ITER CC导体接头测试装置设计与研制

郭帅武玉刘华军刘勃施毅龙风

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

1 引言

国际热核实验反应堆(简称ITER)计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。ITER计划的核心部件是超导磁体系统，由18个纵场(Toroidal Field，TF)线圈、6个中心螺管(center solenoid，CS)线圈、6个极向场(poloidal field，PF)线圈及18个校正场(correction coil，CC)线圈组成。中国承担ITER计划16 km的TF导体、48 km的PF导体及全部CC导体的设计生产，在这些导体研制过程中，必须进行相关超导导体低温性能的测试及研究。

CC导体接头是CC导体的重要部件之一，建立对CC导体接头测试的实验装置，可以提高在ITER CC导体相关关键技术上的研究水平，为承接和争取更多的ITER相关测试项目提供有利条件［1］。接头电阻是CC导体接头的重要参数，介绍了一套用于CC导体接头低温测试装置，可以满足ITER CC导体接头电阻的测量要求。

2 总体设计

整个测试装置系统包括低温杜瓦，超导变压器，失超保护系统和数据采集系统，测试装置图如图1所示。采用内径为300 mm的液氦杜瓦提供所需要的低温环境，用LHe浸泡的冷却方法对CC导体接头和超导变压器初次级线圈进行冷却，保证线圈完全处于超导状态。装置采用超导变压器提供CC导体接头所需要的测试电流。超导变压器是用两个同轴的超导线圈组合在一起，初级线圈在内层，采用单根NbTi线绕制;次级线圈在外层，直接利用CC导体接头连接的CC导体构成闭合回路。利用电磁感应的方法，在初级线圈上给一变化电流，在次级线圈上感应出放大的电流，作为接头测试用电流。失超保护系统是根据磁体失超传播的特点，利用平衡桥路快速检测出失超信号，及时释放出磁体的电磁能。电流引线外接磁体电源，采用常规铜电流引线，电流设计最大为200 A。

2.1 10 kA超导变压器的设计

由于运用的是电磁感应原理，要求两个线圈尽量紧密，增大感应的磁通和耦合程度。为此，研究将超导变压器磁体结构采用同轴双骨架的设计，即超导变压器的两个线圈设计成同轴螺旋管磁体，初级线圈在里面，次级线圈在外面，相互套装而成。初级线圈最大运行电流200 A，在结构上采用8层1 032匝单根NbTi线绕制而成;次级线圈最大设计电流10 kA，采用2匝CC导体绕制在初级线圈的外侧。CC导体采用4级3×4×5×5 CICC结构，第一级由3根超导股线绞缆而成，4根一级缆再绞制成二级缆，第三级为4根二级子缆绕中间1根二级子缆绕制，最后一级为5根副缆相互缠绕，随后进行穿缆、缩管、磁体绕制及固化等工艺过程［2］，变压器的主要设计参数如表1所示。

图1 接头测试装置图Fig.1 Test facility diagram of joint

表1 超导变压器主要设计参数Table 1 Main design parameters of superconducting transformer

次级线圈采用矩形截面的导体设计结构，既便于线圈绕制，又增大了与初级线圈之间的耦合程度。为达到设计的1×106的电感，次级线圈设计为单层2匝结构，线圈外径为222.4 mm，轴长与初级线圈的轴长相同，初级线圈和次级线圈之间的径向距离控制在10 mm左右，保证两线圈之间有足够的安装空隙，同时还可使得两个线圈的耦合系数达到0.72的设计值。

超导变压器初级、次级线圈都选用NbTi超导材料，NbTi超导材料生产工艺比较成熟，性能比较稳定，不需要经过热处理，制作工艺也较为简单［3］。NbTi超导股线的参数如表2所示。

表2 NbTi超导线参数Table 2 Main parameters of NbTi wire

UNK NbTi超导股线在4.2 K、5 T环境下，其临界电流Ic=550 A;在4.2 K、6 T环境下，其临界电流Ic=465 A，由Luca定标率公式可得到在4.2 K，2 T环境下，临界电流Ic=970 A。运行电流设计200 A，则Iop/Ic＜21%。NbTi超导股线临界电流密度Jc曲线如图2所示。

图2 NbTi超导股线临界电流密度曲线Fig.2 Critical-current density of NbTi wire

2.2 失超保护方案

超导变压器初级线圈的通电回路包括磁体电源，移能电阻，接触器开关和信号调理电路，失超保护主电路如图3所示。超导变压器次级线圈储能较小，失超时其储存的能量将消耗在线圈正常区电阻上，无需采取保护措施。初级线圈为动态运行磁体，为便于失超信号探测，失超探测采用平衡桥路探测法。通过调节平衡桥路两端电阻比值，使之与线圈感应电压比值相等，线圈超导态励磁时桥路平衡。失超时，因磁体失超的传播性，桥路失衡，从而检测出失超电压信号。

图3 失超保护主电路Fig.3 Electric circuit of quench protection

磁体降温到设定温度，在正式通电测试之前必须调节桥路平衡。当通电运行磁体局部出现失超时，失超段产生阻态电压，检测桥路失去平衡，失超检测电压经过滤波、放大、高压隔离处理等，和事先根据失超判据计算出的失超保护阈值电压Vth比较，若超过阈值电压，则接触器工作，主回路常闭触点K1打开，切断主回路电流，磁体电流流过释能电阻放电，达到保护初级线圈的目的。

考虑到磁体失超从探测点处开始的情况，失超并向两侧同步传播，失超检测电压Vq不能真实的反映出失超电压，出现检测盲区。因此增加一路桥路信号，以检测上述盲区失超电压，一般选取磁体1/3处引出电位测量线，构成另一路平衡桥路［4］。

2.3 数据采集系统

在CC导体接头的实验过程中，要监测和记录样品环境温度，接头通电电流，接头两端电压和液氦液面等物理量。在左右两个接头的内外侧都布一个电压测量点，在接头的上下侧分布两个温度计，霍尔传感器测量接头通电电流大小，液面计测量杜瓦中液氦液面。传感器把要测量的信号转换成电压信号，工控机建立和数字表的通讯，读取传感器输出的电压值。软件部分根据事先设置的关系式，对各通道采集的物理量进行文本显示和曲线显示。

磁体电源最大输出1 500 A/10 V，电流输出精度0.5%;温度传感器采用 LakeShore CX－1050－AA 系列，测温范围4.00—325 K;霍尔传感器采用Lake－Shore HGCA－3020低温霍尔探针，测量精度和线性度小于1%;液面计采用超导液面计，利用液氦液面上下超导丝电阻不同来测量出液面高度。

Keithley 2700表测量两路温度信号，左右接头内侧电压及初级线圈失超信号。其具有6位半测量精度，配合选用的7708型后面板插入卡可完成40通道差分输入信号测量，并通过GPIB总线和工控机连接。通过选择合适量程实现最佳的采样分辨率，通过调整AD积分时间改变采样速率。Keithley 2700仪器设置100 mV量程，采集速率为中速，数字滤波，此时各通道电压测量在1 mV时的测量精度为±0.5%。

3台Keithley 2182表分别测量左右接头外侧电压，接头通电电流。Keithley 2182是7位半数字表，双通道输入。为保证精度，每块表用通道1测量。3台2182通过GPIB接口线串联，再连接到工控机上。每台仪器设置10 mV量程，采集速率为中速，数字滤波，此时电压测量在50 uV时测量精度为±0.5%。

软件部分采用LabVIEW作为开发平台，实现多通道数据的采集、处理与显示，以及数据的存储和对历史数据的回放。软件界面友好，利用LabVIEW提供的文件I/O函数集，可以在线添加和编辑关系式，添加新的测量点，修改通道名称、关系式和单位等［5］，使测量更加灵活。数据采集任务停止后，可以通过数据回放选项，看到系统保存的数据文件列表，点击数据文件，会出现文件中各通道的数据索引，然后可以在Graph中可以看到整个采集过程中各通道数据的变化曲线。数据回放功能使用户在实时采集结束后，仍可以重新观察和深入处理采集数据［6］，以便对测试样品物理性能深入分析。

3 CC导体接头电阻的测量

将测试接头和超导变压器安装于不锈钢杜瓦中，先通入液氮进行预冷，加入液氮时要缓慢，避免急速冷却［7］。采集系统监测接头和超导变压器温度，达到77 K后保持一段时间。然后换用LHe冷却，把液氮排出并继续降温，直到温度降到4.2 K左右并稳定下来。调节失超保护平衡桥路，然后分别测量CC导体接头在在自场环境下，2－4－5－6－7－8 kA 通电电流时的电阻，其中每个电流台阶稳定通电时间维持在10 s以上。通电电流为6 kA和8 kA时的接头电压电流曲线如图4、图5所示，左右接头电阻的大小分别约为8.4 nΩ和9.3 nΩ，接头电阻测量精度小于±5%。

图4 通电电流为6 kA的接头电阻Fig.4 Resistance of joint at 6 kA current

图5 通电电流为8 kA的接头电阻Fig.5 Resistance of joint at 8 kA current

4 结论

介绍了ITER CC导体接头电阻测试装置，具体讨论了10 kA超导变压器的设计和研制，分析了失超保护系统原理以及数据采集系统构成。通过控制超导变压器初级线圈的电流上升率和上升时间，在次级线圈获得接头测试所需要的不同的通电电流。数据采集系统监测实验过程中的温度信号，电压电流信号，并根据每个通电电流台阶的接头电压电流值得出接头电阻值。测试装置系统已经应用到ITER CC导体接头电阻的测量中，装置满足ITER CC导体接头的测量要求。

1 施 毅.ITER CC导体测试装置超导变压器的设计与研究［D］.合肥:中国科学院等离子体物理研究所，2010.

2 刘华军，武 玉，施 毅，等.50kA超导变压器的设计与研制［J］.低温工程，2010(3):11－17.

3 任志斌，于 敏，刘华军，等.50kA超导变压器初级绕组设计制作及低温通电实验［J］. 低温与超导，2010，38(4):43－46.

4 龙 风，刘 方，施 毅，等.FAIR超导二极磁体实验失超保护系统设计与分析［J］.核聚变与等离子体物理，2008，28(4):333－336.

5 冯汉升，庄 明，夏根海，等.EAST低温复杂数据采集与处理系统设计［J］. 微计算机信息，2009，25(22):72－73.

6 张丙才，刘 琳，高广峰，等.基于LabVIEW的数据采集与信号处理［J］. 仪表技术与传感器，2007，(12):74－75.

7 于璟泽，毕延芳，丁开忠，等.ITER电流引线高温超导叠制作工艺及性能测试［J］. 低温物理学报，2009，31(1):87－90.