40T混合磁体外超导磁体储能泄放系统的设计

图 4 抑制外超导磁体电流急降过电压电路
根据图 4 电路列出分断微分方程组：
成本，在满足设计要求的前提下尽量使用简单、可 3 所示。
图 3 移能电阻的结构示意图
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在急降退磁时，如果超导电源正负母排上的 DS 断路器同时分断，则会有 12kV 的弧压，这会使 得超导磁体绝缘被击穿。实测移能电阻的分散电
感 Lr 为 56μH，为此设计在磁体两端并联电容和 压敏电阻，如图 4 所示的抑制磁体两端过电压电 路。
上。但该系统设计的关键是提高急降退磁系统的 总长约 224m，分段切成各 1． 6m 长，每层不锈钢
可靠性，确保失超信号发出后，急降电阻能可靠无 按 V 形布置，并进行首尾焊接，在首尾两端分别
误地将储能吸收，为此本设计特别考虑细节问题， 采用 8kV 绝缘子固定在∠50mm × 5mm 不锈钢角
在各关键环节都做了优化处理，并在设计中考虑 钢上，而后放入柜内，分上下层排列，其结构如图
外超导磁体在每次快速断电退磁时性能都会 退化，频繁快速退磁极大地减少了超导磁体的使 用寿命，为此在设计超导磁体保护退磁时，设计了 两种退磁速度方案：一种是针对超导磁体电源主 回路断水、磁体阀箱真空度不足及低温制冷机等 普通故障的缓降退磁保护；一种是针对磁体失超 或者混合磁体内水冷磁体快速掉电等故障的急速 退磁保护。两种退磁方式分别采用不同的控制电 路，相互独立运行。超导磁体在励磁、退磁和稳场 过程中出现故障时，磁体存储的能量极有可能会 造成磁体损坏。由于磁体设计、加工等过程都极 其复杂，磁体损坏后无法恢复，故磁体必须设计一 套安全可靠的储能泄放系统。 1 缓降退磁
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徐烟红等． 40T 混合磁体外超导磁体储能泄放系统的设计
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40T 混合磁体外超导磁体储能泄放系统的设计①
徐烟红 赵 涛 张 浩
（ 中国科学院强磁场科学中心）
摘 要 根据 40T 混合磁体外超导磁体的特性设计了一套包含两种能量泄放速度的储能泄放系统，并
对电路的关键பைடு நூலகம்节进行优化处理，极大地提高了系统的可靠性。
缓降退磁的控制电路采用软件实现，系统采 用 S7-300 PLC 模块。缓降退磁命令是由中控系 统统一采集各子系统故障并经处理后发出，为保
证可靠接收中控系统发出的缓降命令，本设计采 用 DP 总线和开关量 I / O 冗余通信方式。缓降退 磁控制流程如图 1 所示。
图 1 缓降退磁控制流程 缓降退磁势必造成磁体的涡流损耗增加，为 避免涡流损耗导致磁体失超，计算所得缓降退磁 端电压必须小于 200V，因此设计缓降退磁采用 Ｒt 为 14mΩ 的缓降移能电阻。40T 混合磁体外超导 磁体电源的主电路如图 2 所示，其中 L（1． 03H） 是超导磁体，Ｒt（14mΩ） 是一个浸泡在 1m3 容积 水箱中的不锈钢制成的缓降移能电阻，DK 与 QFDT 为直流 断 路 器，QF1 为 交 流 断 路 器，MOSFET
关键词 储能泄放系统 40T 混合磁体 失超保护 缓降退磁 急降退磁
中图分类号 TP274
文献标识码 A
文章编号 1000-3932( 2019) 03-0201-05
40T 混合磁体装置是中国科学院强磁场科学 中心承担的国家“十一五”重大科技基础设施，由 30T 的内水冷磁体和 10T 的外超导磁体两部分组 成。目前已经成功实现中心磁场强度为 40T 的国 家验收指标，且外超导磁体于 2017 年 12 月 26 日 成功产 生 11． 2T 的 中 心 磁 场。 外 超 导 磁 体 由 Nb3Sn CICC 绕 制 而 成，其 额 定 电 流 13． 42kA （11T） 、试验电流 14． 1kA（11． 5T） 、额定电压 5V、 超导磁体电感 1． 03H，因此在试验电流 14． 1kA 时 磁体储能高达 100MJ，受磁体绝缘限制磁体端电 压需小于 4kV（ 瞬时端电压要求小于 8kV） 。
① 作者简介： 徐烟红（1985-） ，工程师，从事超导电源设计和失超保护的设计工作，xyhong@ hmfl． ac． cn。
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化工自动化及仪表
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为半导体开关。缓 降 退 磁 保 护 系 统 由 QF1、Ｒt、 DK、QF-DT 及 MOSFET 等部分组成。正常工作时 MOSFET 开关和 DK 开关断开，其他断路器均闭
时默认断路器按缓降分断的思路设计。
两部分进行阐述。
2 急降退磁
2． 1 急降移能电阻及抑制磁体瞬态过电压设计
外超导磁体进入急降退磁的判据为：经过二
常用的急降移能电阻有线性电阻和非线性电
次补偿的电压大于失超阈值电压 50mV，并且在 阻两种。非线性电阻能实现储能的恒压移能，本
失超探测延迟时间为 400ms 内持续大于阈值电压 设计中比线性电阻移能快 1． 5 倍，但其价格昂贵，
泄放回路的时间常数 τ≈3． 62s。
阻的关键是减少其分散电感并抑制它在储能转移
目前，国外各大强磁场混合磁体外超导磁体 过程中产生的过电压。
的急降退磁原理都类似，即快速分断供电回路并
为 焊 接 方 便 可 靠，线 性 移 能 电 阻 采 用 厚
将储能转移到并联在磁体两端的急降移能电阻 8mm、宽 72mm、截面积为 576mm2 的 304 不锈钢，
或者检测到内水冷磁体超过 1kA / s 速度下降。急 是普通线性电阻的 5 倍。考虑成本问题，本设计
降主回路由图 2 中的 QF-DS1 ～ QF-DS4 直流断路 采用线性电阻移能，并且选用强度较高、熔点高且
器和急降移能电阻 Ｒe（0． 284Ω） 构成，设计储能 比热大的 304 不锈钢材料制作。设计线性移能电
合；缓降退磁时分别断开 QF1、DT，并在 QF1 断开 后闭合 MOSFET 开关和 DK 断路器，磁体的储能 通过电阻 Ｒt 发热消耗。
图 2 40T 混合磁体外超导磁体电源主电路
为防止 PLC 系统掉电故障导致缓降不能正 靠、成本低的方案。下面从急降移能电阻及抑制
确执行，所有缓降断路器的控制均采取 PLC 断电 磁体瞬态过电压设计和急降断路器控制回路设计