40T混合磁体外超导磁体储能泄放系统的设计
FAIR收集环二极超导磁体外杜瓦泄放系统的概念设计
FAIR收集环二极超导磁体外杜瓦泄放系统的概念设计
朱银锋
【期刊名称】《低温与超导》
【年(卷),期】2009(037)011
【摘要】对FAIR(Facility for Antiproton and Ion Research)收集环-
CR(Collector Ring)二极超导磁体外杜瓦的超压泄放系统进行了概念设计,给出了爆破片式的泄放系统结构,并基于ANSYS的结构分析初步确定了爆破片的结构参数;以及通过ANSYS对波纹管和外杜瓦进行了结构分析,分析结果表明波纹管和外杜瓦在超压状态下安全.文中的设计和分析研究,为外杜瓦的工程设计提供了有益的参考.
【总页数】5页(P29-32,65)
【作者】朱银锋
【作者单位】安徽建筑工业学院,机械与电气工程学院,合肥,230022
【正文语种】中文
【中图分类】TB6
【相关文献】
1.EAST外杜瓦泄放保护装置中爆破片的分析研究 [J], 盛道林;武松涛;朱银锋
2.FAIR收集环二极超导磁体电流引线的概念设计 [J], 朱银锋;吴维越;刘常乐
3.FAIR收集环超导二极磁体支撑设计与热负荷分析 [J], 朱银锋;武松涛;吴维越;徐厚昌;刘常乐
4.FAIR收集环二极超导实验磁体的研究 [J], 朱银锋;吴维越
5.EAST外杜瓦系统泄放装置的设计与实验研究 [J], 盛道林;武松涛;朱银锋
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考虑磁体动态特性的高温超导磁储能磁体设计
考虑磁体动态特性的高温超导磁储能磁体设计徐颖;唐跃进;任丽;刘洋;廖于翔;何清;金涛【期刊名称】《南方电网技术》【年(卷),期】2015(9)12【摘要】超导磁体是超导磁储能系统(SMES)的核心部件,其优化设计可以提高SMES的经济性和运行性能。
提出了一种考虑磁体动态特性的高温超导磁储能磁体设计方法,该方法以有限元方法为基础,选取遗传算法作为优化工具,对高温超导磁体的内径、单饼匝数和双饼个数进行了优化。
该方法将超导磁体的优化分为了两个部分,一次优化以磁体的用线量为优化目标,二次优化将交流损耗低为优化目标。
最后用此方法对储能容量为150 k J的高温超导磁储能磁体进行了优化设计,经过两次优化后的150 k J磁体方案兼具低用线量和低交流损耗的优点。
【总页数】5页(P65-69)【关键词】高温超导磁体;储能系统;优化设计;临界电流【作者】徐颖;唐跃进;任丽;刘洋;廖于翔;何清;金涛【作者单位】强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院);国网湖北电力公司电力科学研究院【正文语种】中文【中图分类】TM725;TM471【相关文献】1.高温超导磁储能(SMES)磁体直接冷却热输运过程研究 [J], 徐虹玲;王惠龄;石零;王建;李敬东;唐跃进;汪京荣;冯勇2.G-M制冷机在高温超导磁储能磁体直接冷却中的应用研究 [J], 吴钢;王惠龄;石零;王建;唐跃进;汪京容3.40T混合磁体外超导磁体储能泄放系统的设计 [J], 徐烟红;赵涛;张浩4.基于ARPSO的高温超导分层储能磁体优化设计研究 [J], 王静;朱英伟;李兆鑫;玄永伟5.基于磁-路耦合分析法的高温超导环形储能磁体电磁优化设计 [J], 丘明;饶双全;诸嘉慧;龚珺;袁炜嘉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
超导磁力储能工作原理
超导磁力储能工作原理超导磁力储能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）是一种高效、可靠的电力储能技术，被广泛应用于电力系统的稳定性调节、电压控制、电能品质提升等方面。
它基于超导材料的特性，利用超导体在零电阻状态下可以存储巨大的电磁能量，从而实现电力的高效储存。
本文将详细介绍超导磁力储能的工作原理及其应用。
一、超导磁力储能的基本原理超导磁力储能系统主要由超导线圈、冷却系统和功率控制系统组成。
其中，超导线圈是实现电磁能量储存的核心部件，冷却系统用于保持超导状态，而功率控制系统则用于实现能量的输入和输出控制。
1. 超导线圈：超导线圈通常采用超导材料制成，它的内部通过冷却系统维持在超导态。
超导材料具有零电阻和完全排斥磁场的特性，在零电阻状态下产生的电流可以无损地在超导线圈中流动，从而实现能量的存储。
2. 冷却系统：在超导磁力储能系统中，保持超导线圈在超导态需要低温环境的支持。
通常采用液氦冷却系统，将超导线圈冷却至临界温度以下，使其进入超导态。
通过冷却系统的维持，超导线圈的零电阻特性才能得到保证。
3. 功率控制系统：功率控制系统用于控制超导磁力储能的输入和输出。
当电网稳定时，超导线圈会接收电网输送的电能，将电能转化为磁能储存在超导线圈中。
而在电网需要补偿或发生故障时，超导线圈可以快速释放储存的磁能，将其转化为电能输出到电网中。
二、超导磁力储能的工作过程超导磁力储能的工作过程可以分为充放电两个阶段，即储能阶段和释能阶段。
1. 储能阶段：当电网供电稳定时，超导线圈会接收电网输送的电能，并将电能转化为磁能储存在超导线圈中。
在这个阶段，超导线圈处于超导态，电流可以无损地在超导线圈中循环。
2. 释能阶段：当电网发生故障或需要补偿时，超导磁力储能系统会迅速将储存的磁能转化为电能输出到电网中。
在这个阶段，超导线圈会失去超导态，电流开始在超导线圈中产生阻力，电能会迅速被释放。
40T混合磁体超导磁体失超保护系统设计的开题报告
40T混合磁体超导磁体失超保护系统设计的开题报告
一、背景及研究意义
混合磁体超导磁体是一种新型的超导磁体，由铜和超导线绕制而成。
其具有极高的磁场和电流稳定性，使其可以应用于如物理实验、磁共振
成像等领域。
然而，超导磁体在运行过程中，若由于某些原因使其失超，可能会引起严重的事故，甚至危及人身安全和设备安全。
因此，设计合
理的超导磁体失超保护系统，对于保障设备的安全运行具有重要意义。
二、研究目的和内容
本文旨在设计一种可靠的40T混合磁体超导磁体失超保护系统，保
证其在运行过程中失超时能够及时发现并采取相应的措施，从而确保设
备的安全运行。
具体研究内容包括：
1、制定合理的超导磁体失超保护系统方案；
2、设计超导磁体失超检测电路，实现对超导磁体失超的实时监测；
3、设计超导磁体失超保护电路，实现对失超事件的快速响应和处理。
三、研究方法
1、分析40T混合磁体超导磁体的失超机理；
2、调研国内外同类设备的失超保护系统方案及应用技术；
3、根据失超保护系统的设计原则和工作要求，制定合理的超导磁体失超保护系统方案；
4、设计失超检测电路和保护电路，并进行仿真和试验验证。
四、研究成果
本研究将设计出一种可靠的40T混合磁体超导磁体失超保护系统方案，包括失超检测电路和保护电路两部分。
保护系统实现实时监测和快
速响应，能够确保设备的安全运行。
同时，本研究也可为类似超导磁体失超保护系统的设计提供参考。
五、研究进展
目前研究进展良好，已经完成对失超机理的分析和失超保护系统方案制定。
接下来将进一步进行失超检测电路和保护电路的设计、仿真和试验验证。
40T混合磁体低温分配阀箱控制系统设计
40T混合磁体低温分配阀箱控制系统设计方明;欧阳峥嵘;李俊杰【摘要】40T稳态混合磁体低温分配阀箱控制系统基于S7-300系列PLC和WinCC组态软件,实现了集数据采集、数据处理、逻辑流程、泵阀控制、图形化监控以及数据记录与查询等功能于一体的自动化控制系统.该系统通过Profibus-DP 与以太网相结合,再辅以硬件上DP转光纤的方式,实现了高效稳定的系统通信网络.利用WinCC组态软件实现的图形化人机界面,实时显示系统中温度、压力、流量、液位等各种数据,增加了系统的灵活性.%Both S7-300 PLC and WinCC configuration software-based this 40T steady hybrid magnet's cryogenic distribution valve box control system can accomplish auto-control functions like data acquisition and processing,logic process,pump and valve control,graphical monitoring and data record and data query;and through the way of converting DP into fiber and combining with Profibus-DP and Ethernet,this system has a stable and efficient communication network;and through having the WinCC configuration software-based graphical man-machine interface adopted,the data such as temperature,pressure,flow and level can be displayed at real time to increase flexibility of the system.【期刊名称】《化工自动化及仪表》【年(卷),期】2017(044)007【总页数】4页(P682-685)【关键词】混合磁体;低温分配阀箱;WinCC;Profibus-DP【作者】方明;欧阳峥嵘;李俊杰【作者单位】中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心;中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心;中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心【正文语种】中文【中图分类】TH865强磁场实验装置(HMFF)项目是一个为化学、材料、物理及生命科学研究和多学科交叉研究提供理想稳态强磁场极端实验条件的装置，可最大程度地满足我国多学科前沿发展对强磁场实验条件的需求[1]。
40 T混合磁体低温分配阀箱真空系统设计
40 T混合磁体低温分配阀箱真空系统设计
刘烨芒;欧阳峥嵘;李洪强;曲继坤
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2013(000)004
【摘要】根据40 T稳态混合磁体低温分配阀箱对真空的要求,对低温分配阀箱真空系统进行了设计,设计结果如下:选择阀箱真空室的壳体形状,通过计算确定出真空室壳体壁厚为12 mm;选择封头形状,对封头强度进行校核,确定封头壁厚为16 mm;对整个真空系统抽真空泵机组进行选型,选出粗抽泵机组由一套ZJ-150罗茨泵和2XZ-30旋片式真空泵组成,主抽泵由一套F-100/ll0分子泵和2X-4旋片式机械泵组成,可达到阀箱对真空度的要求.
【总页数】4页(P38-40,59)
【作者】刘烨芒;欧阳峥嵘;李洪强;曲继坤
【作者单位】中国科学院强磁场科学中心合肥230031;中国科学院强磁场科学中心合肥230031;中国科学院强磁场科学中心合肥230031;中国科学院强磁场科学中心合肥230031
【正文语种】中文
【中图分类】TB611
【相关文献】
1.40T混合磁体低温分配阀箱多层绝热传热分析 [J], 曲继坤;欧阳峥嵘;李洪强;刘烨芒
2.40T混合磁体外超导磁体杜瓦真空系统设计 [J], 孟秋敏;欧阳峥嵘;李洪强
3.40T混合磁体低温分配阀箱控制系统设计 [J], 方明;欧阳峥嵘;李俊杰
4.基于PLC的40T混合磁体低温分配阀箱压力控制系统 [J], 方明;欧阳峥嵘
5.WinCC在40T混合磁体低温分配阀箱r控制系统中的应用 [J], 方明;欧阳峥嵘;周辰飞
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40T混合磁体冷屏热分析及测试
40T混合磁体冷屏热分析及测试张帅;欧阳峥嵘;李俊杰;孟秋敏【摘要】由中国科学院强磁场科学中心承建的40 T混合磁体装置由外超导磁体与内水冷磁体组成,在超导磁体杜瓦与超导线圈之间设置液氮冷屏.介绍了冷屏结构及冷却流程,并对冷屏热负荷进行了理论计算.对冷屏进行了降温测试,高场下稳定性测试及冷屏热负荷的测定.测试结果表明,冷屏满足降温要求,并可在高场下工作.就冷屏测试结果进行了分析,分析结果可用于冷屏设计及冷屏热负荷计算.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】5页(P14-17,23)【关键词】40 T混合磁体;冷屏;测试【作者】张帅;欧阳峥嵘;李俊杰;孟秋敏【作者单位】中国科学院强磁场科学中心合肥230031;中国科学技术大学合肥230026;中国科学院强磁场科学中心合肥230031;中国科学院强磁场科学中心合肥230031;中国科学院强磁场科学中心合肥230031;中国科学技术大学合肥230026【正文语种】中文【中图分类】TB661 引言由中国科学院强磁场科学中心承担的“十一五”国家大科学工程“稳态强磁场装置”的标志性装置—40 T混合磁体实验装置于2016年11月13日首次运行并达到40 T中心最高场强。
正常运行状态下，混合磁体中心场强分别由外部超导磁体11 T，内水冷磁体提供29 T构成 [1]，如图1所示，其中超导磁体采用4.5 K超临界氦迫流冷却。
为了降低超导磁体的热负荷，将超导磁体置于真空环境中，同时在磁体真空杜瓦中设置液氮冷屏。
液氮冷屏处于超导磁体与磁体杜瓦之间，冷屏维持在80 K左右。
为了保证超导磁体的正常运行，冷屏需要顺利降温，并稳定运行，因此对冷屏进行了降温测试。
同时冷屏工作于高场环境下，磁场的突变会对冷屏造成冲击，在冷屏内部形成感应涡电流，因此在磁场突变的极端情况下对冷屏进行了稳定性测试。
图1 混合磁体结构图Fig.1 Structure of hybrid magnet2 冷屏结构及冷却流程混合磁体冷屏处于磁体杜瓦中，磁体杜瓦内部动态真空度维持在2×10-5 Pa，其结构如图1所示。
超导储能磁体的失超保护装置_杨艳芳
（ ） 以在电压测量电路中进行校正，使ｖ１ －
Ｌ１ Ｌ２
ｖ２
＝０
以此来消除感应电势引起的误差．对测得的Ｐ 值进行
隔离、放大、滤波以及比较电路后转换成 ＤＳＰ 可以接
受 的 失 超 信 号 ．比 较 电 路 中 阈 值 的 设 定 通 过 实 验 来 测
量，并作为超导线圈失超保护的依据．
（２）失超保护电路原理
表 １ 超 导 单 饼 线 圈 的 参 数
项目
参数
混合磁体内径／ｍｍ
６５
混合磁体外径／ｍｍ
２２０
线圈总数
２０Leabharlann 临界电流／Ａ ５５／７７Ｋ
临界电流／Ａ
８５／６５Ｋ
其连接如图９所示：
图 １１ 环 境 异 常 液 晶 显 示
作环境异常．这是因 为 在 逆 变 阶 段 ＤＳＰ 收 到 上 位 机 发送的故障指令，输出Ｉ／Ｏ 信号由高电平转换为低电 平，驱动信号由低电平转换为高电平，保护电路启用， 将 磁 体 上 的 能 量 通 过 释 能 电 路 进 行 释 放 ，以 免 磁 体 被 烧坏．同时人机界面显示工作环境异常，保护电 路启 用 ．由实验结果 可 知 ，失 超 保 护 装 置 能 够 准 确 的 接 收 上位机发送的 指 令 ，并 及 时 触 发 失 超 保 护 电 路 ．同 时 人机界面能够正确的显示工作环境、保护电路及超导 磁体的工作状态，证明了该装置的有效性．
通 过 智 能 显 示 终 端 开 发 软 件 ，可 以 实 现 固 定 图 片 在人机界面终端的存储．人机界面如图 ８ 所示，由三 部 分 组 成 ：工 作 环 境 、保 护 电 路 以 及 超 导 磁 体 ，包 括 以 下 三 种 工 作 情 况 ：① 工 作 环 境 正 常 ，超 导 线 圈 未 失 超 ， 保 护 电 路 未 启 用 ；② 工 作 环 境 正 常 ，超 导 线 圈 失 超 ，保 护 电 路 启 用 ；③ 工 作 环 境 异 常 ，超 导 线 圈 失 超 ，保 护 电 路启用；其中红色字体及红色亮点表示各部分的工作 状态．如图８中的工作状态为工作环境正常、超导 线 圈１失超，保护电路启用．
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图 4 抑制外超导磁体电流急降过电压电路
根据图 4 电路列出分断微分方程组：
成本，在满足设计要求的前提下尽量使用简单、可 3 所示。
图 3 移能电阻的结构示意图
第3 期
徐烟红等． 40T 混合磁体外超导磁体储能泄放系统的设计
203
在急降退磁时，如果超导电源正负母排上的 DS 断路器同时分断，则会有 12kV 的弧压，这会使 得超导磁体绝缘被击穿。实测移能电阻的分散电
感 Lr 为 56μH，为此设计在磁体两端并联电容和 压敏电阻，如图 4 所示的抑制磁体两端过电压电 路。
上。但该系统设计的关键是提高急降退磁系统的 总长约 224m，分段切成各 1． 6m 长，每层不锈钢
可靠性，确保失超信号发出后，急降电阻能可靠无 按 V 形布置，并进行首尾焊接，在首尾两端分别
误地将储能吸收，为此本设计特别考虑细节问题， 采用 8kV 绝缘子固定在∠50mm × 5mm 不锈钢角
在各关键环节都做了优化处理，并在设计中考虑 钢上，而后放入柜内，分上下层排列，其结构如图
外超导磁体在每次快速断电退磁时性能都会 退化，频繁快速退磁极大地减少了超导磁体的使 用寿命，为此在设计超导磁体保护退磁时，设计了 两种退磁速度方案：一种是针对超导磁体电源主 回路断水、磁体阀箱真空度不足及低温制冷机等 普通故障的缓降退磁保护；一种是针对磁体失超 或者混合磁体内水冷磁体快速掉电等故障的急速 退磁保护。两种退磁方式分别采用不同的控制电 路，相互独立运行。超导磁体在励磁、退磁和稳场 过程中出现故障时，磁体存储的能量极有可能会 造成磁体损坏。由于磁体设计、加工等过程都极 其复杂，磁体损坏后无法恢复，故磁体必须设计一 套安全可靠的储能泄放系统。 1 缓降退磁
第3 期
徐烟红等． 40T 混合磁体外超导磁体储能泄放系统的设计
201
40T 混合磁体外超导磁体储能泄放系统的设计①
徐烟红 赵 涛 张 浩
（ 中国科学院强磁场科学中心）
摘 要 根据 40T 混合磁体外超导磁体的特性设计了一套包含两种能量泄放速度的储能泄放系统，并
对电路的关键பைடு நூலகம்节进行优化处理，极大地提高了系统的可靠性。
缓降退磁的控制电路采用软件实现，系统采 用 S7-300 PLC 模块。缓降退磁命令是由中控系 统统一采集各子系统故障并经处理后发出，为保
证可靠接收中控系统发出的缓降命令，本设计采 用 DP 总线和开关量 I / O 冗余通信方式。缓降退 磁控制流程如图 1 所示。
图 1 缓降退磁控制流程 缓降退磁势必造成磁体的涡流损耗增加，为 避免涡流损耗导致磁体失超，计算所得缓降退磁 端电压必须小于 200V，因此设计缓降退磁采用 Ｒt 为 14mΩ 的缓降移能电阻。40T 混合磁体外超导 磁体电源的主电路如图 2 所示，其中 L（1． 03H） 是超导磁体，Ｒt（14mΩ） 是一个浸泡在 1m3 容积 水箱中的不锈钢制成的缓降移能电阻，DK 与 QFDT 为直流 断 路 器，QF1 为 交 流 断 路 器，MOSFET
关键词 储能泄放系统 40T 混合磁体 失超保护 缓降退磁 急降退磁
中图分类号 TP274
文献标识码 A
文章编号 1000-3932( 2019) 03-0201-05
40T 混合磁体装置是中国科学院强磁场科学 中心承担的国家“十一五”重大科技基础设施，由 30T 的内水冷磁体和 10T 的外超导磁体两部分组 成。目前已经成功实现中心磁场强度为 40T 的国 家验收指标，且外超导磁体于 2017 年 12 月 26 日 成功产 生 11． 2T 的 中 心 磁 场。 外 超 导 磁 体 由 Nb3Sn CICC 绕 制 而 成，其 额 定 电 流 13． 42kA （11T） 、试验电流 14． 1kA（11． 5T） 、额定电压 5V、 超导磁体电感 1． 03H，因此在试验电流 14． 1kA 时 磁体储能高达 100MJ，受磁体绝缘限制磁体端电 压需小于 4kV（ 瞬时端电压要求小于 8kV） 。
① 作者简介： 徐烟红（1985-） ，工程师，从事超导电源设计和失超保护的设计工作，xyhong@ hmfl． ac． cn。
202
化工自动化及仪表
第 46 卷
为半导体开关。缓 降 退 磁 保 护 系 统 由 QF1、Ｒt、 DK、QF-DT 及 MOSFET 等部分组成。正常工作时 MOSFET 开关和 DK 开关断开，其他断路器均闭
时默认断路器按缓降分断的思路设计。
两部分进行阐述。
2 急降退磁
2． 1 急降移能电阻及抑制磁体瞬态过电压设计
外超导磁体进入急降退磁的判据为：经过二
常用的急降移能电阻有线性电阻和非线性电
次补偿的电压大于失超阈值电压 50mV，并且在 阻两种。非线性电阻能实现储能的恒压移能，本
失超探测延迟时间为 400ms 内持续大于阈值电压 设计中比线性电阻移能快 1． 5 倍，但其价格昂贵，
泄放回路的时间常数 τ≈3． 62s。
阻的关键是减少其分散电感并抑制它在储能转移
目前，国外各大强磁场混合磁体外超导磁体 过程中产生的过电压。
的急降退磁原理都类似，即快速分断供电回路并
为 焊 接 方 便 可 靠，线 性 移 能 电 阻 采 用 厚
将储能转移到并联在磁体两端的急降移能电阻 8mm、宽 72mm、截面积为 576mm2 的 304 不锈钢，
或者检测到内水冷磁体超过 1kA / s 速度下降。急 是普通线性电阻的 5 倍。考虑成本问题，本设计
降主回路由图 2 中的 QF-DS1 ～ QF-DS4 直流断路 采用线性电阻移能，并且选用强度较高、熔点高且
器和急降移能电阻 Ｒe（0． 284Ω） 构成，设计储能 比热大的 304 不锈钢材料制作。设计线性移能电
合；缓降退磁时分别断开 QF1、DT，并在 QF1 断开 后闭合 MOSFET 开关和 DK 断路器，磁体的储能 通过电阻 Ｒt 发热消耗。
图 2 40T 混合磁体外超导磁体电源主电路
为防止 PLC 系统掉电故障导致缓降不能正 靠、成本低的方案。下面从急降移能电阻及抑制
确执行，所有缓降断路器的控制均采取 PLC 断电 磁体瞬态过电压设计和急降断路器控制回路设计