基于OFDR分布式光纤传感技术-Bi2223/Ag绝缘双饼线圈的失超检测

光纤在线编辑部  2020-12-10 09:20:21  文章来源:综合整理  版权所有,未经许可严禁转载.

导读:绝缘高温超导磁体具有高临界温度、高临界磁场及高载流能力等独特优势,是中国聚变工程实验堆中心和未来聚变装置中螺线管磁体的首选。

12/10/2020,光纤在线讯,绝缘高温超导磁体具有高临界温度、高临界磁场及高载流能力等独特优势,是中国聚变工程实验堆中心和未来聚变装置中螺线管磁体的首选。该实验利用OFDR分布式光纤传感技术,研究HTS(高温超导)绝缘双饼线圈热点温度在不同稳定工作电流下的传播规律。结果表明,热点温度沿线圈轴向传播,并通过匝间绝缘径向传播。研究发现,与失超电压信号相比,光纤谱移变化比电压信号提前约10s,而且可用于热点定位。证实了OFDR分布式光纤传感技术可用于HTS绝缘线圈的失超检测。

01实验设计

实验样品为Bi-2223带材绕制生双饼线圈,如图1所示,采用0.03mm聚酰亚胺薄膜实现匝间绝缘,并在单饼线圈之间用0.2mm的环氧树脂板隔开。线圈一般不加固,其外侧以可拆卸的方式固定。线圈在两层中有36圈,总长度接近20米。此外,选择1μV/cm作为失超标准。线圈在77K液氮环境中的临界电流约为90A。



实验样品线圈设计如图2所示。为了模拟绝缘线圈在恒定电流下的失超,在线圈表面设置绝热处理的脉冲加热器(总电阻:16.5Ω,总长度:1.5cm),并使用环氧树脂进行密封和绝缘。在线圈的两端设置VTs探测装置,用于检测处于失超状态下的线圈端电压,并将其作为OFDR技术光谱偏移的对比信号。

线圈本身的温度变化会引起附着在其表面光纤瑞利散射光谱的偏移,为了检测绝缘层的温度渗透性,将光纤直接布置在带状绝缘层的外部,两根光纤沿螺旋方向均匀地分布5匝于双饼线圈上下径向平面上。

如图2(a)所示,黑线表示光纤的分布路径,最里面和最外面的黄线分别表示线圈的内部和外部边界。红色矩形用于指示加热器的位置和形状。如图2(b)所示,在电流引线和线圈之间的接合处设置三个重叠的超导带,减小由引线到线圈的连接电阻引起的失超风险。



通过液氮气冷将线圈保持在约77K的温度,使用低温领域的高导热绝缘漆GE Varnish 7031增强光纤的热传递。

02测量结果

向高温超导线圈提供恒定电流,并保持安全工作电流,确保线圈处于完全超导状态。OFDR设置空间分辨率为1cm,采样率为1Hz。

图3显示第1饼线圈在外部热扰动下局部正常区域的温度传播。第1饼线圈对应光纤测试范围16.00m-13.80m,施加Iop=50A,加热器脉冲电流(I pulse)为1.5A,电流脉冲为2s,线圈局部正常区域出现径向与轴向扩散。此时,线圈端电压超过失超阈值(2mV),出现不可逆失超事件,如图3(a)所示,正常区域温度沿径向方向传播,即匝间传播。为了避免加热器与第五圈光纤直接接触的影响,选择1-4圈光纤进行分析,热量按照由外向内的温度梯度方向。此时,线圈的热点温度通过匝间绝缘沿径向传播,位置4的光谱迅速变化,比线圈端电压提前4s。



图3(b)为热量沿线圈轴向传播,光纤中3、6、7三个点(14.83、14.81、14.79 m)处的光谱偏移量在初期具有相同增长趋势,这是工作电流与正常区传播速度依赖关系的结果。此外,通过选择一定的光谱偏移量对应值,可以分别计算光谱在轴向与径向的传播速度V radial=2mm/s,V axial=2.08cm/s,以此来表征正常区域在线圈中的传播情况,显然,轴向传播速度远远超过径向传播速度。

第2饼线圈对应光纤测试范围16.20m-13.70m,施加不同的运行电流,对线圈径向失超传播进行分析。如图4(a)所示,Iop=60A,线圈在热扰动(I pulse=1 A)的作用下,端电压最高达到4.3mV,超过线圈失超阈值,发生可恢复失超事件。点5、4和3的光谱在加热器工作开始就立即发生。点5的光谱偏移量最大,并沿着线圈径向方向逐渐递减。由于传输过程中的热量消耗与线圈铜支架的散热,导致点2和1的光谱变化不明显。 



同样,在相同的热干扰下,Iop=70A,如图4(b)所示,发生可恢复失超事件,端电压的峰值高达6.5mV。通过比较两种结果可发现由于运行电流的增大,相同热干扰刺激下,70A运行电流对应点的光谱偏移变化更快,这是因为正常区域传播速度受运行电流的积极影响。

对于此类可恢复失超事件,线圈的光谱变化时间比端电压感知信号时间要提前10s左右。同时,通过解调发射光谱变化与偏移量,还可以精确定位光纤的光谱变化位置信息与变化量。实验证明,实验线圈上0.03mm的聚酰亚胺薄膜具有优异的导热性能,能够有效地将热点温度传递到光纤中。

但由于线圈结构及绝缘材料对光纤的影响较大,因此有必要考虑光纤最小弯曲半径和绝缘材料的导热系数等因素。对于低热传导性的绝缘材料,光纤应布置在导体绝缘之前,以便准确反映温度变化。在这种情况下,要考虑光纤的受压和耐弯曲性能。

03实验结论

该实验主要是利用加热器在恒定电流下使HTS绝缘双饼线圈局部失超,并利用OFDR分布式光纤传感技术测量绝缘线圈中正常区域的温度传播。如结果所示,频谱的轴向速度比径向传播速度大约1个数量级。与传统的端电压(VTs)法相比,OFDR分布式光纤传感技术的响应速度远远超过VTs,且不受测试点位置的限制。

研究表明,分布式光纤的频谱变化能真实反映失超检测信号,对HTS绝缘线圈的失超检测具有明显优势。到目前为止,光谱偏移和实际温度变化之间尚未建立统一的对应关系,需要通过实验进一步确定。另外,要考虑线圈绝缘方法和绝缘材料导热率对光纤测量精度的影响。

在后续实验中,有必要探讨绝缘材料对线圈OFDR光纤测温的影响,以便为HTS磁体提供一种更准确的失超检测方法。

来源:IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.30, NO.3, APRIL 2020
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