高温超导材料(HTS)相较低温超导材料(LTS)而言,具有更高的临界温度、临界电流和临界磁场,在大型聚变装置中具有广阔应用前景。该实验提出新的失超检测方法-OFDR分布式光纤传感,使用OSI设备和REBCO样品缆进行验证。得出相较于传统电压检测,分布式光纤测量能够屏蔽电磁干扰、快速反映失超、实现热点定位。

测试过程

1. 样品准备

CORC电缆实验样品为层间接触初级缆结构,在直径为3.5mm的铜芯表面缠绕三根REBCO软带,组成长为45cm的实验样品电缆,从外到内顺序分别是Tape1、Tape2、Tape3,如图1所示。

图1. CORC缆三层结构示意图

REBCO超导带具体结构如图2所示,其液氮下临界电流为120A。

图2. REBCO超导带材结构(未按比例绘制)

2. 失超检测设计

检测设备为OSI-S,测量长度为50m,设置1cm空间分辨率和3.5Hz采样率的测试参数,传感器为80μm耐弯曲光纤。

图3. REBCO电缆失超探测装置示意

如图3所示,在最外层带材与铜棒表面布置光纤OF1、OF2,总长为3m。此外再布置4对电压和4个温度计,为触发超导体失超,在Tape1外设置加热器(heater)。

将超导电缆置入10cm深液氮池中,考虑单层带材失超传播特性,将3根带材按特定顺序施加电流,如表1所示。

表1. HTS带材每层所对应的电流参数和光纤测试序号

测试结果

1. 失超传播速度(NZPV)

NZPV是表征超导体失超特性的重要数据,可通过电压信号数据(V1/V2/V3)计算出三层超导带的纵向失超传播速度(LNZPV),其数值是电缆正常区域轴向传播速度(ANZPV)两倍,计算结果如图4所示。

图4. CORC缆超导带的纵向失超传播速度与电流的关系

2. 超导电缆正常区域传播长度

电缆轴向区域传播长度(LANZP)是沿着电缆方向长度,纵向区域传播长度(LNZP)是沿着螺旋缠绕在铜芯上带材长度。

(a)所有测试点光谱偏移曲线  (b)光谱偏移曲线局部放大效果
图5. 光纤OF1随长度分布光谱偏移曲线

如图5所示,OSI-S设备光谱偏移曲线可得到LANZP≈9cm,与电压曲线LNZP值相符合,还可获得2.72m处光纤的最大光谱偏移。

图6. Tape2对应OF2光谱偏移量函数

在电流=100A时,增加加热器能量,引发失超事件。受电压抽头数量限制,电压信号无法准确捕获正常区域边界。而光纤OF2可实时监控整个Tape2失超特性,如图6所示,不同加热器能量下的电缆Tape2对应OF2上光谱偏移量随时间和位置分布。

电缆在不同加热器能量下轴向区域变化,通过转换获得HTS带材LNZP,如表2所示。

表2. Tape2在不同加热器能量下的正常区域传播长度

3. 基于分布式光纤的损伤点定位

为验证实验电缆稳定性,将中间层Tape2充电至失超,如图7所示,电压增加,发生不可逆失超事件。

图7. Tape2的光谱偏移和端电压信号随时间变化曲线

通过对图8中光纤定位三相图分析,可准确定位损伤点1位置为2.65m,在2.61m处存在潜在损伤点2。

图8. 光纤定位三相图

如图9所示,观察到1已损坏,其位置与OSI-S设备测量位置一致。此时,嵌入式安装光纤传感器可以定位HTS缆损伤点,并且具有较高的空间灵敏度和测量精度。

图9. 测试电缆的损伤点照片

实验结论

OFDR分布式光纤技术响应速度快,能准确反映被测电缆正常区域发展,而且以5-10mm空间分辨率准确定位损伤点。与传统失超检测方法对比,优势明显。这对于HTS磁体失超稳定性与安全保护研究具有重要意义。


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题名:Distributed optical fiber sensor for investigation of normal zone propagation and hot spot location in REBCO cables
来源:Fusion Engineering and Design 156(2020)111569
作者:Bin Chen, Jiangang Lia, Yanlan Hua, Hongjun Ma, Teng Wanga, Chao Zhoua, Huajun Liua


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