感應(yīng)加熱用傳導(dǎo)冷卻YBCO高溫超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究

王曉勇， 張 東， 馬 韜， 靖立偉， 梁 爽

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；3. 中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190)

感應(yīng)加熱用傳導(dǎo)冷卻YBCO高溫超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究

王曉勇1,2,3， 張 東1,2,3， 馬 韜1,3， 靖立偉1,3， 梁 爽1,2,3

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；3. 中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190)

與傳統(tǒng)的高頻交流感應(yīng)加熱技術(shù)相比，高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)能夠大幅度提升低電阻率、非鐵磁性金屬材料的透熱處理加工效率。在高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱系統(tǒng)中，超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文對傳導(dǎo)冷卻YBCO高溫超導(dǎo)磁體進(jìn)行通流實(shí)驗(yàn)，通過布置在磁體不同位置的多個(gè)溫度傳感器來監(jiān)測各部分的溫度情況，以溫度能否在安全范圍內(nèi)趨于平穩(wěn)作為判定條件研究超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，本文還研究了磁體載流的幅值與上升速率對磁體溫升的影響。結(jié)果表明，高溫超導(dǎo)磁體在傳導(dǎo)冷卻條件下，其長期安全穩(wěn)定運(yùn)行電流值的安全裕度因子選擇通常比浸泡冷卻式磁體略低，對于運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)磁體，安全裕度因子可取為0.65；傳導(dǎo)冷卻磁體遠(yuǎn)端導(dǎo)熱性能差，可通過增加導(dǎo)冷點(diǎn)以及改善傳熱的方式來彌補(bǔ)冷卻不均的缺陷；在磁體能夠穩(wěn)定運(yùn)行的一定范圍內(nèi)，電流不同的上升速率對最終溫升無明顯影響。本文的研究成果將為今后大型傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性分析與安全運(yùn)行提供有價(jià)值的參考。

傳導(dǎo)冷卻； 高溫超導(dǎo)； YBCO磁體； 熱穩(wěn)定性

1 引言

在低電阻率、非鐵磁性金屬材料的透熱處理加工領(lǐng)域，采用傳統(tǒng)的交流高頻感應(yīng)加熱技術(shù)的加熱效率只有50%左右。文獻(xiàn)[1]首次提出將高溫超導(dǎo)(HTS)帶材應(yīng)用于感應(yīng)加熱技術(shù)，可使其效率得到顯著提升，但其提升幅度受制于HTS帶材的性能。近年來，隨著超導(dǎo)材料及低溫制冷技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，高溫超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)在電纜、飛輪儲能、限流器、發(fā)電機(jī)等電力設(shè)備[2-10]應(yīng)用方面進(jìn)行了示范運(yùn)行。因此，在這種技術(shù)背景下，基于直流的新型高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)的提出和實(shí)現(xiàn)具備了可行性。由于高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)可以充分發(fā)揮超導(dǎo)材料直流無阻載流、傳輸電流密度大的優(yōu)勢，并具有工件加熱快速、均勻，透熱處理過程可重復(fù)性好、清潔無污染，設(shè)備安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，漸漸成為研究的熱點(diǎn)并已經(jīng)取得了工程上的應(yīng)用[11-13]。超導(dǎo)磁體作為感應(yīng)加熱系統(tǒng)中的核心組成部分，需運(yùn)行于低溫環(huán)境，通常采用傳導(dǎo)冷卻或浸泡冷卻兩種方式。傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體具有無需補(bǔ)液、運(yùn)行維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)緊湊、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，目前正在很多應(yīng)用領(lǐng)域逐步取代浸泡冷卻磁體[14]。與低溫超導(dǎo)磁體相比，高溫超導(dǎo)磁體具有更高的運(yùn)行溫區(qū)以及更優(yōu)良的抵抗瞬態(tài)熱擾動的能力，但由于高溫超導(dǎo)磁體在勵磁、退磁過程以及接頭處產(chǎn)生熱損耗，如果這些熱量不能夠被及時(shí)地移除，磁體會因本身熱量積累而持續(xù)升溫最終引起失超，甚至?xí)Υ朋w造成永久性損壞。尤其是在傳導(dǎo)冷卻條件下，一些高溫超導(dǎo)磁體會在運(yùn)行電流低于臨界電流時(shí)出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，更易造成磁體的不穩(wěn)定。因此，超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性問題是決定高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)能否安全運(yùn)行和實(shí)用化的關(guān)鍵。

目前，在傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體熱穩(wěn)定性研究方面，已有國內(nèi)外的眾多學(xué)者進(jìn)行了一系列工作，包括高溫超導(dǎo)磁體在暫態(tài)[15,16]、過流[17]狀態(tài)下的熱特性研究，提出基于熱失控電流及電流分流溫度[18，19]的穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)等。但現(xiàn)有的研究主題大多為高溫超導(dǎo)儲能(SMES)磁體，而感應(yīng)加熱磁體運(yùn)行的穩(wěn)定性直接關(guān)系到磁場分布，進(jìn)而影響被加熱工件的加工質(zhì)量，所以更關(guān)注于其產(chǎn)生的背景磁場分布以及磁場穩(wěn)定性。相比較而言，實(shí)際上是對感應(yīng)加熱磁體的穩(wěn)定性提出了更高的要求，因而本文實(shí)驗(yàn)從溫度以及電壓變化的角度分析探究感應(yīng)加熱磁體的熱穩(wěn)定性問題。

為了研究YBCO高溫超導(dǎo)磁體在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中的熱穩(wěn)定性問題，本文在18.5K傳導(dǎo)冷卻條件下對YBCO高溫超導(dǎo)磁體進(jìn)行通流實(shí)驗(yàn)，改變通流的電流值，從而確定其安全穩(wěn)定運(yùn)行電流，并將該電流值與磁體臨界電流的比值確定為磁體的安全裕度因子；通過布置于磁體不同位置的溫度傳感器的溫度變化，監(jiān)測磁體的運(yùn)行情況，進(jìn)而確定磁體性能；并通過實(shí)驗(yàn)研究了電流不同幅值和上升速率對磁體溫升的影響。本實(shí)驗(yàn)的研究與分析，將為今后大型傳導(dǎo)冷卻高溫超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定分析與安全運(yùn)行提供有價(jià)值的參考。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

YBCO高溫超導(dǎo)磁體的參數(shù)如表1所示。為了研究該磁體在傳導(dǎo)冷卻條件下的熱穩(wěn)定性，在該磁體內(nèi)部的不同部位布置了6個(gè)溫度傳感器，其位置分布如表2所示。其中，T1與T3相對，T2與T4、T5相對，T4、T5因處于磁體端部而受到較強(qiáng)的垂直磁場，T6位于磁體的電流引線附近。

表1 磁體參數(shù)Tab.1 Parameters of superconducting magnet

傳導(dǎo)冷卻磁體總體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。利用真空泵使得磁體系統(tǒng)在杜瓦內(nèi)接近真空(5.6×10-2Pa)環(huán)境，采用兩臺G-M制冷機(jī)AL600和AL325進(jìn)行冷卻。采用數(shù)字電壓表配合多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等進(jìn)行溫度、電壓測量，實(shí)驗(yàn)測試平臺如圖2所示。

表2 溫度傳感器位置Tab.2 Arrangemet of temperature sensors

圖1 傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體示意圖Fig.1 Schematic of conduction-cooled magnet

圖2 實(shí)驗(yàn)測試平臺Fig.2 Experimental platform

3 熱穩(wěn)定性分析

高溫超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性取決于其焦耳熱損耗與系統(tǒng)漏熱等產(chǎn)熱總量以及冷卻總量之間的平衡。高溫超導(dǎo)磁體的焦耳熱損耗主要有HTS帶材的交流損耗及接頭電阻損耗等。當(dāng)產(chǎn)熱總量低于冷卻能力時(shí)，高溫超導(dǎo)磁體的溫度會隨著電流可逆地上升；而當(dāng)產(chǎn)熱總量超過冷卻能力時(shí)，磁體的溫度隨電流上升的過程將不再可逆，并會引起熱失控現(xiàn)象[20]。

在磁體產(chǎn)熱方面，高溫超導(dǎo)磁體勵磁和退磁過程中會產(chǎn)生交流損耗。此外，由于磁體外部空間的溫度比磁體溫度要高，因此還存在著杜瓦內(nèi)部的對流漏熱、杜瓦內(nèi)壁對磁體的輻射漏熱以及電流引線的漏熱。由于實(shí)驗(yàn)前杜瓦內(nèi)真空度達(dá)10-2Pa量級，此狀態(tài)下剩余氣體足夠稀薄，可忽略對流漏熱；對于輻射漏熱與電流引線的漏熱均有實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。所以，制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻的超導(dǎo)磁體其熱傳導(dǎo)方程可概括表示為[21-23]：

(1)

Qf=QJ+Qcp+Qv

(2)

QJ=IopEΔl/V

(3)

(4)

式中，T為高溫超導(dǎo)磁體溫度；t為運(yùn)行的某一時(shí)刻；C為高溫超導(dǎo)材料及環(huán)氧板等的比熱；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Qe為接頭電阻損耗、輻射漏熱、電流引線漏熱等；Qf為高溫超導(dǎo)體的交流損耗；QC為制冷機(jī)的制冷量；QJ為磁體通流狀態(tài)下磁體的n指數(shù)損耗量；Qcp為耦合損耗；Qv為渦流損耗；Iop為磁體運(yùn)行電流；E為磁體通流狀態(tài)下的電勢；Δl為磁體的超導(dǎo)帶長度；V為熱干擾點(diǎn)區(qū)域的體積；n為高溫超導(dǎo)帶材的指數(shù)；EC為高溫超導(dǎo)帶材的失超判定標(biāo)準(zhǔn)，通常取為1μV/cm；IC為磁體的臨界電流。

制冷機(jī)的冷卻特性曲線如圖3所示?？梢娭评錂C(jī)冷頭的制冷功率是冷頭溫度的函數(shù)，而冷頭溫度又是在制冷機(jī)冷卻功率和磁體發(fā)熱功率平衡后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的溫度值。

圖3 制冷機(jī)冷卻特性曲線Fig.3 Cooling characteristic curve of cooler

在高溫超導(dǎo)磁體穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由式(3)、式(4)可知，當(dāng)運(yùn)行電流Iop接近臨界電流IC時(shí)，會引起高溫超導(dǎo)體的較大電壓降，進(jìn)而產(chǎn)生較大的指數(shù)損耗。高溫超導(dǎo)磁體的指數(shù)損耗使得其熱穩(wěn)定性研究不能簡單地應(yīng)用低溫超導(dǎo)磁體基于分流溫度的穩(wěn)定性判定方法，需要更進(jìn)一步的理論及實(shí)驗(yàn)研究。

下文將通過實(shí)驗(yàn)研究感應(yīng)加熱用高溫超導(dǎo)磁體的產(chǎn)熱總量及傳導(dǎo)冷卻能力之間的平衡關(guān)系，分析超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性。

4 實(shí)驗(yàn)方法

4.1 超導(dǎo)磁體穩(wěn)態(tài)通流實(shí)驗(yàn)

開啟兩臺制冷機(jī)(AL600和AL325)，經(jīng)過約90h將實(shí)驗(yàn)平臺冷卻至最低溫度約為18.5K，此時(shí)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)。降溫過程中各溫度傳感器顯示的溫度變化如圖4所示。

圖4 降溫過程溫度變化Fig.4 Temperature variations during cooling process

以0.5A/s的速率向磁體通入幅值為5A的電流，保持30min，記錄通流前后各溫度傳感器的讀數(shù)變化；通入幅值為10A、15A的電流，重復(fù)實(shí)驗(yàn)；通入幅值為20A的電流，由于幅值增加，將保持時(shí)間延長至2h，記錄通流前后各溫度傳感器的讀數(shù)變化。

變溫實(shí)驗(yàn)平臺采樣時(shí)間間隔為5s，從電流幅值達(dá)到25A時(shí)開始，以加載電流后4h過程中溫度的變化作為判斷磁體能否在穩(wěn)態(tài)過程安全運(yùn)行的依據(jù)。通入電流由25A逐漸增加至75A進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次增幅為5A。

隨后，又進(jìn)行了加載電流80A、85A、90A(端電壓0.2μV/cm)、95A、100A(端電壓0.25μV/cm)、105A、110A(端電壓0.3μV/cm)、115A(端電壓0.35μV/cm)、120A(端電壓0.4μV/cm)、135A(起始端電壓0.43μV/cm)的實(shí)驗(yàn)。研究超導(dǎo)磁體在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各處溫度變化。

4.2 電流上升速率對溫升影響實(shí)驗(yàn)

待磁體重新冷卻至18.5K，達(dá)到熱平衡狀態(tài)。以120A為磁體能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行的安全電流Is，選取50%Is和90%Is，研究通入電流為以下情況時(shí)的磁體溫度變化：

(1) 幅值60A,上升速率為0.05A/s和5A/s。

(2) 幅值110A,上升速率為 0.05A/s、0.5A/s、5A/s和50A/s。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 磁體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)定性

在磁體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行研究中，磁體交流損耗的主要部分為指數(shù)損耗，產(chǎn)生的熱量主要體現(xiàn)在溫度變化上，電壓的變化反映出磁體的電磁性能，兩者共同表征出磁體的熱穩(wěn)定性。

磁體通入5A、10A、15A、20A電流時(shí)，在整個(gè)通流過程中，溫度讀數(shù)幾乎不變，上下浮動不超過0.05K，磁體能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

磁體通入25～75A電流時(shí)，磁體的溫度略有上升，與前一次通流后的穩(wěn)定溫度相比，上升幅度基本都在0.5K以內(nèi)，通常在通入電流后1h左右溫度開始趨于穩(wěn)定，磁體能夠穩(wěn)定運(yùn)行。其中，在加載75A電流時(shí)，磁體兩端電壓達(dá)到了0.1μV/cm，如圖5所示；與加載70A電流時(shí)的穩(wěn)定溫度相比，溫度約上升0.3K，如圖6所示。

圖5 加載75A電流時(shí)電壓變化Fig.5 Results of voltage when loading 75A current

圖6 加載70A電流時(shí)溫度變化Fig.6 Results of temperature when loading 70A current

在加載電流80～135A過程中，加載電流120A及以下時(shí)，磁體溫度均能夠在4h內(nèi)逐漸穩(wěn)定，每次增加5A電流后的溫升基本在2K以內(nèi)；為了保持結(jié)果的可靠性，通入115A與120A電流后的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長均延長至6.5h，結(jié)果表明，磁體能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

加載135A電流時(shí)，在1h之內(nèi)，觀察到磁體溫度不斷上升(如圖7所示)，且端電壓從0.43μV/cm上升至0.57μV/cm并仍有上升趨勢(如圖8所示)，考慮到電壓和溫度持續(xù)上升，說明超導(dǎo)磁體內(nèi)部產(chǎn)熱總功率已大于傳導(dǎo)冷卻功率，系統(tǒng)內(nèi)形成正反饋。為保護(hù)磁體，切斷電流。

圖7 加載135A電流時(shí)溫度變化Fig.7 Results of temperature when loading 135A current

圖8 加載135A電流時(shí)電壓變化Fig.8 Results of voltage when loading 135A current

在這一過程中，研究磁體不同部位的溫升情況，選取各個(gè)溫度傳感器5個(gè)最高和最低溫度的平均值作為磁體各個(gè)位置點(diǎn)的最高和最低溫度，對應(yīng)的差值即為其溫升，如表3所示。結(jié)果顯示，T5溫度傳感器溫升最高，為11.48K；T3和T4溫度傳感器次之，分別為11.43K和11.42K；T6溫度傳感器溫度最先開始上升且開始階段上升最快，表明此處距熱點(diǎn)位置近且電流引線處傳熱效果明顯，但溫升為8.42K，說明發(fā)熱量相對較小。從溫度的分布及冷卻傳導(dǎo)路徑綜合考慮，可以看出在磁體偏下的位置附近，磁體發(fā)熱較多、冷卻效果欠佳，需通過增加導(dǎo)冷點(diǎn)或改善傳熱等措施來提高磁體的穩(wěn)定性。

除了溫度方面，從電磁角度考察磁體兩端電壓變化，通入電流75A、115A、120A和135A時(shí)磁體兩端電壓變化如圖9所示。對通入135A電流時(shí)電壓曲線進(jìn)行擬合，得到曲線擬合方程：U=-3.66×10-9t2+5.14×10-5t+0.433，擬合度R2為0.871，殘差平方和RSS為0.638，可以明顯看出電壓上升的趨勢。

表3 磁體不同位置溫升Tab.3 Temperature rises at different positions

圖9 通入電流75A、115A、120A、135A時(shí)電壓變化Fig.9 Results of voltage when loading 75A, 115A, 120A, 135A current

結(jié)果表明，隨著載流幅值的增大，磁體指數(shù)損耗與各部分漏熱也隨之增加，因而磁體溫度逐漸升高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符。從溫度及電壓變化情況得知，磁體在傳導(dǎo)冷卻18.5K條件下能夠長期安全穩(wěn)定運(yùn)行電流為120A，此時(shí)對應(yīng)的安全裕度因子為0.65；而當(dāng)通入135A電流時(shí)不能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，但運(yùn)行時(shí)長在1h之內(nèi)的溫升尚在磁體可承受的安全范圍，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在這段時(shí)間內(nèi)及時(shí)采取措施以保護(hù)磁體不受損壞。

5.2 電流上升速率對磁體穩(wěn)定性的影響

由于在電流上升過程中幅值一直在變化，如第3節(jié)熱穩(wěn)定性分析所述，磁體的交流損耗增加了渦流損耗及耦合損耗部分，磁體的產(chǎn)熱及制冷機(jī)的功率也隨之改變，實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)過程。因而本實(shí)驗(yàn)側(cè)重于從最終溫度這一宏觀指標(biāo)來探究電流不同幅值與上升速率對磁體穩(wěn)定性的影響。

通入60A的電流時(shí)，溫度變化情況如圖10所示。磁體各位置上的溫度分布及趨勢基本一致。對于電流上升速率為0.05A/s的情況，溫度隨時(shí)間而上升，曲線形狀先為凹曲線后為凸曲線，經(jīng)過大約3400s達(dá)到穩(wěn)定，溫升約為0.8K；對于電流上升速率為5A/s的情況，溫度隨時(shí)間上升的形狀為凸曲線，經(jīng)過大約3760s達(dá)到穩(wěn)定，從溫度開始上升到趨于平穩(wěn)的時(shí)間比0.05A/s情況下要長6min左右，溫升約為0.9K。

圖10 電流幅值為60A時(shí)不同上升速率對溫升影響Fig.10 Impacts of different current ramp rates on temperature rises when loading 60A current

通入110A的電流時(shí)，溫度變化情況如圖11所示。磁體各位置上的溫度分布及趨勢也基本一致。對于電流上升速率為0.05A/s的情況，溫度隨時(shí)間而上升，曲線形狀先為凹曲線后為凸曲線，經(jīng)過大約6500s達(dá)到穩(wěn)定，最大溫升約為5.6K；對于電流上升速率為0.5A/s、5A/s和50A/s的情況，溫度隨時(shí)間上升的形狀為凸曲線，經(jīng)過大約7200s達(dá)到穩(wěn)定，從溫度開始上升到趨于平穩(wěn)的時(shí)間比0.05A/s情況下要長約10min，最大溫升約為6K。

圖11 電流幅值為110A時(shí)不同上升速率對溫升影響Fig.11 Impacts of different current ramp rates on temperature rises when loading 110A current

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在磁體能夠穩(wěn)定運(yùn)行的一定范圍內(nèi)，電流不同的上升速率對于磁體最終溫度的影響僅為0.488%和2.02%，只有在電流變化非常緩慢的情況下(比如0.05A/s)，出現(xiàn)溫度升高先慢后快再變慢的情況，而且溫度趨于穩(wěn)定的時(shí)間也比電流變化較快的情況稍短。根據(jù)式(1)～式(4)，這種現(xiàn)象的原因可以解釋為，由于電流變化非常緩慢，因外場引起的磁滯損耗、渦流損耗和耦合損耗部分大幅減少，同時(shí)超導(dǎo)磁體載流時(shí)產(chǎn)生的熱量能夠比較及時(shí)地散發(fā)出來，不會過多地積累，在傳熱情況不是很理想的傳導(dǎo)冷卻方式下更有利于使各部分較快地達(dá)到熱平衡。

6 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了傳導(dǎo)冷卻YBCO高溫超導(dǎo)磁體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性，通過加載電流從5A逐步升高至135A過程中的溫度變化，確定該磁體的最大穩(wěn)定運(yùn)行電流；并通過磁體各位置的溫升情況推斷磁體性能特點(diǎn)。此外還研究了電流不同幅值和上升速率對磁體溫升的影響。該定量實(shí)驗(yàn)將為傳導(dǎo)冷卻高溫超導(dǎo)磁體熱穩(wěn)定性研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)而對其安全穩(wěn)定運(yùn)行及應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。本文研究的結(jié)論概括如下：

(1)傳導(dǎo)冷卻高溫超導(dǎo)磁體的長期安全運(yùn)行電流除了受到臨界電流和分流溫度的影響，在達(dá)到導(dǎo)體分流溫度之前，為了避免磁體的溫度持續(xù)上升，對于長期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行于18.5K溫區(qū)的磁體，本文將其安全因子選擇為0.65。由于實(shí)際運(yùn)行磁體的安全因子選擇與冷卻周長、傳熱效率、磁體體積等因素相關(guān)，該結(jié)論可作為相似傳導(dǎo)冷卻條件下的同類磁體安全因子值選擇的參考。

(2)通過溫度傳感器顯示的溫升及相應(yīng)位置可以確定磁體內(nèi)的熱點(diǎn)在磁體下端、稍靠外的位置(T4、T5附近)，應(yīng)注意加強(qiáng)對此部分的冷卻。T4、T5位置為磁體距冷頭較遠(yuǎn)處，導(dǎo)熱性能差，可通過增加導(dǎo)冷點(diǎn)以及改善傳熱的方式來彌補(bǔ)冷卻不均的缺陷，進(jìn)而提升磁體的熱穩(wěn)定性。

(3)當(dāng)電流幅值在小于長期安全運(yùn)行電流的一定范圍內(nèi)，以不同上升速率施加相同幅值的電流對磁體最終溫升幾乎沒有影響(小于2%)，只有在電流變化非常緩慢的情況(比如0.05A/s)下溫度上升的過程略有不同。

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Experimental research on thermal stability of conduction-cooled YBCO magnet for induction heating

WANG Xiao-yong1,2,3， ZHANG Dong1，2,3， MA Tao1,3， JING Li-wei1,3，LIANG Shuang1,2,3

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Applied Superconductivity, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

DC superconducting induction heating method can be much more efficient in metal preheating process when billets are made of low-resistivity and non-magnetic materials as compared with the traditional AC induction heating techniques. In a high temperature superconducting (HTS) induction heating system, the stability of the HTS magnet is crucial to ensure its safe operation. In this paper, a HTS YBCO magnet has been tested under conduction-cooled circumstances. It is chosen as a stability criterion that whether the temperature rises can tend to be steady within the safety margin. The temperature distributions were evaluated by sensors located at different positions of the magnet. Furthermore, the effects of different current ramp rates on temperature rises were investigated. It is found that for the safe operating current of a conduction-cooled YBCO magnet, the safety factor value usually smaller than that of an immersion cooled HTS magnet. For the operating magnet in this paper, the safety factor can be chosen as 0.65. Because the remote terminal of a conduction-cooled magnet has poor ability of heat transmission, it can be helpful to cover the shortage of uneven cooling by adding cooling points and improving heat transfer methods. It is also presented that different current ramp rates have little influence on the final temperature rises within the given range in which the magnet can operate stably. The tested and analyzed results in this paper are of great significance for studies on thermal stability analysis and safe operation of large-scale HTS magnets.

conduction-cooled; HTS; YBCO magnet; thermal stability

2016-06-24

國家自然科學(xué)基金(51477168)資助項(xiàng)目

王曉勇(1991-)， 女， 遼寧籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)； 張 東(1977-)， 男， 黑龍江籍， 副研究員， 碩導(dǎo)， 研究方向?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)電力應(yīng)用。

TM26

A

1003-3076(2017)04-0016-08