分布式光纤测温 -Bi2223/Ag绝缘双饼线圈的失超检测_分布式感温光纤如何施工

 

1.分布式光纤测温的工作原理

摘要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文章利用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。

2.分布式光纤温度传感器优点

选择2根空间分辨率为1 cm、采样频率为1 Hz的光纤传感器检测绝缘双饼线圈温度，进行失超传播实验结果表明，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10 s，而且可用于热点定位。

3.分布式光纤测温仪

文章证实了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。

4.分布式光纤测量

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1 μV/cm作为失超标准线圈在77 K液氮环境中的临界电流约为90 A

5.分布式光纤测温技术

图1（a）Bi2223/Ag绝缘双饼线圈 ( b)线圈加热器位置线圈具体参数如下表所示表1 HTS 线圈参数参数数值参数数值线圈尺寸 mm160-172带材长度 m20带材尺寸 mm4.8*0.27双饼线圈匝数

6.分布式测温光缆的光纤类型为

18*2临界电流90A@77K电感 mH0.383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：1.5 cm)，并使用环氧树脂进行密封和绝缘。

7.分布式光纤测温说明书

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。

8.分布式光纤测温测试标准

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。

9.分布式光纤测温怎么定位?

(a)光纤传感器安装和7个测量点(b)安装光纤、加热器及VTs的线圈实物图图2 实验样品线圈设计通过液氮气冷将线圈保持在约77 K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。

10.分布式光纤测温传感器

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(< Ic)，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1.5 A，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(2 mV)，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4 s

(a) 径向失超传播曲线 (b) 沿电流方向失超传播曲线图3 第1饼线圈的光谱偏移和端电压轨迹(I pulse=1.5A)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=2 mm/s，V axial =2.08 cm/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16.20 m-13.70 m，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，I op=60A，线圈在热扰动(I pulse =1 A)的作用下，端电压最高达到4.3 mV，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

(a)自场、lop=60 A (b)自场、lop=70 A图4第2饼线圈径向的光谱偏移和端电压轨迹(I pulse=1 A)同样，在相同的热干扰下，I op=70 A，如图4(b)所示，发生可恢复失超事件，端电压的峰值高达6.5 mV。

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，70 A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0.03 mm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实验结论本文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。

更详细内容请浏览如下原文Quench Detection of Bi2223/Ag Insulated Double-Pancake Coil Using Distributed Optic Fiber Sensor。