專利名稱：一種用于超導磁體失超保護的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于超導磁體失超保護的裝置。
背景技術：
超導磁體技術廣泛應用于電力、醫(yī)學、科學實驗及國防軍工等領域，它對國民經(jīng)濟和國家建設發(fā)揮著越來越大的作用。超導磁體需要運行在很低的溫度之下，只有滿足一定的電流、磁場及溫度條件，超導磁體才能正常工作。當運行中的超導磁體收到外界的擾動，如震動、電磁干擾、漏熱過大都會使超導體失去超導性而變?yōu)檎ｋ娮?，即失超。任何超導磁體都會有失超現(xiàn)象的發(fā)生，當超導磁體失超時，其內部儲存的大量電磁能將瞬間轉化為歐姆熱，這個過程有可能造成磁體局部過高的溫升而燒壞磁體、層間過高的電壓擊穿絕緣層、耦合過高的電流產(chǎn)生過應力破壞超導線材的特性。為此，需要在超導磁體失超時采取一定的保護措施，使其釋放能量的時候將溫升、電壓、應力限制在安全范圍之內，從而保護超導磁體及外圍人員和設備。失超保護往往采用分段電路保護和加熱器保護等方法，這類文獻和資料也很多。一般超導磁體由多個線圈組成，將單個線圈或者多個線圈組合在一起形成一段，每段再并聯(lián)一個保護電阻、保護二極管電路形成分段電路，從而降低失超時線圈的端電壓。將線圈表面貼上不銹鋼等材料制成的加熱帶，在某一線圈失超時給加熱帶通電加熱，觸發(fā)更多的線圈失超，從而使磁體的能量更均勻的釋放在磁體各線圈之內，降低磁體的最高溫升。有時候磁體采用主動加熱器保護方法，即通過外部失超檢測系統(tǒng)來控制加熱帶的加熱電流大小。但是主動保護方式系統(tǒng)復雜，容易失效或者產(chǎn)生保護誤動作，因此也常常采用被動加熱器保護方法，即通過磁體自身失超過程中的電流來加熱加熱帶。被動加熱器保護方法的主要問題在于一旦磁體失超后，無法控制加熱帶的加熱電流，常用的解決辦法是在加熱帶上并聯(lián)保護二極管，當流經(jīng)加熱帶的電流達到二極管導通電壓時二極管打開分流，從而限制流經(jīng)加熱帶的電流；或者增大與加熱帶串聯(lián)的分段電阻，使加熱帶電流不會由于線圈直接的電磁耦合而增長過高。前種方式的二極管導通電壓不是連續(xù)的，是4V的整倍數(shù)(即二極管在低溫下的導通電壓大致在4V左右)，不便于設計加熱器電阻，而且二極管在低溫下的導通電壓常常不穩(wěn)定，有時會超過4V有時還會短路，從而造成無法保護加熱器或者過度保護加熱器使加熱器無法工作的問題；而后種方式中保護電阻如果過大則流經(jīng)加熱器電流過小無法及時觸發(fā)線圈失超，如果過小則達不到保護加熱帶的目的，對于具有多線圈的超導磁體，不同線圈先失超的情況下加熱帶電流大小變化不定，因此很難設計一個合理的保護電阻。失超保護也常常采用外部電阻泄能的方法。當超導磁體失超后，通過切斷磁體與外部電源的電路，而將磁體的電流引入一泄能電阻中，從而使磁體的能量以歐姆熱的形式釋放到泄能電阻中去，達到保護磁體的目的。采用外部電阻泄能法的主要問題是很難平衡移能效率與安全電壓的關系。為了盡可能的將磁體內的能量轉移到外部泄能電阻中，泄能電阻的阻值會取的比較大，但是過大的電阻值會產(chǎn)生很高的磁體端壓，有可能破壞磁體的絕緣性能。泄能電阻一般被設計為在失超最初電流最大的情況使磁體端壓滿足安全閾值，然而隨著磁體的不斷失超，流經(jīng)泄能電阻的電流越來越小，但同時磁體的端壓也越來越小，即泄能的過程沒有充分的利用安全電壓閾值，使移能效率越來越低，從而使更多的能量釋放在磁體內。為此，有一些常用的解決辦法，如通過復雜的外部電子電路，在失超過程中不斷調整保護電路，改變磁體外電路的電阻阻值，使阻值隨著電流衰減而增大，從而維持較高的移能效率；還有通過特殊材料如ZnO等制成的泄能電阻，當流經(jīng)該材料制成的泄能電阻上電流越來越小時，其電壓還能保持一定的穩(wěn)定值，從而提高移能效率。但是，這些方法都有一些缺點，前者主要是設備復雜，大功率電子器件所占空間較大，且有電子器件失效的風險，而后者主要是材料造價比較高，性能也不夠穩(wěn)定，缺乏實用性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有超導磁體失超保護裝置構造復雜和可靠性低的問題，提出一種新的用于超導磁體失超保護的裝置。 本發(fā)明用于超導磁體失超保護的裝置由超導磁體和失超保護電路組成。所述的超導磁體由一個或多個超導線圈組成。所述的失超保護電路包括可通電彈簧、可變電阻器、失超觸發(fā)加熱器、分段電阻、雙向保護二極管以及電流引線等器件。所述的超導磁體分為η段，n ^ I。每段包含一個或多個超導線圈。本發(fā)明對所述超導磁體采用被動加熱保護方式或外部電阻泄能保護方式。當本發(fā)明用于被動加熱器保護方式時，所述超導磁體每段的兩端并聯(lián)有可通電彈簧、可變電阻器、加熱器、分段電阻和雙向保護二極管等器件，這些器件依次順序串聯(lián)后并聯(lián)在超導磁體的每一段的兩端，電源并聯(lián)于整個超導磁體兩端。當本發(fā)明用于外部電阻泄能方式時，在整個超導磁體的兩端并聯(lián)可通電彈簧、可變電阻器、雙向保護二極管、加熱器和泄能電阻等器件，這些器件依次順序串聯(lián)后并聯(lián)在超導磁體的兩端，電源并聯(lián)于整個超導磁體兩端。所述的可通電彈簧的一端固定于銅等金屬電極板上，可通電彈簧的另一端與連動桿或任一種連動機構相連，連動桿的另一端與可變電阻器的電阻調節(jié)裝置相連，并能夠產(chǎn)生連動。所述的金屬電極板及可變電阻器分別與超導磁體的電流引線相連接，超導磁體的電流引線接入失超保護電路中。當超導磁體失超時，電流引線通過一定大小的電流，在被動加熱保護方式下通常為O 100Α的范圍，在外部電阻泄能方式下為O 500Α的范圍。所述的可通電彈簧在所述的電流變化范圍內發(fā)生收縮，電流為零時，可通電彈簧可以形變?yōu)榱?，也可以有預設形變。當電流越來越大時，可通電彈簧發(fā)生收縮形變使得與彈簧另一端相連的連動機構移動，帶動可變電阻器的電阻調節(jié)裝置滑動，從而調節(jié)可變電阻器的阻值。當電流越來越小時，同理可通電彈簧減小收縮量，從而使與可通電彈簧另一端相連的連動機構反向移動，帶動可變電阻器的電阻調節(jié)裝置反向滑動，從而按相反方向調節(jié)可變電阻器的阻值。所述的可通電彈簧在有電流流過的時候可使可變電阻器的阻值發(fā)生改變，影響失超保護電路電流的變化。對于被動加熱保護方式，一般分段電路的阻值越小，電流越大，阻值越大，電流越小?？赏姀椈稍O計成使可變電阻器的阻值在小電流下較小，從而使加熱器電流快速增長以快速觸發(fā)線圈失超，而在大電流下阻值較大，從而使加熱器電流降低以防止加熱器加熱過度。對于外部電阻泄能方式，一般泄能電阻的阻值越小磁體端電壓越小，而移能效率越低，泄能電阻的阻值越大磁體端電壓越大，而移能效率越高，可通電彈簧應設計成使可變電阻器在大電流下阻值較小，從而使磁體端電壓較低，處于安全閾值之內；而在小電流下阻值較大，從而使磁體端電壓保持較高值，但仍處于安全閾值之內，提高移能效率。將所述可通電彈簧和可變電阻器接入超導磁體的失超保護電路中，電路中的器件可以和磁體一同置于低溫環(huán)境中，如液氦或者真空中，安裝較為方便，使得失超保護方案實施簡單易行。彈簧的形變特性以及可變電阻器的電阻特性也很穩(wěn)定，使得失超保護系統(tǒng)可靠性較強。


圖1是本發(fā)明實施例1用于被動加熱保護方法的失超保護裝置示意圖，圖中1超導線圈、2由超導線圈組成的超導磁體、3可通電彈簧、4可變電阻器、5失超觸發(fā)加熱器、6分段電阻、7雙向保護二極管、8電源、9失超保護電路；圖2是本發(fā)明實施例2用于外部電阻泄能方法的失超保護裝置示意圖，圖中10超導線圈、11由超導線圈組成的超導磁體、12可通電彈簧、13可變電阻器、14分段電阻、15雙向保護二極管、16電源、17失超保護電路；圖3是本發(fā)明實施例的可通電彈簧與可變電阻器連接示意圖，圖中18金屬電極板、19連動機構、20可變電阻器的電阻調節(jié)裝置、21電流引線。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。圖1所示為本發(fā)明的用于被動加熱保護方法的超導磁體失超保護的裝置的實施例I。該裝置由超導磁體和失超保護電路組成；所述的超導磁體2由一個或多個超導線圈I組成。所述的失超保護電路9包括可通電彈簧3、可變電阻器4、失超觸發(fā)加熱器5、分段保護電阻6、雙向保護二極管7，以及電源8。所述的具有一個或多個超導線圈I的超導磁體2被分為η段，η > 1，如圖1所示每一段包含一個或多個串聯(lián)在一起的超導線圈I?？赏姀椈?、可變電阻器4、加熱器5、分段電阻6、雙向保護二極管7依次順序串聯(lián)，再并聯(lián)在所述超導磁體2的每一段的兩端。電源8并聯(lián)于整個超導磁體2兩端，整個超導磁體2由電源8驅動。在本發(fā)明實施例1中，所述的可通電彈簧3應設計成使可變電阻器4在流過電流較小時阻值也較小，而在流過的電流增大時其阻值也增大。當某一段內的超導線圈I失超時，雙向保護二極管7導通，電流流入該二極管7所在支路中。當流入該支路電流逐漸增大，失超觸發(fā)加熱器5工作，觸發(fā)各超導線圈I失超，此時流入可通電彈簧3的電流較小，彈簧呈松開狀態(tài)使得可變電阻器4的電阻值較小。當各線圈逐漸失超之后，流入可通電彈簧3的電流快速增大，彈簧成緊縮狀態(tài)使得可變電阻器4的電阻值變大，抑制所在支路的電流增長，從而達到防止失超觸發(fā)加熱器5加熱過大的作用。圖2所示為本發(fā)明的實施例2用于外部電阻泄能方式的超導磁體失超保護的裝置。如圖2所示，該裝置包括由一個或多個超導線圈10組成的超導磁體11，由可通電彈簧12、可變電阻器13、泄能電阻14、雙向保護二極管15以及電源16等器件組成的失超保護電路17。如圖2所示，所述的可通電彈簧12、可變電阻器13、泄能電阻14、雙向保護二極管15等器件依次順序串聯(lián)，再并聯(lián)于整個超導磁體11的兩端。電源16并聯(lián)于整個超導磁體11兩端,整個超導磁體11由電源16驅動。本發(fā)明實施例2中，所述的可通電彈簧12應設計成使可變電阻器13在流過電流較大時阻值較小，而在流過電流減小時其阻值也增大。其中可通電彈簧12、可變電阻器13、與泄能電阻14的最大總阻值應使超導磁體失超過程中的端電壓不超過安全閾值，安全閾值一般可取500V。如圖3所示為所述的可通電彈簧3、12與可變電阻器4、13的連接方式。所述的可通電彈簧3、12的一端固定于銅板等金屬電極板18上，可通電彈簧3、12的另一端與連動桿或任一種連動機構19相連，連動機構19的另一端與所述的可變電阻器4、13的電阻調節(jié)裝置20的電阻調節(jié)滑片相連，并能夠產(chǎn)生連動。金屬電極板18及可變電阻器4、13分別與電流引線21相連接，電流引線21接入失超保護電路2、11中。應適當?shù)倪x取可通電彈簧3、12的材料和尺寸，使可通電彈簧3、12能在通常持續(xù)時間為I至IOs的失超過程中通過較大電流。通常在被動加熱保護方式下為O 100A的范圍，在外部電阻泄能方式下為O 500A的范圍，且能產(chǎn)生一定的彈力和形變?？勺冸娮杵?、13可以是滑片式可變電阻器，使可變電阻器4、13的電阻調節(jié)裝置20能夠跟著與可通電彈簧3、12，以及與電阻調節(jié)裝置20連接的連動機構19移動，電阻調節(jié)裝置20和連動機構19在可通電彈簧3、12的彈力和形變下滑動，從而調節(jié)可變電阻器4、13的阻值。所述的可通電彈簧3、12與可變電阻器4、13在超導磁體失超時，電流引線21通過一定大小的電流?？赏姀椈?、12在這一電流變化范圍內發(fā)生收縮，電流為零時可通電彈簧3、12可以形變?yōu)榱?，也可以有預設形變。當電流越來越大時，可通電彈簧3、12發(fā)生形變收縮,帶動與可通電彈簧3、12 —端相連的連動機構19移動,連動機構19帶動與其連接的可變電阻器4、13的電阻調節(jié)裝置20滑動，從而調節(jié)可變電阻器4、13的阻值。當電流越來越小時，同理可通電彈簧3、12松開而減小收縮量，從而使與可通電彈簧3、12—端相連的連動機構19移動，連動機構19帶動與其連接的可變電阻器4、13的電阻調節(jié)裝置20滑動，從而按相反方向調節(jié)可變電阻器4、13的阻值。所述的可通電彈簧3、12與可變電阻器4、13連接安裝好后，便可以通過電流引線21與失超觸發(fā)加熱器5、分段保護電阻6或泄能電阻14、雙向保護二極管7、15、電源8、16等器件連接形成完整的失超保護裝置。該裝置的各器件與超導磁體2、11 一同放入低溫環(huán)境下，如液氦或者真空中。在超導磁體2、11的超導線圈1、10上發(fā)生失超時，該失超保護裝置便能為超導磁體提供保護。
權利要求
1.一種用于超導磁體失超保護的裝置，其特征是，所述的裝置由超導磁體和失超保護電路組成；所述的超導磁體由一個或多個超導線圈(I)組成；所述的裝置對所述的超導磁體采用被動加熱保護方式或外部電阻泄能保護方式。
2.按照權利要求1所述的用于超導磁體失超保護的裝置，其特征是，所述的裝置應用于對所述的超導磁體被動加熱保護方式時，失超保護電路包括可通電彈簧(3)、可變電阻器(4)、失超觸發(fā)加熱器(5)、分段保護電阻(6)、雙向保護二極管(7)，以及電源(8);所述的超導磁體(2)分為η段，n ^ 1，每一段包含一個或多個串聯(lián)連接的超導線圈(I);可通電彈簧(3)、可變電阻器(4)、加熱器(5)、分段電阻(6)、雙向保護二極管(7)依次順序串聯(lián)后，再并聯(lián)在所述超導磁體(2)的每一段的兩端；電源(8)并聯(lián)于整個超導磁體(2)的兩端；所述的超導磁體(2)由電源(8)驅動。
3.按照權利要求2所述的用于超導磁體失超保護的裝置，其特征是，所述的可通電彈簧(3)通過的電流越大，可變電阻器(4)電阻越大。
4.按照權利要求1所述的用于超導磁體失超保護的裝置，其特征是，所述的裝置應用于對所述的超導磁體外部泄能保護方式時，所述的失超保護電路包括可通電彈簧(12)、可變電阻器(13)、失超觸發(fā)加熱器(5)、分段電阻(6)、泄能電阻(14)、雙向保護二極管(15)以及電源(16);所述的可通電彈簧(12)、可變電阻器(13)、泄能電阻(14)、雙向保護二極管 (15)依次順序串聯(lián)后，再并聯(lián)于所述的超導磁體的兩端；電源(16)并聯(lián)于超導磁體的兩端，超導磁體由電源(16)驅動。
5.按照權利要求4所述的用于超導磁體失超保護的裝置，其特征是，所述的可通電彈簧(12)通過的電流越大，可變電阻器(13)電阻越小。
6.按照權利要求3或4所述的用于超導磁體失超保護的裝置，其特征是，所述的可通電彈簧(12)、可變電阻器(13)與泄能電阻(14)的最大總阻值不超過超導磁體失超過程中的端電壓的安全閾值，安全閾值為500V。
7.按照權利要求2或4所述的用于超導磁體失超保護的裝置，其特征是，所述的可通電彈簧(3、12)的一端固定于金屬電極板(18)上,可通電彈簧(3、12)的另一端與連動機構 (19)相連，連動機構(19)的另一端與可變電阻(4、13)的電阻調節(jié)裝置(20)相連；所述的金屬電極板(18)及可變電阻器(4、13)與超導磁體的電流引線(21)相連接，超導磁體的電流引線(21)接入失超保護電路中。
全文摘要
一種用于超導磁體失超保護的裝置，由超導磁體和失超保護電路組成。本發(fā)明對所述的超導磁體被動加熱保護方式時，由多個超導線圈(1)組成的超導磁體(2)被分成n段，n≥1，每段包含一個或多個超導線圈(1)，每段與串聯(lián)在一起的可通電彈簧(3)、可變電阻器(4)、失超觸發(fā)加熱器(5)及分段電阻(6)、雙向保護二極管(7)等器件并聯(lián)，整個超導磁體(2)與電源(8)并聯(lián)。本發(fā)明對所述的超導磁體外部泄能保護方式時，所述的失超保護電路還包括泄能電阻(14)；可通電彈簧(12)、可變電阻器(13)、泄能電阻(14)、雙向保護二極管(15)依次順序串聯(lián)后，再并聯(lián)于所述的超導磁體的兩端。
文檔編號H02H5/00GK103022972SQ20121057658
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權日2012年12月26日
發(fā)明者李毅, 王秋良, 陳順中, 胡新寧 申請人:中國科學院電工研究所