[实用新型]超导磁铁失超保护综合控制接口单元

说明书

技术领域

本实用新型属于超导电工技术和电子技术领域，涉及一种电子线路，可用来保护超导磁铁免受失超可能导致的毁坏，具体说是一种超导磁铁失超保护综合控制接口单元。

背景技术

随着超导技术和超导材料的蓬勃发展，超导磁铁有着广阔的应用前景。由于超导磁铁体积小、电流密度高、能耗低、场强高等优点，近年来在基础科学研究、医疗卫生、交通运输、国防工业等重要领域被越来越多的采用。失超(Quench)，失超是指超导体从超导态进入常导态，超导线从没有电阻变为有电阻，电流经过该区域时就会产生热量，当用于超导磁铁的超导体回复到电阻状态时，就称之为失超(Quench)。这可能是由于温度、外界磁场的强度或承载电流的密度等某个参数超出其临界值而引起的。超导体的一小部分不再是超导的，而是进入电阻状态，任何流经该电阻部分的电流都会导致局部焦耳发热。这将导致该超导体的邻近部分失超，结果形成更大的电阻态体积，这又导致进一步地焦耳发热。很快地，超导体进入电阻状态，这时如果还有较大的电流仍在流经该超导体，那是非常危险的，会在一瞬间毁坏超导体。

实际应用中，在失超之前，超导磁铁一般会带有可能为兆焦耳数量级的储存能量。在失超之后，储能将在导体的电阻态体积中被消耗掉。如果不适当地控制失超过程，就会在有限的区域内消耗该储能，从而导致局部温度上升，该局部温度上升会损坏失超开始的部分或附近的线圈区域。已知可以通过扩展失超过程或转移储能来避免有害的热量集中，这就需要恰当地控制失超过程，也称为对超导磁铁进行失超保护。

超导磁铁失超保护的作用主要是在磁铁发生失超时，将线圈的热点温度控制在安全范围内。控制热点温度的实质就是控制储能在热点的沉积，失超保护处理储能的方式有两种：一种是将储能转移到磁铁外面的泄能电阻上；一种是通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，以便在尽可能多的可用超导体上均匀的耗散所产生的热量，这将导致基本上涉及整个超导体的失超，意味着任一部分都不应达到危险的温度。该方式一般是为每个超导线圈配备发热器，该发热器与线圈有紧密的热接触，通过向发热器施加电流来实现故意的失超。

失超保护有被动保护和主动保护两类。被动保护在失超发生时会自动启动，一般是通过与超导磁铁耦合的线圈，将磁铁线圈的能量转移到磁铁外面的泄能电阻上，或者通过与线圈并联的电阻，将线圈分为多个单元，使失超时能量的分布比较均匀，从而达到保护的目的。主动保护则复杂的多，需要准确的探测到失超的发生，再通过保护电路实施预定的保护动作。因为被动保护系统转移的能量有限，所以多适应于铜超比较大的、无源的超导线圈，对于加速器上使用的超导磁铁，由于其储能大，铜超比小，超导线截面小，所以需要使用主动保护系统，以便将绝大部分能量转移到外部的泄能电阻上，控制失超后的热点温度。

主动失超保护系统需要及时准确的探测到失超的发生，然后通过控制电路完成切断电源、接入卸能电阻创建卸能回路、协调指挥全部相关部件执行预定动作、记录储存实时数据等。由主动失超保护系统的保护过程可以看出，主动失超保护系统主要包括几个部分：失超探测器、失超保护器和失超保护综合控制接口单元。

失超探测器的主要功能是监测各种状态信号，在失超发生时能迅速准确的做出判断，并向相关系统发送触发信号。

失超探测器是失超保护系统的关键部件之一，它能否对磁铁的失超作出迅速准确的判断是整个失超保护系统正常工作的先决条件。失超后超导磁铁以及各辅助系统的状态都会发生变化，线圈上的电压、电流会发生变化，整个冷却回路中液氦的压强以及流量也会发生变化。这些状态的变化就是判断失超的依据，相应的就有多种探测失超的方法。工程实践证明，电压抽头是最合适的探测方法，其探测时间短，准确性高，受系统干扰和随机干扰的影响小。因而电压抽头的探测方法目前被广泛采用，从初期的模拟电路失超探测到后来的模拟加数字失超探测，再到近几年开始开发应用的全数字失超探测，失超探测的可靠性和灵敏度都得到了大幅度的提高。

如果说失超探测器是失超保护系统的眼睛，失超保护器是手，那么失超保护综合控制接口单元(QPAIC)就是大脑，其作用十分重要。QPAIC的主要功能是失超保护逻辑的处理和控制指挥失超保护器实施保护动作，同时，它还负责对失超保护器的各种故障、电源故障和对地泄漏电流的变化进行监控记录，实现各部分间信号的交换并将相关的信息存储在计算机中。