（电工理论与新技术专业论文）小型实验超导磁体的稳定性分析与综合保护系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t s c h a r a c t e r i s t i ci st h a ti tc a n p r o d u c es t r o n g m a g n e t i cf i e l di nl a r g ea r e aw i t ht h el o ws u p p l i e dp o w e r , a n dt h ef i e l dk e e p s c o n s t a n ta tt h es u p e r c o n d u c t i n gc o n d i t i o n a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h et e c h n o l o g i e s o fs u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t sa r es u c c e s s f u l l ya p p l i e di nd i f f e r e n td o m a i n s ，s u c h a ss c i e n c e r e s e a r c h i n g ，e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，r a i l w a yt r a f f i c ，m e d i c a l t r e a t m e n ta n ds oo n t h er e s e a r c h o b je c to ft h i s d i s s e r t a t i o ni st h e s m a l l s c a l en b t i s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t ， w h i c hh a st h e r e q u i r e m e n t o f q u i c k l y e n e r g y t r a n s f e r r i n gu s e di ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h ep a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e s t h ed e v e l o p m e n to fs u p e r c o n d u c t i v i t ya n dt h et e c h n o l o g yo fs u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t s ，t h e nt h er e s e a r c h i n gb a c k g r o u n di ss i m p l yi n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lm a g n e t ，t h ep a p e ra n a l y z e sm a g n e t ss t a b i l i t y a n di n s u l a t e d s t r u c t u r e t h es t a b i l i t yo ft h em a g n e ti sa n a l y z e di na d i a b a t i cc o n d i t i o n ，a n dt h e h o ts p o tisa l s oe s t i m a t e dt oc h e c kt h em a x i m u mt e m p e r a t u r eo ft h em a g n e ta f t e r q u e n c h i n g ，a n dt h i si st h eb a s i ca n a l y s i sf o rq u e n c hp r o t e c t i o n m a g n e t sq u e n c h t r a n s m i t t i n gp r o p e r t y i sr e s e a r c h e dt om a s t e rt h e c h a n g e so fm a g n e t s i n n e r r e s i s t a n c e ，a n dt h i si sg o o da c a d e m i cf o u n d m i o nf o rt h em a g n e t sq u e n c h d e t e c t i o na n dp r o t e c t i o n c o m p a r i n gw i t ho t h e rm e t h o d so fq u e n c hd e t e c t i o n ，t h e m e t h o do fv o l t a g ed e t e c t i n gi sb e t t e ra n dm o r ep o p u l a rf o rt h e m a g n e t s p r o t e c t i o n i no r d e rt oe n s u r em a g n e t ss a f e t yw h e ni tr u n n i n g ，t h ep a p e ra d o p t d i f f e r e n tp r o t e c t i v em e t h o d sw h e nt h em a g n e tw o r k si nd i f f e r e n tp h a s e s ，a n di t s h e l p f u lf o rt h em a g n e t sp r o t e c t i o n ，t h ed e s i g n e ds y s t e mi n c l u d e st w op a r t s ： q u e n c hp r o t e c t i o na n do v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n t h ec i r c u i t sa r ec a l c u l a t e da n d s i m u l a t e dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ep r o t e c t i v es y s t e m ，s u c ha se l e c t r i c a l b r i d g ec i r c u i t ，a b s o l u t ev a l u ec i r c u i ta n ds oo n t w om e t h o d so fk e e p i n gt h e v o l t a g ea st h ec o n s t a n ta r ea l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r , c o m p a r i n gw i t ht h e o r d i n a r yw a y s ，t h e s em e t h o d sc a ne v i d e n c e l yi m p r o v et h es p e e do ft h ed i s c h a r g e ， a n dt h ee n e r g y t r a n s f e re f f i c i e n c yb e c o m e s h i g h e r f i n a l l y , an e wm e t h o db a s e do nd e t e c t i n gt h ec h a n g e so fm a g n e t si n n e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 r e s i s t a n c ef o rq u e n c hd e t e c t i o ni s p u tf o r w a r d ，a n di t c a nb ev e r yu s e f u lf o r a d v a n c i n gt h em a g n e t s s t a b i l i t y k e yw o r d s ：s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t ；m a g n e t ss t a b i l i t y ；p r o t e c t i o n ；q u e n c h 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 季峰 日期：j j 夕罗彭乍 指导老师签名： 日期： l 歹： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 针对实验室用的小型超导磁体，根据磁体在运行过程中工作特点的不同， 提出对磁体开展分阶段保护，即磁体充电运行阶段的失超保护和放电阶段 的过压保护，以提高磁体保护的可靠性； 2 通过实验掌握磁体失超后内阻变化的特点，结合理论计算与失超实验曲线 来确定合理的保护阈值，并应用于磁体保护系统中。 学位论文作者签名： 日期： 5 h峥吖 番二 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 1 1 1 超导电性的发展 第1 章绪论 1 9 0 8 年，荷兰莱顿( l e i d e n ) 大学的卡末林一昂尼斯( k a m e r l i n g h o n n e s ， 1 8 5 3 1 9 2 6 ) 教授首次成功地液化了最后一种“永久气体”氦( h e ) ，从而获得 了4 2 k 的低温冷源，为低温物理研究创造了前提条件。1 9 1 1 年，昂尼斯发 现当汞被冷却至液氦温度时，其电阻值急剧下降至零，他将这种奇异的现象 称为超导电性，简称为超导性。具有超导性的物质就是超导体，它从呈现一 定电阻值的正常状态转变为超导态所对应的温度称为临界温度疋，一般金属 的疋极低。超导体在临界温度以下电阻消失的现象，一般称为零电阻现象， 这是超导体的基本特性之一。 1 9 3 3 年，德国物理学家迈斯纳( w a l t h e rm e i s s n e r ) 发现，超导体一旦进 入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，这种特 性称为完全抗磁性，又称为迈斯纳效应( 图1 一l 所示) 。完全抗磁性是因为在 超导体表面感生了一个分布和大小刚好与外界磁场相同的磁场，使得超导体 内合场强为零，对外表现出外界磁场无法穿越的特性。 a ) 正常态下磁场分布”超导态下磁场分布 图1 - 1 完全抗磁性f 1 】 当j t - d n 磁场达到一定数值时，超导体的超导电性就会被破坏，超导体由 超导态转变为正常态，人们把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 段。若记超导体在绝对零度下的临界磁场为h e ( 0 ) ，那么亿值与温度间具有 下述关系【1 】： h ，( 丁) = h ，( o ) 【1 一( 厶) 2 】 ( 1 1 ) 。 c 除了疋和风外，限制超导电性的另一个重要参数为临界电流。在一定 的温度和磁场条件下，当超导体载流增大到某一数值时，其超导电性也会被 破坏，这一数值电流就是临界电流厶，临界电流通常被定义为：超导体两端 电压达到0 1 9 v c m 时，导体所通过的工作电流。通常将导体每平方厘米截 面上可通过的最大电流值叫做导体的临界电流密度，用以表示。 1 9 3 4 年，g o r e r t 和k a s i m i r 从热力学相变的角度出发，发展了超导电性 的热力学二流模型，物质处于超导态时，共有化自由电子分为正常电子和超 流电子两部分，它们占据同一体积，在空间上相互渗透，彼此独立运动，其 相对数目是温度的函数；l o n d o n 首先以定量方法研究了超导体内部无磁场这 一基本现象，他提出了超导体的伦敦方程，该方程说明磁场在超导体外表面 几百埃范围内迅速衰减至零，从而解释了迈斯纳效应；金兹堡( g i n z b u r g ) 和朗 道( l a n d a u ) 用二级相变理论研究超导体的相变问题，提出了g l 方程，预示 了超导体具有宏观量子现象，成功地解决了磁场的穿透深度、界面能、小样 品的临界磁场等问题，该方程还可以解释混合态的许多性质，并提出了第1 类、第1 i 类超导体的判据。 为了进一步深入理解超导体导电的物理机理，1 9 5 7 年，美国物理学家 j o h nb a r d e e n 、l e o nc o o p e r 和r o b e r ts c h r i e f f e r 提出了b c s 理论来阐述超导 电性的微观机制。b c s 理论认为【2 j ：晶格的振动使自旋和动量都相反的两个 电子组成动量为零的库珀对，所以根据量子力学中物质波的理论，库珀对的 波长很长以至于其可以绕过晶格缺陷杂质流动从而无阻碍地形成电流。b c s 理论不仅成功地解决了超导微观机制问题，而且解释和预见了许多和超导有 关的现象，如超导体的临界温度、超导体的能隙、临界磁场和超导体比热容 等。作为一种微观理论，由它不但可以导出在此之前已发展起来的伦敦理论、 金兹堡朗道理论，而且可以解释更多由这些唯象理论所不能解释的现象，普 遍为大家所接受。非常规超导体( 包括高温超导体) 的发现为b c s 理论提出 了一些新问题，但b c s 理论的核心，即载流子配对的思想仍是适合的，至于 配对的机制及对系统的描述尚待揭示。 一个世纪以来，科学家们一直致力于寻找新的超导体以不断提高疋值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 9 8 6 年，瑞士i b m 苏黎士研究室的k a m i l l e r 和j g b e d n o r z 发现了一种铜 氧化合物l a b a c u o ，在3 0 3 5 k 的温度下电阻接近于零，从而为“高温超导” 的研究揭开了新的一页。1 9 8 7 年初，美籍华人科学家朱经武教授和他的学生 吴茂琨，以及中国科学家赵忠贤研究员相继发现了另一种材料，钇钡铜氧 化物，使超导临界温度的记录提高到了9 3 k 。在随后的几年时间里，y 系、 b i 系和t l 系高温超导材料相继被发现，高温超导临界温度迅速提高，为超 导材料从实验室走向应用铺平了道路。 根据超导体在磁场中的磁化，超导体可分为两类，分别称做第1 类超导 体和第1 i 类超导体。以铟、锡和汞等为代表的非过渡金属元素和大部分纯 的过渡金属元素，具有理想的超导特性，称为第1 类超导体( 或软超导体) ， 这类超导体在低于临界温度的某一温度下，当所加磁场比临界磁场弱时，超 导体禁止磁感线进入，一旦磁场比临界磁场强时，这种超导特性就消失了， 磁感线可以完全进入金属体内。此类超导体的皿值不高，且疋值一般低于 1 0 k 。 过渡金属的铌、钒和合金、化合物等具有非理想的超导特性，称为第1 i 类超导体。第1 i 类超导体具有两个临界磁场，即下临界磁场阢，和上临界磁 场也2 ，当外加磁场较低时，它呈现完全抗磁性，但当日超过肮，后，磁 通开始向超导体内部穿透，使磁化强度逐渐减小，此间超导体内部超导相和 正常相共存，这时超导体不在具有完全抗磁性的特征，却保持超导性。第1 i 类超导体可分为两类：如果样品是均匀的，磁通能在体内自由运动，磁化曲 线呈可逆变化，这类称为理想的第1 i 类超导体；如果样品是不均匀或欠完美 的，如空位、杂质、位错和脱溶相等所在的位置，能防止磁通运动，因此磁 化曲线出现磁滞，这类称为非理想第1 i 类超导体，或称为硬超导体。 第1 类超导体和第1 i 类超导体最明显的区别反映在各自的磁化曲线中， 如下图1 2 所示，这也是两类超导体的根本区别所在。 完全抗磁性。西莴怒 磁场强度( h )磁场强度( h ) a ) i 类超导体磁化曲线b ) l i 类超导体磁化曲线 图1 2 第1 类和第1 i 类超导体的磁化曲线f 1 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 对于实际应用的超导体，不仅要求其临界磁场和临界温度高，还要求具 有很高的负载电流能力。通常，人们利用导体的负载电流能力对材料的内部 结构十分敏感这种特性，在超导元素中添加多种元素使之形成合金或化合物， 再进行适宜的压力加工和热处理，使材料中产生错位网、晶格缺陷及沉淀物 等非均质相，来提高导体的负载电流能力。 根据超导应用领域，超导体的应用可以分为两个方面：超导大电流应用 和超导电子学应用。在超导大电流应用领域，超导输电技术、超导储能、超 导磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导脉冲功率技术等是目前研究的热门方 向；而在超导电子学应用领域，各类超导电子学器件、超导电子计算机、强 磁场下物性、医学应用等方向则成为研究的主流。正如已故材料专家马梯阿 斯所说：“如果在常温下，例如在3 0 0 k 左右能实现超导电现象，则时代文明 的一切技术都将发生变化”1 3 j 。 1 1 2 超导磁体 超导磁体是用超导线绕制的线圈和保持其超低温的容器( 低温恒温器) 的 总称。与常规磁体比较，超导磁体具有许多优越性：其一，能获得极强的磁 场，永久磁铁的两极附近产生的较强磁场仅有0 7 t ，传统的电磁铁尽管理论 上可以通过增加电流来获得任意强度的磁场，但实际上由于铁芯的磁耗和线 圈电阻的热效应，也限制了它的最高磁场强度。电磁铁的最高磁场强度约为 2 5 t ，而超导体就没有这些限制，超导线圈产生的磁场强度高达1 0 1 0 0 t ，并 且只要超导电性不被破坏，就可以保持恒定的磁场不衰减；其二，超导磁体 的体积小、重量轻。由于超导体没有电阻热效应的限制，超导线容许的电流 密度比普通铜线容许的电流密度大得多，所以超导线可细得多，且勿需庞大 的冷却设备，因而超导磁体可做得很轻便；其三，超导磁体的磁场空间均匀 性高，时间稳定性好，还可以制成具有高梯度的磁场，这也是常规磁体无法 相比的。 超导磁体的分类方法比较多，分类的侧重点也不尽相同。根据磁体绕组 匝间的紧密程度来分，超导磁体可分为松绕磁体和密绕磁体；根据绕制磁体 的超导线材来分，超导磁体可分为低温超导磁体和高温超导磁体；根据磁体 的储能大小来分，超导磁体可分为小型磁体、中型磁体和大型磁体等。 超导磁体的绝缘结构一般可划分为浸渍绝缘结构和非浸渍绝缘结构。浸 渍绝缘结构目前应用范围比较广泛，其优点是将线圈固化成一个磁体，导体 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 之间不易发生移动，缺点是冷却效果比较差，图1 - 3 所示为超导绕组及浸渍冷 却杜瓦结构简图。非浸渍绝缘结构主要用于大型圆筒式超导磁体和某些小型 超导磁体。 砷超导线圈绕组b 1 磁体冷却杜瓦 图l 一3 超导线圈及杜瓦结构简图 稳定化、冷却和保护技术是一个磁体系统设计和建造中的三个关键环节 吐稳定运行中的超导磁体局部受到微弱能量干扰就可能引起磁体局部或整 体地失去超导特性，即磁体失超。引起磁体失超的干扰能量可能来自外加电 压的不正常变化、外界磁场的影响、线圈冷却不均匀或线圈产生的l o r e n t z 力作用及其它。n a o k is e k i n e 等人指出 7 1 ：超导线圈在运行过程中因受电磁力 而引起的线圈振动是引起磁体机械不稳定的主要因素。超导磁体失超伴随发 生一系列问题，其中最主要的有过电压和发热。过电压可能会造成磁体绝缘 结构的击穿；严重的局部温升可能会导致电缆绝缘、接头或合金被熔化，从 而造成磁体不正常工作甚至损坏。超导磁体失超现象的发生是随机的，这就 需要采取某种检测方法来及时发现这种随机现象，并采取有效的措施来对磁 体进行保护。 目前，超导磁体己成为科学研究的重要工具，它在高能物理、受控热核 反应、等离子体物理、生物物理、低温物理、磁学、物质结构分析、医学、 交通、工业等很多科学探索研究中得到越来越广泛的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 国内外现状 2 0 世纪8 0 年代中期，用于工频低温超导线材开发成功，在美、日、德 等国家出现了新一轮的超导应用研究热潮，各种超导设备的试制品相继问世， 超导限流器、超导储能、超导发电机和超导变压器等超导设备已接近实用水 平。我国超导技术和应用研究起步于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 5 年中国科学院物 理研究所与武汉7 1 2 所合作，设计研制一台2 0 k w 超导电机，其转子线圈采 用我国宝鸡有色金属加工研究所研制的单芯n b t i 超导线绕制，这是我国研 制的第一个超导磁体1 4 】。目前，超导磁体在诸如科学研究、电力系统、轨道 交通、生物医疗等众多领域的应用发挥着巨大的作用。 a 超导磁体在科研领域的应用p 1 高能加速器是用人工办法加速粒子，产生核反应，以研究物质内部结构 的装备，在加速器中，为了使粒子能够在固定的轨道上运行，必须施加主导 磁场来引导粒子运动。早期的加速器通常采用常规磁铁来产生主导磁场，体 积庞大、耗电量惊人，当需要获得较高能量时，不得不增大加速环的半径， 从而大大增加加速器建设的费用。采用超导磁体后，磁场强度可提高数倍( 例 如用n b t i 材料，磁场强度可提高2 3 倍；用n b 3 s n 材料，磁场强度可提高4 5 倍) 。在环半径相同的情况下。采用超导磁体的加速器能量可相应提高数倍， 电能消耗和运行费用却大大降低。 图l - 4 大型强子对撞机( l h c ，欧洲核子研究中心) 加速器系统超导磁体包括二极( 偏转) 、四极( 聚焦) 磁体和六级磁体及射频 超导腔等单元。二极磁体，除要求产生一定的磁场强度外，还要求束流孔径 内的磁场均匀度达到1 0 4 ；而四极磁体，则根据加速器的要求，在束流孔径 内要产生量级达1 0 1 0 0 t m 的磁场梯度。这些二极和四极磁体将分布在加速 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 器的整个环上，其数量将达上千甚至上万个，因此对磁体的性能要求非常高。 世界上第一台超导加速器是美国费米实验室的t e v a t r o n 加速器，它是质子对 撞机，其能量达0 9 t e v 。在周长6 2 8 k m 的环上共有7 7 4 个超导二极磁体和2 1 6 个超导四极磁体，二极磁体长6 3 m 、中心磁场为4 5 t 。目前，高能加速器磁 体系统，如欧洲大型强子对撞机l h c ( l a r g eh a d r o nc o l l i d e r ，图1 4 所示) 、 美国的r h c 及德国的d e s y 、g s i 等高磁场加速器磁体系统已相继建成和投 入运行，紧凑同步辐射光源在1 9 9 2 年由英国牛津仪器公司( o i s ) 投递到美 国i b m ，第二个新的同步辐射光源也已经在本世纪初运行于国立新加坡大学。 图1 5 超导t o k a m a k 磁体系统 聚变能源作为未来世界的主要能源，正被越来越多的国家所关注。高磁 场超导磁体技术用于核聚变装置是实现受控热核聚变的关键一步1 1 2 1 。实现控 热核聚变的条件是具有较高的温度，磁场用于平衡等离子体压力从而实现磁 约束等离子体。目前，实现惯性约束核聚变的装置主要是托卡马克 ( t o k a m a k ) 、仿星器( s t e l l a r a t o r ) 和磁镜( m i r r o rm a c h i n e s ) 及悬浮等离子 体实验装置( l d x ) 。1 9 5 0 年k u r c h a t o v 俄罗斯原于能研究所发明t t o k a m a k 系统，用于受控热核聚变。在2 0 世纪6 0 年代，大的t o k a m a k ( 如日本的j t 6 0 、 美国的t f t r 和欧洲的j e t ) 相继建成，为等离子物理学的研究提供了有效的 实验工具。现在世界上正在运行的超导t o k a m a k 系统包括法国的t o r cs u p e r a 、 俄罗斯k u r c h a t o v 原子能研究所的t 1 5 和t 7 ，其中t 7 在2 0 世纪9 0 年代后期送给 中国升级改造为h t 7 ，该系统目前正稳定地运行。中国的e a s t 超导t o k a m a k 采用n b t i 超导线圈绕制。1 9 9 2 年9 月11 日，受控热核聚变的国际合作计划i t e r 由美国、欧洲、日本和俄罗斯联邦决定后开始工程设计，现已有多个国家参 加，选址在法国的c a d a r a c h e 核中心。i t e r 超导磁体运行在4 0 6 0 k a 的电流水 平，超导磁体提供的磁场最大达1 3 t ，磁体系统应能承受5 k v 的对地电压，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 此系统面临着许多技术挑战。 到上世纪9 0 年代初，商用n b t i 超导线的临界电流密度已达 3 1 0 5 a c m 2 ( 4 2 k 5 t ) ，这样就使超导线的性能进一步提高，同时节省了超导 线用量。另外，加速器超导磁场强度提高到6 6 t ，并可达到1 0 t 的水平。这都 说明，超导技术通过这些工程的建设不断发展。 b 超导磁体在电工及交通领域的应用1 6 j 自从实用超导技术出现后，人们就期待它给电工领域带来质的飞跃。超 导技术的应用使现有常规电工装备的性能得到改善和提高，例如同步发电机 采用超导励磁绕组，大大提高电枢绕组上的磁场强度，使电机的体积和重量 成倍减小，从而使制造更大单机容量的同步发电机成为可能。由于超导励磁 绕组没有焦耳热损耗，电机效率可进一步提高，可节省大量电能。低交流损 耗的极细丝超导线的出现( 丝径一般为0 4 9 m ) ，使超导技术在工频电工装备中 得到实际应用。 磁流体发电机是一种将热能直接转化为电能的新型发电方式，其基本原 理和传统发电机一样，都是基于法拉第电磁感应定律，不同的是，磁流体发 电机中的导电流取代了普通发电机的金属导体。磁流体发电机没有旋转部分， 所以单机容量原则上不受限制。这种发电机的有效功率取决于体积，而其损 失则决定于表面积，因而机组容量越大，转换效率越高。磁流体发电机包括 燃烧室、发电通道、磁体、逆变流器和余热锅炉等部件。其中，磁体是关键 部件，因为磁流体发电的高效率只有在采用能产生高磁场和无焦耳热损耗的 超导磁体时才能实现；为了实现发电的目的，磁体所产生的磁场方向应与导 电流体运动方向互相垂直。为此，磁体线圈结构形式可以是圆鞍型二极磁体， 也可以是一对螺管线圈或跑道形线圈等。超导磁体在电机方面的应用还有超 导电机、超导分离装置等等。 l - 超导块材；2 - 轨道；3 - 定子绕组：4 - 转子磁极 图1 - 6 高温超导磁悬浮列车原理图【6 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 超导磁悬浮列车是超导技术应用于现代交通领域的典型代表( 高温超导 磁悬浮列车原理如图1 - 6 所示) 。超导磁悬浮列车是利用超导直线电机产生升 举力、导向力和推进力，使车厢在轨道上悬浮起来，并推动车厢高速前进。 但在静止或低速运行时，它仍利用车轮系统。直线电机推动车轮前进是以无 接触方式进行的，为此在轨道上安装了一系列电机相绕组，这些相绕组从电 网获得电能并与车厢上的超导磁体相互作用，推动列车前进。 c 超导磁体在生物医学领域的应用i l ” 超导磁体在生物医学领域的应用主要体现在高磁场核磁共振谱仪和强磁 场生物医学效应等方面。自1 9 7 3 年美国的劳特伯( l a u t e r b u r ) 发表世界第一张 核磁成像图至今，磁共振成像( m r ) 己广泛用于医学诊断，如早期肿瘤和心 血管疾病等的诊断。由于磁共振成像仪需要在一个太空间内有一个高度均匀 和稳定的磁场，超导磁体不仅能满足这一要求，而且在磁场强度方面比常规 磁体更有优势。 图l 一7 核磁共振谱仪 利用磁共振原理制成的核磁共振谱仪( n m r ) 已广泛用于物理、化学、生 物、遗传和医药科学等的研究。2 0 世纪末和2 1 世纪初世界超导磁体科学发展 的最明显标志是9 5 0 m h z 的n m r 达到商业应用，t - 2 g h z 的n m r 能有意义地提 高分辨率和研究蛋白质及其它大分子结构，可望在未来的几年内研制成功， 使得人类更为有效地发现新型的药物和解开遗传变异之迷成为可能。世界上 研制成功的9 0 0 m h z 核磁共振磁体系统包括美国n h m f l 的宽孔磁体，线圈内 孔直径1 4 4 r a m ：日本t m l 研制的9 2 0 m h z 的磁体，线圈内7 l 直径7 8 4 r a m ，未 来升级达到i g h z 。目前，牛津仪器公司和b r u k e r 公司均可提供商用的9 0 0 m i - i z 的核磁共振磁体系统。基于强磁场环境，系统研究分子、细胞和整体水平在 不同层次的生物学效应，揭示其生物学和物理学机理，建立强磁场环境生物 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 安全评估体系，为强磁场的生物医药应用提供理论基础。 超导磁储能系统( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ，简称s m e s ) 是超导磁体的应用之一，它是以电磁能的形式储存电能的装置。与其它储能 手段相比，超导储能磁体具有储能量大、转换效率高、响应迅速、控制方便 及对环境无污染等特点，在电力系统中应用前景非常广泛。超导磁储能系统 可以快速向超导电力系统提供有功功率和无功功率，中小型s m e s 可以补偿 负荷变动，抑制频率波动及电压突降，改善系统稳定性，还可用于分散电源 系统中的储能设备、紧急备用电源等特殊装置哺j 。 由于超导磁体运行过程中存在诸多不稳定的因素，为超导磁体施加合理 的保护措施就显得尤其重要。超导磁体的失超信号检测是磁体保护的前提和 基础，基于测量不同的失超信号就构成了不同的失超检测方法，目前所用到 的失超检测方法主要有温升检测、压力检测、超声波检测、流速检测及电压 检测瑙j 。我国中科院等离子体物理研究所利用多路温度传感器实现了对低温 线圈失超后的温升检测( 图1 8 所示) ，而在诸多的检测方法中，较为普遍的 方法为电压检测方法，这主要是考虑到失超信号一般比较微弱，并且电压信 号可以直接被电路处理并作为其它器件的控制信号，从而缩短了失超信号判 别的时间。 用于e a s t 工程超导线圈的信号检测( 线圈载流l o k a ) l o u a 恒流源l 实现噪声信号的处理与失超信号的判断 氰温f 专感器 t 一o 、 面丽赢汀丽丽 信号 记录与处理 图卜8 利用氦温传感器实现失超信号检测原理图 由于失超信号常被噪声信号所湮没，在如何准确获取超导磁体的失超信 号这一问题上，人们通常利用各种形式的滤波器使得高频噪声信号衰减，从 中提取出有用的失超信号，这种方法电路实现简单，且根据需要更改设计相 对容易一些。随着数字电子技术的发展，基于数字信号处理的失超检测系统 已经越来越多的应用于磁体的失超信号检测工作中，使得失超检测系统的可 靠性和迅速性得到极大提高，同时，检测系统同p c 机数采系统相通信，实现 了信息的采集与记录，为分析和解决系统故障提供了重要参考。我国中科院 等离子体物理所承担的国家重大科研项目e a s t 利用c i c c 导体外的挡边带布 同绕线，测量同绕线与电位引线之间的电压获取失超信号，对同绕线设在导 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 体外补偿效果的不足采用二次补偿方法作弥补，从而实现了大型磁体失超信 号的可靠检测【9 1 。 图1 9 同绕线布设在c i c c 导体外的四个圆角上【9 1 图1 1 0 用其中一根同绕线作二次补偿用例 国内外常见的超导磁体的保护方法可以分为主动保护方法和被动保护方 法两种l lj 。被动保护方法主要有感应耦合法、分段电阻法和加热器法等；主 动保护技术采取附加释能负载来转移磁体内的能量，释能负载选取一般有电 阻和电容两种。被动保护方法一般应用于储能量较小的超导磁体的保护，这 种方法实现起来比较简单，不需要失超检测电路，但是由于磁体储能全部消 耗在线圈内，这种方法必然导致低温恒温器内的冷却剂大量挥发；主动保护 方法的保护电路稍微复杂，但可靠度比较高，且能够将磁体的能量释放到出 杜瓦容器外的释能负载上，不会造成液氦的大量挥发。美国p r i n c e t o np l a s m a p h y s i c sl a b o r a t o r y 对托卡马克线圈的保护采用的就是主动保护方法【3 0 】。 在讨论小型磁体的保护问题时，常规的放电方法往往不能满足磁体在失 超情况下快速放电的要求，这对磁体的安全而言是一个隐患；同时，对于具 有快磁通变化要求的脉冲超导磁体，寻求快速的磁体放电方法也是具有重要 意义的。 无疑，超导磁体的应用将会带来巨大的经济效益和社会效益。随着超导 技术的发展与研究工作的进一步深入，超导磁体的应用将日益扩大，并为国 民经济的发展做出更大的贡献。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 1 3 论文工作 本文主要以实验室用的具有快速放电要求的小型低温超导储能磁体为主 要研究对象，磁体采取开环运行方式( 无超导开关) ，由直流电源供电。磁体 线圈选用牛津公司生产的n b t i 线绕制，超导裸线直径= 0 6 3 m m ，铜超比 1 3 ，丝径约6 6 9 m ，芯数5 5 。磁体在4 2 k 低温环境下的最大运行电流为 3 1 4 5 a ，中心磁场2 0 t ，最大储能5 0 5 j 。实验线圈的具体参数及线圈中心磁 场同其载流的关系如下所示。 0 1 0 0 1 5 0 2 2 5 0 3 3 5 0 i a 图l 一1 1 实验线圈中心磁场b i 曲线 表1 1 超导线圈参数表 内径m m外径m m高度m m层数匝数 重量k g 电感m h 5 9 56 4 78 7 465 4 02 1 0 2 2 9 本文比较深入地研究提高磁体稳定性的理论与方法，在分析磁体失超后 内阻变化特点的基础之上确定合理的磁体保护阈值，设计磁体失超保护电路 并开展相关仿真与计算工作，同时研究较为常用的超导磁体快速放电方法， 从而提高超导磁体失超保护的可靠性和保障磁体的安全稳定运行。论文的主 要工作可概括如下： 实验磁体的稳定性分析与计算； 实验磁体的失超传播特性研究； 实验磁体的综合保护系统设计与电路仿真； 小型磁体的实用快速放电方法研究与实验分析。 在完成实验磁体的综合保护系统设计与仿真实验的同时，本文阐述了一 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 种更为有效的磁体失超信号提取思想，即基于检测磁体内阻变化率的失超检 测方法，这种方法可以大大提高对磁体失超信号的判断速度，缩短保护延时， 为磁体保护奠定良好的基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第2 章实验磁体的稳定性分析 超导磁体的稳定问题主要是研究如何减小磁体的退化程度( 退化是指超 导绕组能承载的临界电流远低于在同一超导线的短样上所测出的临界电流) ， 最大限度地提高磁体的运行电流并稳定工作。它要解决的问题包括磁体可能 受到哪些扰动，这些扰动对磁体的影响程度如何，怎样减小或消除这些扰动； 如何确定线材和磁体的相关参数和结构，从而保持工作状态下的超导态不被 破坏以及磁体一旦受到扰动并局部出现正常态时，使之恢复为超导态的条件， 其判据分析和定量计算等。 本章将在阐述单股超导线材导电机理的基础之上，较为详细地分析实验 磁体的磁热不稳定性，系统比较几种常见的稳定化理论，并就磁体设计制造 过程中所用到的稳定化方法做进一步分析，通过寻求合理的磁体绝缘结构来 提高磁体的稳定性。 2 1 单根超导股线的导电机理研究 本文所研究的实验超导磁体，选用牛滓公司生产的n b t i 矩形复合超导 股线，由中科院合肥等离子体物理研究所加工绕制而成，n b t i 超导线材的具 体参数如下表2 1 所示。 表2 1 绕制实验线圈的n b t i 线材参数表】 n b t i 矩形超导股线参数单位 超导股线 n b t i 导体尺寸1 1 7 x 1 9 3m m 加绝缘后导体尺寸 1 4 3 x 2 2 4m m 丝径6 6 g m 股线中超导丝个数 5 5 扭距1 3m m 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 股线尺寸o 6 3m m 股线的铜超比1 3 运行温度4 2k 铜的r r r 值1 3 3 临界电流i 。5 6 0a r r r ( r e s i d u a lr e s i s t a n c er a t i o ) 表示剩余电阻率，上表中提到的铜的r r r 值是 指在2 7 3 k 与某一低温条件下( 2 0 k ) 铜的电阻率的比值，它反映金属的纯度和加工状 态，r r r 值越大表明金属的纯度越高。 实验磁体所使用的n b t i 超导线是将n b t i 超导丝埋入高导电率的铜材中 的复合多芯结构，为了解释超导磁体内部正常态区域传播机理的热环境，下 面以比较简单的圆形截面单股超导多芯线为例来进行分析。 单股超导芯线n b t i 超导丝( 简化模跫) 、叫7， (：) ) 电流 够 ( ) ) _ _ _ 矗 ，一 啼 ， ， k a 区b 区 、c l g tj 、铜基体 t c t s t c s t b 图2 1 复合超导线邻接正常态端部的通电电流和温度分布 上图2 1 描述了单根超导股线内部载流的电流路径与超导线的环境温度 的关系，为了简化模型，图中n b t i 超导丝所表示的仅代表一根超导丝。通常 情况下，超导体在正常态时的导电率很小。因此，在超导丝发生了由超导态 向正常态转变后的区域内，通电电流流入高导电率的铜基体中( 正常态区域 p 瓦) ，这时通电电流在某一中间区域内，超导丝与铜基体进行分流( b 区) ； 当电流分流时的温度在疋。以下时，n b t i 超导丝呈无阻状态，电流流过整个超 导丝( c 区，超导区域火乙) 。其中，通电电流流过铜基中的区域( p ) 产生热量。线材发生的热虽然将从线的表面传递到周围的液氦中，但在冷却 效果不很充分的情况下，正常态区域将会由于发热而扩大传播。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 超导磁体在通电运行时，应尽量避免使超导股线工作在a 区和b 区，即避 免磁体发生失超现象，这是由磁体的运行稳定性来决定的。即便磁体某一点 发生由超导态向正常态的转变，可以通过采取相应的措施将磁体内的能量转 移出来，限制磁体内正常态区域的传播，从而保证磁体的安全，这一点是非 常重要的。 2 2 磁体的磁热不稳定性 超导磁体的稳定性是由表征材料本身的某一特定函数必亿b ，矽所确定 的，为了避免超导磁体运行时内部出现非超导态( a 、b 区) ，需要深入分析 引起磁体失超的主要因素，即超导磁体的磁热不稳定性问题。 n b t i 超导合金属于非理想第1 i 类超导体，对这类超导体而言，其内部的 传输电流完全是由磁场的不对称和涡旋的密度梯度产生的。由磁通和正交的 传输电流相互作用，在每个涡旋上引起洛伦兹力，这种力引起涡旋在超导体 内从高场区域到低场区域的流动，这叫做磁通流动。第1 i 类超导体里的缺陷、 杂质能防止磁通流动，这种作用叫做钉扎，每一个结构缺陷的位置称为钉扎 中心。n b t i 超导合金有很高的上临界场风2 ，解决了临界磁场太低的问题； 同时钉扎作用能制止磁通流动，从而消除了流阻。因此，使用非理想第1 i 类 超导体绕制高场磁体是超导电性最大量、最有效的应用。 对实验磁体而言，当n b t i 超导体处于磁场中时，磁通将渗透进它的里 边。这种渗透是一种耗散过程，也就是说，磁通运动导致能量损耗。在磁通 运动过程中产生了热量，这必定导致温度升高。温度升高导致钉扎强度减小， 而钉扎强度减小又导致磁通迸一步渗透，因此磁通渗透是一种回授过程。对 于这种磁通渗透过程有两种情况，一种情况是在硬超导体内建立起临界状态， 当外磁场增加时，临界状态区域从表面向内扩张，通过磁通蠕动的机制，在 磁通所到之处满足，( 召+ 鼠) = a ，。因此，这种磁通渗透过程是稳定的，也就是 说，这种过程是负反馈过程。磁通稳定地渗透是有条件的，在上述的回授过 程中，如果后一次的温升大于前一次的温升，由于一次又一次的恶性循环， 可能引起大量的、迅速的磁通运动，即磁通突然地进入超导体，通常称做“磁 通跳跃”，这是磁通渗透的第二种情况。磁通跳跃所产生的热量常常使超导体 从超导态转变为正常态，即超导磁体发生失超现象。磁通跳跃是超导磁体失 超的内在原因，这就是n b t i 超导体的磁热不稳定性的问题1 1j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 除了磁热不稳定问题，导致磁体失超的因素还有以下几个方面：由于绕 制磁体需要的超导线材在制备过程中可能存在各种缺陷，使得其性能沿长度 方向上发生波动，同时绕制磁体的超导线还不可避免地存在接头，这种性能 的不均匀性可能导致磁体在运行过程中部分失超；超导磁体在励磁过程中， 磁体各匝导线间的移动及导体磁化过程所释放的能量也可能导致磁体失超。 因此，在研究磁体的稳定性时，需要分清导致磁体不稳定的主因和次因，有 针对性地采取相应的稳定化方法，达到提高磁体运行稳定性的目的。 2 3 磁体的最小触发能量 某些实验事实表明，在充分浸渍的磁体内，失超的主因是点扰动。磁通 跳跃、导线振动等都可以认为是点扰动。点扰动所涉及的体积小于最小传播 区域( m p z ) ，导体的传热是一个重要因素，它决定着导体