)域的溫度傳播。如結果所示，頻譜的軸向速度比徑向傳播速度大約1個數(shù)量級。與傳統(tǒng)的端電壓(VTs)法相比，OFDR分布式光纖傳感技術的響應速度遠遠超過VTs，且不受測試點位置的限制。
研究表明，分布式光纖的頻譜變化能真實反映失超檢測信號，對HTS絕緣線圈的失超檢測具有明顯優(yōu)勢。到目前為止，光譜偏移和實際溫度變化之間尚未建立統(tǒng)一的對應關系，需要通過實驗進一步確定。另外，要考慮線圈絕緣方法和絕緣材料導熱率對光纖測量精度的影響。
在后續(xù)實驗中，有必要探討絕緣材料對線圈OFDR光纖測溫的影響，以便為HTS磁體提供一種更準確的失超檢測方法。
題名：Quench Detection of Bi2223/Ag Insulated Double-Pancake Coil Using Distributed Optic Fiber Sensor
來源：IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.30, NO.3, APRIL 2020
作者：Bin Chen, Jiangang Li, Yanlan Hu, Chao Zhou, Hongjun Ma, Huajun Liu, Xiaolei Zhang, and Xiaoqiao Zhang
