ITER CC導(dǎo)體接頭測試裝置設(shè)計與研制

郭帥武玉劉華軍劉勃施毅龍風

(中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)

1 引言

國際熱核實驗反應(yīng)堆(簡稱ITER)計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。ITER計劃的核心部件是超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，由18個縱場(Toroidal Field，TF)線圈、6個中心螺管(center solenoid，CS)線圈、6個極向場(poloidal field，PF)線圈及18個校正場(correction coil，CC)線圈組成。中國承擔ITER計劃16 km的TF導(dǎo)體、48 km的PF導(dǎo)體及全部CC導(dǎo)體的設(shè)計生產(chǎn)，在這些導(dǎo)體研制過程中，必須進行相關(guān)超導(dǎo)導(dǎo)體低溫性能的測試及研究。

CC導(dǎo)體接頭是CC導(dǎo)體的重要部件之一，建立對CC導(dǎo)體接頭測試的實驗裝置，可以提高在ITER CC導(dǎo)體相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)上的研究水平，為承接和爭取更多的ITER相關(guān)測試項目提供有利條件［1］。接頭電阻是CC導(dǎo)體接頭的重要參數(shù)，介紹了一套用于CC導(dǎo)體接頭低溫測試裝置，可以滿足ITER CC導(dǎo)體接頭電阻的測量要求。

2 總體設(shè)計

整個測試裝置系統(tǒng)包括低溫杜瓦，超導(dǎo)變壓器，失超保護系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測試裝置圖如圖1所示。采用內(nèi)徑為300 mm的液氦杜瓦提供所需要的低溫環(huán)境，用LHe浸泡的冷卻方法對CC導(dǎo)體接頭和超導(dǎo)變壓器初次級線圈進行冷卻，保證線圈完全處于超導(dǎo)狀態(tài)。裝置采用超導(dǎo)變壓器提供CC導(dǎo)體接頭所需要的測試電流。超導(dǎo)變壓器是用兩個同軸的超導(dǎo)線圈組合在一起，初級線圈在內(nèi)層，采用單根NbTi線繞制;次級線圈在外層，直接利用CC導(dǎo)體接頭連接的CC導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路。利用電磁感應(yīng)的方法，在初級線圈上給一變化電流，在次級線圈上感應(yīng)出放大的電流，作為接頭測試用電流。失超保護系統(tǒng)是根據(jù)磁體失超傳播的特點，利用平衡橋路快速檢測出失超信號，及時釋放出磁體的電磁能。電流引線外接磁體電源，采用常規(guī)銅電流引線，電流設(shè)計最大為200 A。

2.1 10 kA超導(dǎo)變壓器的設(shè)計

由于運用的是電磁感應(yīng)原理，要求兩個線圈盡量緊密，增大感應(yīng)的磁通和耦合程度。為此，研究將超導(dǎo)變壓器磁體結(jié)構(gòu)采用同軸雙骨架的設(shè)計，即超導(dǎo)變壓器的兩個線圈設(shè)計成同軸螺旋管磁體，初級線圈在里面，次級線圈在外面，相互套裝而成。初級線圈最大運行電流200 A，在結(jié)構(gòu)上采用8層1 032匝單根NbTi線繞制而成;次級線圈最大設(shè)計電流10 kA，采用2匝CC導(dǎo)體繞制在初級線圈的外側(cè)。CC導(dǎo)體采用4級3×4×5×5 CICC結(jié)構(gòu)，第一級由3根超導(dǎo)股線絞纜而成，4根一級纜再絞制成二級纜，第三級為4根二級子纜繞中間1根二級子纜繞制，最后一級為5根副纜相互纏繞，隨后進行穿纜、縮管、磁體繞制及固化等工藝過程［2］，變壓器的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1 接頭測試裝置圖Fig.1 Test facility diagram of joint

表1 超導(dǎo)變壓器主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Main design parameters of superconducting transformer

次級線圈采用矩形截面的導(dǎo)體設(shè)計結(jié)構(gòu)，既便于線圈繞制，又增大了與初級線圈之間的耦合程度。為達到設(shè)計的1×106的電感，次級線圈設(shè)計為單層2匝結(jié)構(gòu)，線圈外徑為222.4 mm，軸長與初級線圈的軸長相同，初級線圈和次級線圈之間的徑向距離控制在10 mm左右，保證兩線圈之間有足夠的安裝空隙，同時還可使得兩個線圈的耦合系數(shù)達到0.72的設(shè)計值。

超導(dǎo)變壓器初級、次級線圈都選用NbTi超導(dǎo)材料，NbTi超導(dǎo)材料生產(chǎn)工藝比較成熟，性能比較穩(wěn)定，不需要經(jīng)過熱處理，制作工藝也較為簡單［3］。NbTi超導(dǎo)股線的參數(shù)如表2所示。

表2 NbTi超導(dǎo)線參數(shù)Table 2 Main parameters of NbTi wire

UNK NbTi超導(dǎo)股線在4.2 K、5 T環(huán)境下，其臨界電流Ic=550 A;在4.2 K、6 T環(huán)境下，其臨界電流Ic=465 A，由Luca定標率公式可得到在4.2 K，2 T環(huán)境下，臨界電流Ic=970 A。運行電流設(shè)計200 A，則Iop/Ic＜21%。NbTi超導(dǎo)股線臨界電流密度Jc曲線如圖2所示。

圖2 NbTi超導(dǎo)股線臨界電流密度曲線Fig.2 Critical-current density of NbTi wire

2.2 失超保護方案

超導(dǎo)變壓器初級線圈的通電回路包括磁體電源，移能電阻，接觸器開關(guān)和信號調(diào)理電路，失超保護主電路如圖3所示。超導(dǎo)變壓器次級線圈儲能較小，失超時其儲存的能量將消耗在線圈正常區(qū)電阻上，無需采取保護措施。初級線圈為動態(tài)運行磁體，為便于失超信號探測，失超探測采用平衡橋路探測法。通過調(diào)節(jié)平衡橋路兩端電阻比值，使之與線圈感應(yīng)電壓比值相等，線圈超導(dǎo)態(tài)勵磁時橋路平衡。失超時，因磁體失超的傳播性，橋路失衡，從而檢測出失超電壓信號。

圖3 失超保護主電路Fig.3 Electric circuit of quench protection

磁體降溫到設(shè)定溫度，在正式通電測試之前必須調(diào)節(jié)橋路平衡。當通電運行磁體局部出現(xiàn)失超時，失超段產(chǎn)生阻態(tài)電壓，檢測橋路失去平衡，失超檢測電壓經(jīng)過濾波、放大、高壓隔離處理等，和事先根據(jù)失超判據(jù)計算出的失超保護閾值電壓Vth比較，若超過閾值電壓，則接觸器工作，主回路常閉觸點K1打開，切斷主回路電流，磁體電流流過釋能電阻放電，達到保護初級線圈的目的。

考慮到磁體失超從探測點處開始的情況，失超并向兩側(cè)同步傳播，失超檢測電壓Vq不能真實的反映出失超電壓，出現(xiàn)檢測盲區(qū)。因此增加一路橋路信號，以檢測上述盲區(qū)失超電壓，一般選取磁體1/3處引出電位測量線，構(gòu)成另一路平衡橋路［4］。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在CC導(dǎo)體接頭的實驗過程中，要監(jiān)測和記錄樣品環(huán)境溫度，接頭通電電流，接頭兩端電壓和液氦液面等物理量。在左右兩個接頭的內(nèi)外側(cè)都布一個電壓測量點，在接頭的上下側(cè)分布兩個溫度計，霍爾傳感器測量接頭通電電流大小，液面計測量杜瓦中液氦液面。傳感器把要測量的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，工控機建立和數(shù)字表的通訊，讀取傳感器輸出的電壓值。軟件部分根據(jù)事先設(shè)置的關(guān)系式，對各通道采集的物理量進行文本顯示和曲線顯示。

磁體電源最大輸出1 500 A/10 V，電流輸出精度0.5%;溫度傳感器采用 LakeShore CX－1050－AA 系列，測溫范圍4.00—325 K;霍爾傳感器采用Lake－Shore HGCA－3020低溫霍爾探針，測量精度和線性度小于1%;液面計采用超導(dǎo)液面計，利用液氦液面上下超導(dǎo)絲電阻不同來測量出液面高度。

Keithley 2700表測量兩路溫度信號，左右接頭內(nèi)側(cè)電壓及初級線圈失超信號。其具有6位半測量精度，配合選用的7708型后面板插入卡可完成40通道差分輸入信號測量，并通過GPIB總線和工控機連接。通過選擇合適量程實現(xiàn)最佳的采樣分辨率，通過調(diào)整AD積分時間改變采樣速率。Keithley 2700儀器設(shè)置100 mV量程，采集速率為中速，數(shù)字濾波，此時各通道電壓測量在1 mV時的測量精度為±0.5%。

3臺Keithley 2182表分別測量左右接頭外側(cè)電壓，接頭通電電流。Keithley 2182是7位半數(shù)字表，雙通道輸入。為保證精度，每塊表用通道1測量。3臺2182通過GPIB接口線串聯(lián)，再連接到工控機上。每臺儀器設(shè)置10 mV量程，采集速率為中速，數(shù)字濾波，此時電壓測量在50 uV時測量精度為±0.5%。

軟件部分采用LabVIEW作為開發(fā)平臺，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示，以及數(shù)據(jù)的存儲和對歷史數(shù)據(jù)的回放。軟件界面友好，利用LabVIEW提供的文件I/O函數(shù)集，可以在線添加和編輯關(guān)系式，添加新的測量點，修改通道名稱、關(guān)系式和單位等［5］，使測量更加靈活。數(shù)據(jù)采集任務(wù)停止后，可以通過數(shù)據(jù)回放選項，看到系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)文件列表，點擊數(shù)據(jù)文件，會出現(xiàn)文件中各通道的數(shù)據(jù)索引，然后可以在Graph中可以看到整個采集過程中各通道數(shù)據(jù)的變化曲線。數(shù)據(jù)回放功能使用戶在實時采集結(jié)束后，仍可以重新觀察和深入處理采集數(shù)據(jù)［6］，以便對測試樣品物理性能深入分析。

3 CC導(dǎo)體接頭電阻的測量

將測試接頭和超導(dǎo)變壓器安裝于不銹鋼杜瓦中，先通入液氮進行預(yù)冷，加入液氮時要緩慢，避免急速冷卻［7］。采集系統(tǒng)監(jiān)測接頭和超導(dǎo)變壓器溫度，達到77 K后保持一段時間。然后換用LHe冷卻，把液氮排出并繼續(xù)降溫，直到溫度降到4.2 K左右并穩(wěn)定下來。調(diào)節(jié)失超保護平衡橋路，然后分別測量CC導(dǎo)體接頭在在自場環(huán)境下，2－4－5－6－7－8 kA 通電電流時的電阻，其中每個電流臺階穩(wěn)定通電時間維持在10 s以上。通電電流為6 kA和8 kA時的接頭電壓電流曲線如圖4、圖5所示，左右接頭電阻的大小分別約為8.4 nΩ和9.3 nΩ，接頭電阻測量精度小于±5%。

圖4 通電電流為6 kA的接頭電阻Fig.4 Resistance of joint at 6 kA current

圖5 通電電流為8 kA的接頭電阻Fig.5 Resistance of joint at 8 kA current

4 結(jié)論

介紹了ITER CC導(dǎo)體接頭電阻測試裝置，具體討論了10 kA超導(dǎo)變壓器的設(shè)計和研制，分析了失超保護系統(tǒng)原理以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。通過控制超導(dǎo)變壓器初級線圈的電流上升率和上升時間，在次級線圈獲得接頭測試所需要的不同的通電電流。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測實驗過程中的溫度信號，電壓電流信號，并根據(jù)每個通電電流臺階的接頭電壓電流值得出接頭電阻值。測試裝置系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到ITER CC導(dǎo)體接頭電阻的測量中，裝置滿足ITER CC導(dǎo)體接頭的測量要求。

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