12/10/2020，光纖在線訊，絕緣高溫超導(dǎo)磁體具有高臨界溫度、高臨界磁場(chǎng)及高載流能力等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆中心和未來(lái)聚變裝置中螺線管磁體的首選。該實(shí)驗(yàn)利用OFDR分布式光纖傳感技術(shù)，研究HTS（高溫超導(dǎo)）絕緣雙餅線圈熱點(diǎn)溫度在不同穩(wěn)定工作電流下的傳播規(guī)律。結(jié)果表明，熱點(diǎn)溫度沿線圈軸向傳播，并通過(guò)匝間絕緣徑向傳播。研究發(fā)現(xiàn)，與失超電壓信號(hào)相比，光纖譜移變化比電壓信號(hào)提前約10s，而且可用于熱點(diǎn)定位。證實(shí)了OFDR分布式光纖傳感技術(shù)可用于HTS絕緣線圈的失超檢測(cè)。

01實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣品為Bi-2223帶材繞制生雙餅線圈，如圖1所示，采用0.03mm聚酰亞胺薄膜實(shí)現(xiàn)匝間絕緣，并在單餅線圈之間用0.2mm的環(huán)氧樹(shù)脂板隔開(kāi)。線圈一般不加固，其外側(cè)以可拆卸的方式固定。線圈在兩層中有36圈，總長(zhǎng)度接近20米。此外，選擇1μV/cm作為失超標(biāo)準(zhǔn)。線圈在77K液氮環(huán)境中的臨界電流約為90A。



實(shí)驗(yàn)樣品線圈設(shè)計(jì)如圖2所示。為了模擬絕緣線圈在恒定電流下的失超，在線圈表面設(shè)置絕熱處理的脈沖加熱器（總電阻：16.5Ω，總長(zhǎng)度：1.5cm），并使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行密封和絕緣。在線圈的兩端設(shè)置VTs探測(cè)裝置，用于檢測(cè)處于失超狀態(tài)下的線圈端電壓，并將其作為OFDR技術(shù)光譜偏移的對(duì)比信號(hào)。

線圈本身的溫度變化會(huì)引起附著在其表面光纖瑞利散射光譜的偏移，為了檢測(cè)絕緣層的溫度滲透性，將光纖直接布置在帶狀絕緣層的外部，兩根光纖沿螺旋方向均勻地分布5匝于雙餅線圈上下徑向平面上。

如圖2(a)所示，黑線表示光纖的分布路徑，最里面和最外面的黃線分別表示線圈的內(nèi)部和外部邊界。紅色矩形用于指示加熱器的位置和形狀。如圖2(b)所示，在電流引線和線圈之間的接合處設(shè)置三個(gè)重疊的超導(dǎo)帶，減小由引線到線圈的連接電阻引起的失超風(fēng)險(xiǎn)。



通過(guò)液氮?dú)饫鋵⒕�圈保持在約77K的溫度，使用低溫領(lǐng)域的高導(dǎo)熱絕緣漆GE Varnish 7031增強(qiáng)光纖的熱傳遞。

02測(cè)量結(jié)果

向高溫超導(dǎo)線圈提供恒定電流，并保持安全工作電流，確保線圈處于完全超導(dǎo)狀態(tài)。OFDR設(shè)置空間分辨率為1cm，采樣率為1Hz。

圖3顯示第1餅線圈在外部熱擾動(dòng)下局部正常區(qū)域的溫度傳播。第1餅線圈對(duì)應(yīng)光纖測(cè)試范圍16.00m-13.80m，施加Iop=50A，加熱器脈沖電流（I pulse）為1.5A，電流脈沖為2s，線圈局部正常區(qū)域出現(xiàn)徑向與軸向擴(kuò)散。此時(shí)，線圈端電壓超過(guò)失超閾值（2mV），出現(xiàn)不可逆失超事件，如圖3(a)所示，正常區(qū)域溫度沿徑向方向傳播，即匝間傳播。為了避免加熱器與第五圈光纖直接接觸的影響，選擇1-4圈光纖進(jìn)行分析，熱量按照由外向內(nèi)的溫度梯度方向。此時(shí)，線圈的熱點(diǎn)溫度通過(guò)匝間絕緣沿徑向傳播，位置4的光譜迅速變化，比線圈端電壓提前4s。



圖3(b)為熱量沿線圈軸向傳播，光纖中3、6、7三個(gè)點(diǎn)（14.83、14.81、14.79 m）處的光譜偏移量在初期具有相同增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是工作電流與正常區(qū)傳播速度依賴關(guān)系的結(jié)果。此外，通過(guò)選擇一定的光譜偏移量對(duì)應(yīng)值，可以分別計(jì)算光譜在軸向與徑向的傳播速度V radial=2mm/s，V axial=2.08cm/s，以此來(lái)表征正常區(qū)域在線圈中的傳播情況，顯然，軸向傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)徑向傳播速度。

第2餅線圈對(duì)應(yīng)光纖測(cè)試范圍16.20m-13.70m，施加不同的運(yùn)行電流，對(duì)線圈徑向失超傳播進(jìn)行分析。如圖4(a)所示，Iop=60A，線圈在熱擾動(dòng)(I pulse=1 A)的作用下，端電壓最高達(dá)到4.3mV，超過(guò)線圈失超閾值，發(fā)生可恢復(fù)失超事件。點(diǎn)5、4和3的光譜在加熱器工作開(kāi)始就立即發(fā)生。點(diǎn)5的光譜偏移量最大，并沿著線圈徑向方向逐漸遞減。由于傳輸過(guò)程中的熱量消耗與線圈銅支架的散熱，導(dǎo)致點(diǎn)2和1的光譜變化不明顯。 



同樣，在相同的熱干擾下，Iop=70A，如圖4(b)所示，發(fā)生可恢復(fù)失超事件，端電壓的峰值高達(dá)6.5mV。通過(guò)比較兩種結(jié)果可發(fā)現(xiàn)由于運(yùn)行電流的增大，相同熱干擾刺激下，70A運(yùn)行電流對(duì)應(yīng)點(diǎn)的光譜偏移變化更快，這是因?yàn)檎�常區(qū)域傳播速度受運(yùn)行電流的積極影響。

對(duì)于此類可恢復(fù)失超事件，線圈的光譜變化時(shí)間比端電壓感知信號(hào)時(shí)間要提前10s左右。同時(shí)，通過(guò)解調(diào)發(fā)射光譜變化與偏移量，還可以精確定位光纖的光譜變化位置信息與變化量。實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)線圈上0.03mm的聚酰亞胺薄膜具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，能夠有效地將熱點(diǎn)溫度傳遞到光纖中。

但由于線圈結(jié)構(gòu)及絕緣材料對(duì)光纖的影響較大，因此有必要考慮光纖最小彎曲半徑和絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)等因素。對(duì)于低熱傳導(dǎo)性的絕緣材料，光纖應(yīng)布置在導(dǎo)體絕緣之前，以便準(zhǔn)確反映溫度變化。在這種情況下，要考慮光纖的受壓和耐彎曲性能。

03實(shí)驗(yàn)結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)主要是利用加熱器在恒定電流下使HTS絕緣雙餅線圈局部失超，并利用OFDR分布式光纖傳感技術(shù)測(cè)量絕緣線圈中正常區(qū)域的溫度傳播。如結(jié)果所示，頻譜的軸向速度比徑向傳播速度大約1個(gè)數(shù)量級(jí)。與傳統(tǒng)的端電壓(VTs)法相比，OFDR分布式光纖傳感技術(shù)的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)VTs，且不受測(cè)試點(diǎn)位置的限制。

研究表明，分布式光纖的頻譜變化能真實(shí)反映失超檢測(cè)信號(hào)，對(duì)HTS絕緣線圈的失超檢測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì)。到目前為止，光譜偏移和實(shí)際溫度變化之間尚未建立統(tǒng)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定。另外，要考慮線圈絕緣方法和絕緣材料導(dǎo)熱率對(duì)光纖測(cè)量精度的影響。

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，有必要探討絕緣材料對(duì)線圈OFDR光纖測(cè)溫的影響，以便為HTS磁體提供一種更準(zhǔn)確的失超檢測(cè)方法。

來(lái)源：IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.30, NO.3, APRIL 2020