INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI Janusz KOZAK BADANIA ELEKTROMAGNESÓW NADPRZEWODNIKOWYCH W PROCESIE ICH WYTWARZANIA I EKSPLOATACJI Prace Instytutu Elektrotechniki zeszyt 265, 2014
SPIS TRE CI STRESZCZENIE... 9 WYKAZ OZNACZE I SKRÓTÓW... 10 1. WPROWADZENIE... 11 1.1 Cel i teza pracy... 14 1.2 Zakres pracy... 14 1.3 Podstawowe poj cia nadprzewodnictwa... 15 2. NADPRZEWODNIKOWE PRZEWODY NAWOJOWE... 18 2.1 Przewody nadprzewodnikowe LTS... 18 2.2 Ta my nadprzewodnikowe HTS... 23 3. CH ODZENIE ELEKTROMAGNESÓW NADPRZEWODNIKOWYCH... 31 3.1 Ciecze kriogeniczne... 31 3.2 Ch odzenie bezpo rednie cieczami kriogenicznymi... 32 3.3 Ch odzenie w k pieli ciek ego azotu... 33 3.4 Ch odzenie kontaktowe... 34 4. BUDOWA ELEKTROMAGNESÓW NADPRZEWODNIKOWYCH... 37 4.1 Przepusty pr dowe... 37 4.2 Kriostat... 41 4.3 Uzwojenia nadprzewodnikowe... 43 4.4 Nagrzewanie uzwoje wskutek quenchu... 52 4.5 Detekcja quenchu elektromagnesu i uk ady wyprowadzania energii... 55 4.6 Zabezpieczenie elektromagnesów po czonych szeregowo... 56 5. ZASTOSOWANIE ELEKTROMAGNESÓW NADPRZEWODNIKOWYCH... 58 5.1 Elektromagnes nadprzewodnikowy z ciep ym otworem... 60 5.2 Elektromagnesy nadprzewodnikowe do separacji magnetycznej... 61 5.3 Elektromagnesy nadprzewodnikowe do magazynowania energii SMES... 62 5.4 Elektromagnesy nadprzewodnikowe akceleratorów... 63 5.5 Elektromagnesy nadprzewodnikowe do grzania indukcyjnego... 66 5.6 Elektromagnesy nadprzewodnikowe w NMR i MRI... 67 6. POMIARY I TESTY ELEKTROMAGNESÓW ZBUDOWANYCH Z NADPRZEWODNIKA NISKOTEMPERATUROWEGO... 69 6.1 Urz dzenia i aparatura do przeprowadzenia testów... 70 6.2 Pomiary obwodów w elektromagnesie... 72 6.3 Pomiary izolacji uzwoje elektromagnesów... 73 6.4 Metody i procedury testowania elektromagnesów... 73 6.5 Test zabezpiecze elektromagnesu... 75 6.6 Test i trening elektromagnesu... 79 6.7 Analiza sygna ów podczas quenchu... 80 6.8 Lokalizacja zwar w elektromagnesie nadprzewodnikowym... 83 6.9 Pomiary rezystancji kontaktów diod zabezpieczaj cych... 84 6.10 Test ko cowy obwodów elektromagnesu przed instalacj w tunelu LHC... 85 7. BADANIA I MONITOROWANIE PRACY ZAINSTALOWANYCH ELEKTROMAGNESÓW... 89 7.1 Pomiary ci g o ci obwodów i zabezpiecze zainstalowanych elektromagnesów... 92 7.2 Pomiary izolacji uzwoje zainstalowanych elektromagnesów... 93 7.3 Pomiary przepustów pr dowych... 93
8. ELEKTROMAGNES ZBUDOWANY Z NADPRZEWODNIKA WYSOKOTEMPERATUROWEGO BSCCO 2223... 94 8.1 Projekt elektromagnesu nadprzewodnikowego z ta my HTS... 95 8.2 Budowa elektromagnesu nadprzewodnikowego z ta my HTS... 97 8.3 Model elektromagnesu w programie FLUX 3D... 97 8.4 Rozk ad indukcji magnetycznej w elektromagnesie... 99 8.5 Wyznaczenie parametrów pracy elektromagnesu... 100 9. METODA TESTOWANIA ELEKTROMAGNESU... 101 9.1 Pomiary elektryczne elektromagnesu... 101 9.2 Test elektromagnesu w temperaturze kriogenicznej... 102 10. PROGRAM STERUJ CY URZ DZENIAMI WCHODZ CYMI W SK AD STANOWISKA TESTOWEGO... 105 10.1 Komunikacja z miernikami... 105 10.2 Sterowanie zasilaczem... 108 10.3 Rejestracja danych kart pomiarow... 109 10.4 Detekcja quenchu i rejestracja danych... 113 11. TESTY ELEKTROMAGNESU HTS... 117 11.1 Pomiar rezystancji izolacji... 117 11.2 Pomiar rezystancji uzwoje i wyprowadze napi ciowych... 118 11.3 Pomiar ci g o ci obwodu elektromagnesu... 120 11.4 Zabezpieczenie elektromagnesu nadprzewodnikowego... 123 11.5 Zabezpieczenie urz dze pomiarowych... 124 11.6 Stanowisko pomiarowe... 126 11.7 Ch odzenie elektromagnesu... 126 11.8 Test elektromagnesu w zakresie temperatur kriogenicznych... 132 12. PODSUMOWANIE... 138 LITERATURA 140
CONTENTS ABSTRACT... 9 LIST OF SYMBOLS AND ACRONYMS... 10 1. INTRODUCTION... 11 1.1 Aim and thesis... 14 1.2 Scope of work... 14 1.3 Basic concepts of superconductivity... 15 2. SUPERCONDUCTING WIRES... 18 2.1 LTS wires... 18 2.2 HTS tapes... 23 3. COOLING OF SUPERCONDUCTING MAGNETS... 31 3.1 Cryogenic liquids... 31 3.2 Direct cooling... 32 3.3 Liquid nitrogen bath cooling... 33 3.4 Contact cooling... 34 4. SUPERCONDUCTING MAGNETS... 37 4.1 Curent Leads... 37 4.2 Cryostat... 41 4.3 Superconducting windings... 43 4.4 Heating of the coil after a quench... 52 4.5 Quench detection and external safety circuits... 55 4.6 Protection of a string of magnets.... 56 5. APPLICATIONS OF SUPERCONDUCTING MAGNETS... 58 5.1 A warm bore superconducting magnet... 60 5.2 Superconducting magnets for magnetic separation... 61 5.3 Superconducting magnetic energy storage SMES... 62 5.4 Superconducting magnets in accelerators... 63 5.5 Superconducting magnets for inductive heating... 66 5.6 NMR and MRI superconducting magnets... 67 6. TESTS OF SUPERCONDUCTING HTS MAGNETS MADE OF A LOW TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR... 69 6.1 Testing devices and measurements equipment... 70 6.2 Measurements of magnet circuits... 72 6.3 Insulation measurements of magnets windings... 73 6.4 Testing methods and procedures for superconducting magnets... 73 6.5 Test of magnet protection system... 75 6.6 Test and training of superconducting magnets... 79 6.7 Quench analysis... 80 6.8 Faults localization in superconducting magnets... 83 6.9 Measurements of protection diodes contact resistances... 84 6.10 The final magnet circuits test prior to installation... 85 7. TESTING AND MONITORING OF INSTALLED SUPERCONDUCTING MAGNETS... 89 7.1 Continuity test of magnet and protection circuits of installed magnets... 92 7.2 Measurements of insulation on installed superconducting magnets windings... 93 7.3 Measurements of current leads... 93
8. THE HTS SUPERCONDUCTING MAGNET MADE OF BSCCO 2223... 94 8.1 Desing of the HTS superconducting magnet... 95 8.2 HTS superconducting magnet... 97 8.3 FLUX 3D model of the HTS superconducting magnet... 97 8.4 Magnetic flux distribution in the HTS superconducting magnet... 99 8.5 Determination of parameters of the HTS magnet... 100 9. TESTING METHOD FOR THE HTS MAGNET... 101 9.1 Electrical measurement of the HTS magnet... 101 9.2 A HTS magnet test at a cryogenics temperature... 102 10. SOFTWARE TO CONTROL DEVICES ON THE TEST STAND... 105 10.1 Communication with the measurements equipment... 105 10.2 Power supply control... 108 10.3 Data acquisition card... 109 10.4 Quench detection and data acquisition... 113 11. THE HTS MAGNET TEST... 117 11.1 Insulation measurements... 117 11.2 Measurements of windings resistances and voltage taps... 118 11.3 Continuity test of the HTS magnet... 120 11.4 Protection system of the HTS magnet... 123 11.5 Protection of measurement equipment... 124 11.6 Test stand... 126 11.7 Cooling of the HTS magnet... 126 11.8 Test of the HTS magnet over a wide range of cryogenic temperatures... 132 12. CONCLUSIONS... 138 REFERENCES... 140