EAST装置超导线圈超导保护.pptx

为了解决常规托卡马克装置线圈发热而不为了解决常规托卡马克装置线圈发热而不能长时间运转的问题，人们把最新的超导能长时间运转的问题，人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中，这也许是解技术引入到托卡马克装置中，这也许是解决托卡马克稳态运转的有效手段之一决托卡马克稳态运转的有效手段之一.EAST是一台全超导托卡马克装置是一台全超导托卡马克装置,将超将超导技术引入纵向场线圈和极向场线圈。导技术引入纵向场线圈和极向场线圈。需要解决对超导线圈的超导保护，确保需要解决对超导线圈的超导保护，确保装置的安全运行。装置的安全运行。EAST超导保护监控系统任务：监测超导信号，当超导线圈由超导态转变为正常态时，能及时准确发出控制信号，以便电流能够快速引出，确保装置安全。同时尽量避免干扰信号造成的控制信号的误触发。系统组成：1：失超信号探测方法的确定，引入监测信号，2：信号前级处理：对监测信号隔离(5000v)和信号前级放大，信号补偿，滤波3：硬件保护系统:将处理后信号送入，当超导线圈转变为正常态，发出控制信号，同时发出声音报警。4：微机控制系统:包括信号监测，波形实时显示，故障报警，各线圈数据保存，分析和查询，网络远程控制.当超导线圈转变为正常态可同时发出控制信号。优点是对信号处理更灵活，参数更易修改，缺点：稳定性不够，可做为硬件保护系统的后备。一：失超信号探测方法的确定（一）：（一）：EAST超导线圈失超保护的特点超导线圈失超保护的特点EAST极向场线圈采用CICC导体绕制，以脉冲方式运行以实现等离子体建立和控制,磁场变化速率可达7T/S。等离子体的建立和崩溃将在极向场线圈中产生大的感应电压噪声，di/dt引起的感应电压（最大接近2000v）可比电阻电压大几个量级。小的失超信号与很大的感应电压噪声并存，给失超探测带来了很大困难。迫切需要一种具有高信噪比的失超信号探测方法。（二）：失超信号探测方法1：HT-7电桥平衡法，已不适用，无法去除di/dt引起的感应电压。2：同绕线探测方法:把磁体绕组具有相同尺寸和面积，与电缆内股线具有相同扭距的次级感应回路用来抵消噪声电压，即同绕线探测法。失超探测电压U=（L-K）di/dt+Ir，理论上：当理论上：当r=0时，时，失超探测电压U=（L-K）di/dt+Ir=0；但是由于保护预值一般100mv左右，实践中工艺上很难做到同绕线圈上感应的几百到上千伏电压能完全抵消。（最高di/dt达20KA/s）。实践上：当当r=0时，时，失超探测电压U=（L-K）di/dt+Ir0；同绕线正常态探测示意图同绕线正常态探测示意图二：关于监测信号的二次补偿第一：单饼线圈实验（大杜瓦）：失超探测电压U=（L-K）di/dt+Ir，由于U=（L-K）di/dt0，采用二次补偿，即用中心螺管线圈同绕的四根同绕线其中一根通过分压后抵消U=Mdi/dt=（L-K）di/dt0的值失超探测电压U=（L-K）di/dt+Ir+U，此时：当r=0时：U=（L-K）di/dt+U=0；当r0时：U=（L-K）di/dt+U+Ir0；在大杜瓦实验结果较满意。第二：多个线圈同时通电失超探测电压U=（L11-K)di1/dt+(M12-K)di2/dt+(M13-K)di3/dt+.+(M115-K)di14/dt+Ir中心螺管线圈同绕的四根同绕线其中一根通过分压后抵消U=Kdi1/dt+Kdi2/dt+Kdi3/dt+.+Kdi14/dt理论上：同绕线感应的信号同超导线圈上的感应的信号变化应该完全一致的，但总装后工艺上的差别，各线圈相互间的影响如何还需要在实际通电实验中得到验证。所以会在获取各线圈原始数据后，才能更好的有针对性的解决。三：超导保护前期调试方案1：因为TF线圈是稳态场，励磁速率较低，可以先对TF线圈补偿进行调试(可以先通较小的电流)2：TF电源稳定在一定电流下，先逐步投入中心螺管六饼线圈（电感较小）测试目的（1）：PF16分别投入，每组线圈将励磁速率依此提高，最后完成一个完整的实验波形。对每个PF16线圈将二次补偿调试到最佳状态（2）同时观察当PF1PF6分别投入和全部投入对其它线圈干扰（3）PF1PF6同时投入，测试各个超导探测信号变化3：TF电源稳定在一定电流下，先逐步投入PF11PF14大线圈测试目的：（1）：PF1114分别投入，每组线圈将励磁速率依此提高，最后完成一个完整的实验波形。对每个PF1114线圈将二次补偿调试到最佳状态（2）同时观察当PF11PF14分别投入和全部投入对其它线圈干扰（3）PF11PF14同时投入，测试各个超导探测信号变化4：TF电源稳定在一定电流下，先逐步投入PF7+PF9，PF8+PF10大线圈测试目的：（1）：PF7+PF9，PF8+PF10分别投入，每组线圈将励磁速率依此提高，最后完成一个完整的实验波形。对每个PF1114线圈将二次补偿调试到最佳状态（2）同时观察当PF7+PF9，PF8+PF10分别投入和全部投入对其它线圈干扰（3）PF7+PF9，PF8+PF10同时投入，测试各个超导探测信号变化四：对失超探测电压处理补充说明用上述补偿法调试时可能会花一定的时间，但一旦前级信号处理调试好后，超导保护应该会比较稳定。因为在大杜瓦实验时对极向场快速励磁实验不是很多，（关于电感较大的大线圈因体积太大没法做），也没有一饼以上线圈同时通电实验，所以我们积累的经验有限，希望在前期调试给予充分配合。对干扰信号是较高频的（1K以上,做滤波处理)主要是要针对低频干扰方法（1）从大杜瓦历次失超图可看出磁体一旦失超电压上升很快,可以适度提高幅值门限，（2）微机控制，通过算法可以对探测信号灵活的处理（3）用气压或温度作为后备保护，但反应时间上会有些滞后（4）一定真空室检漏保护，以防高压击穿一：磁体超导保护规定1：如果任何一个PF线圈失超，切断所有PF线圈电流，退出2：如果只是PF线圈失超，TF没失超，可以保持电流3：如果一个TF线圈失超，除快速切断TF线圈电流外，未失超的PF线圈以较慢速度退出二：预值的设定三：超导保护调试方案的确定和配合五：问题确定六：工作进展状况监测信号的引入正在进行信号前级处理，信号补偿，正在进行硬件保护系统完成，实验前最后调试控制结点到位元月20日微机控制系统实验前最后调试HT-7U装置极向场磁体的电 感、互 感 值 表(单 位 为 毫 亨)上表是所设计的极向场系统各线圈的电感和互感数值。其中的序号15表示等离子体电流，根据此表，在确定了各个线圈的放电波形后，便可以很容易地得到各个线圈在各个不同时刻的所由于极向场系统的工作电流的变化而感生在各个线圈上的电压数值，每个线圈的绝缘设计必须以此电压数值作为工作电压加以考虑。No.13579111315125.1356129.3879539.36166225.1356142.9252121.19796252.9194249.36166225.1356161.197961.583012.3212317.8008431.6058083.3527627.1321658.435325.255924.160864.09189693.1276265.91863411.7841721.08047127.4419101.7827471.087717.703736.4144191.883705111.6693771.9827852.1950312.13638411.078250.33507121.341251.04924.812044.5665412.6852694.698551131.0095411.0697211.053573.9119194.55342111.4721717.5333114.893293.752124.612836.4465792.1365553.9354343.39478815.060808.047662.032538.01829.080131.084948.059475.003978圆截面等离子体位形下极向场线圈电流变化dI/dt(kA/s)No.dt(s)IpPF1PF3PF5PF7PF9PF11PF13220.0.57.63.58.29.29.15.013.06.0-18.24-20.32-18.56-9.18-9.18-4.91-.324.14714.29-9.12-10.16-9.28-4.59-4.59-2.46-.165.8400.-4.47-4.98-4.55-1.94-1.94-1.87-.7763.193.33-2.05-2.28-2.08-.22-.22-2.27-1.8271.0-.88-.98-.9.45.45-2.13-1.9887.72.0-1.14-127-1.16-.57-.57-.31-.0294.-250.2.592.892.64.41.412.592.01大杜瓦TF实验总结硬件输入阻抗：21K时间线圈实验补偿同绕线（阻值）备注2003-10-30TF002202 15.14k 1.33%(用于补偿南引线和半磁体)1.22 k2003-12-02200.4 15.14k 1.657%2003-12-26TF0004441.4 15.14k 2.8477%2004-01-14TF6400 15.14k 2.642%全磁体全磁体 5.35mv(30A/s)2004-02-12TF7305 15.14k 2.012%全磁体不用补偿全磁体不用补偿2004-02-27TF8221 15.14k 1.459%全磁体不用补偿全磁体不用补偿2004-03-11TF9221 15.14k 1.459%全磁体不用补偿2004-5-14TF11全磁体全磁体 5.8mv(30A/s)2004-6-21TF13TF系统的有关电气参数系统的有关电气参数纵场（TF）系统由16个线圈组成，串联供电，设置一个释能回路。工作电流：14.30kA(第一阶段)；16.35kA(第二阶段)；TF系统电感：整个TF系统电感L=2.915(亨)；一个线圈电感L*=0.182(亨)；单个线圈自感L*=0.0778(亨)；系统储能：整个TF系统储能E=300MJ(第一阶段)；整个TF系统储能E=390MJ(第二阶段)；第一阶段：释能电阻RD=0.12（）;整环最大端电压Vm=1720（V）;时间常数=24.5（s）；第二阶段：释能电阻RD=0.16（）;整环最大端电压Vm=2650（V）；时间常数=18.3(s)；TF含16饼线圈，每个线圈两路保护，另南北电流引线各加一路保护。PF系统系统中心螺管（PF1PF6）用六组电源单独供电偏滤线圈（PF7+PF9,PF8+PF10）两套电源供电大线圈（PF11PF14）用四套电源单独供电每套电源都有单独的泄放回路中心螺管（PF1PF6）用六组电源单独供电偏滤线圈（PF7+PF9,PF8+PF10）两套电源供电大线圈（PF11PF14）用四套电源单独供电每套电源都有单独的泄放回路圆截面等离子体位形下极向场线圈匝电流波形图线圈名称自感(mH)最大电流(KA)备注TF（纵场）（含16饼线圈）291514.3一套电源供电中心螺管（6饼）PF125.1356111.4一套电源供电PF225.1356111.4一套电源供电PF325.1356112.7一套电源供电PF425.1356112.7一套电源供电PF525.1356111.6一套电源供电PF625.1356111.6一套电源供电偏滤线圈PF77.13216512.9一套电源供电PF9127.4419PF87.13216512.9一套电源供电PF10127.4419大线圈PF1150.3350714.2一套电源供电PF1250.3350714.2一套电源供电PF1317.5333114.2一套电源供电PF1417.5333114.2一套电源供电硬件输入阻抗：21K时间线圈实验补偿同绕线（阻值）备注20030910大 线 圈 MC实验补 偿 1#：400 15.14k 2.64%2003-10-30TF002202 15.14k 1.33%(用于补偿南引线和半磁体)1.22 k2003-11-20PF实验补偿1#：251 15.14k 1.657%2003-12-02200.4 15.14k 1.657%2003-12-26TF0004441.4 15.14k 2.8477%2004-01-14TF6400 15.14k 2.642%全磁体全磁体 5.35mv(30A/s)2004-02-12TF7305 15.14k 2.012%全磁体不用补偿全磁体不用补偿2004-02-27TF8221 15.14k 1.459%全磁体不用补偿全磁体不用补偿2004-03-11TF9221 15.14k 1.459%全磁体不用补偿2004-5-14TF11全磁体全磁体 5.8mv(30A/s)2004-6-21TF132004-07-30PF7+PF9426 15.14k 2.8137%用于补偿含南引线和PF7和2/3段PF101/4磁体电感为7mH3/4磁体电感129.5mH互感为：21.6mH