高溫超導(dǎo)材料（HTS）相較低溫超導(dǎo)材料（LTS）而言，具有更高的臨界溫度、臨界電流和臨界磁場，在大型聚變裝置中具有廣闊應(yīng)用前景。該實(shí)驗(yàn)提出新的失超檢測方法-OFDR分布式光纖傳感，使用OSI設(shè)備和REBCO樣品纜進(jìn)行驗(yàn)證。得出相較于傳統(tǒng)電壓檢測，分布式光纖測量能夠屏蔽電磁干擾、快速反映失超、實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)定位。
測試過程
1. 樣品準(zhǔn)備
CORC電纜實(shí)驗(yàn)樣品為層間接觸初級(jí)纜結(jié)構(gòu)，在直徑為3.5mm的銅芯表面纏繞三根REBCO軟帶，組成長為45cm的實(shí)驗(yàn)樣品電纜，從外到內(nèi)順序分別是Tape1、Tape2、Tape3，如圖1所示。
圖1. CORC纜三層結(jié)構(gòu)示意圖
REBCO超導(dǎo)帶具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其液氮下臨界電流為120A。
圖2. REBCO超導(dǎo)帶材結(jié)構(gòu)（未按比例繪制）
2. 失超檢測設(shè)計(jì)
檢測設(shè)備為OSI-S，測量長度為50m，設(shè)置1cm空間分辨率和3.5Hz采樣率的測試參數(shù)，傳感器為80μm耐彎曲光纖。
圖3. REBCO電纜失超探測裝置示意
如圖3所示，在最外層帶材與銅棒表面布置光纖OF1、OF2，總長為3m。此外再布置4對(duì)電壓和4個(gè)溫度計(jì)，為觸發(fā)超導(dǎo)體失超，在Tape1外設(shè)置加熱器（heater）。
將超導(dǎo)電纜置入10cm深液氮池中，考慮單層帶材失超傳播特性，將3根帶材按特定順序施加電流，如表1所示。
表1. HTS帶材每層所對(duì)應(yīng)的電流參數(shù)和光纖測試序號(hào)
測試結(jié)果
1. 失超傳播速度（NZPV）
NZPV是表征超導(dǎo)體失超特性的重要數(shù)據(jù)，可通過電壓信號(hào)數(shù)據(jù)（V1/V2/V3）計(jì)算出三層超導(dǎo)帶的縱向失超傳播速度（LNZPV），其數(shù)值是電纜正常區(qū)域軸向傳播速度（ANZPV）兩倍，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。
圖4. CORC纜超導(dǎo)帶的縱向失超傳播速度與電流的關(guān)系
2. 超導(dǎo)電纜正常區(qū)域傳播長度
電纜軸向區(qū)域傳播長度（LANZP）是沿著電纜方向長度，縱向區(qū)域傳播長度（LNZP）是沿著螺旋纏繞在銅芯上帶材長度。
(a)所有測試點(diǎn)光譜偏移曲線 (b)光譜偏移曲線局部放大效果
圖5. 光纖OF1隨長度分布光譜偏移曲線
如圖5所示，OSI-S設(shè)備光譜偏移曲線可得到LANZP≈9cm，與電壓曲線LNZP值相符合，還可獲得2.72m處光纖的最大光譜偏移。
圖6. Tape2對(duì)應(yīng)OF2光譜偏移量函數(shù)
在電流=100A時(shí)，增加加熱器能量，引發(fā)失超事件。受電壓抽頭數(shù)量限制，電壓信號(hào)無法準(zhǔn)確捕獲正常區(qū)域邊界。而光纖OF2可實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)Tape2失超特性，如圖6所示，不同加熱器能量下的電纜Tape2對(duì)應(yīng)OF2上光譜偏移量隨時(shí)間和位置分布。
電纜在不同加熱器能量下軸向區(qū)域變化，通過轉(zhuǎn)換獲得HTS帶材LNZP，如表2所示。
表2. Tape2在不同加熱器能量下的正常區(qū)域傳播長度
3. 基于分布式光纖的損傷點(diǎn)定位
為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)電纜穩(wěn)定性，將中間層Tape2充電至失超，如圖7所示，電壓增加，發(fā)生不可逆失超事件。
圖7. Tape2的光譜偏移和端電壓信號(hào)隨時(shí)間變化曲線
通過對(duì)圖8中光纖定位三相圖分析，可準(zhǔn)確定位損傷點(diǎn)1位置為2.65m，在2.61m處存在潛在損傷點(diǎn)2。
圖8. 光纖定位三相圖
如圖9所示，觀察到1已損壞，其位置與OSI-S設(shè)備測量位置一致。此時(shí)，嵌入式安裝光纖傳感器可以定位HTS纜損傷點(diǎn)，并且具有較高的空間靈敏度和測量精度。
圖9. 測試電纜的損傷點(diǎn)照片
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
OFDR分布式光纖技術(shù)響應(yīng)速度快，能準(zhǔn)確反映被測電纜正常區(qū)域發(fā)展，而且以5-10mm空間分辨率準(zhǔn)確定位損傷點(diǎn)。與傳統(tǒng)失超檢測方法對(duì)比，優(yōu)勢明顯。這對(duì)于HTS磁體失超穩(wěn)定性與安全保護(hù)研究具有重要意義。
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題名：Distributed optical fiber sensor for investigation of normal zone propagation and hot spot location in REBCO cables
來源：Fusion Engineering and Design 156（2020）111569
作者：Bin Chen, Jiangang Lia, Yanlan Hua, Hongjun Ma, Teng Wanga, Chao Zhoua, Huajun Liua
