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
发布时间：2020-12-10 09:20:21 热度：1648
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
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
