RU2018200C1 - Normal-phase detector for winding of superconducting magnetic system incorporating circulating cooling system - Google Patents

Abstract

FIELD: superconductor engineering. SUBSTANCE: to make sure that winding has acquired normal state, its several parameters are checked, including additional one (in addition to normal-phase voltage), that is, pressure drop in cooling ducts of superconducting cable of winding. Device providing for checking additional parameter has normal-phase sensor 1, time selectors 2 and 7, actuators 3 and 8, coolant flow meter 4, coolant pressure drop sensor 5, variable adder 6, double-input AND circuit 9. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технической серхпроводимости и может быть использовано при построении защиты и диагностики электромагнитной системы термоядерных реакторов. The invention relates to technical conductivity and can be used in the construction of protection and diagnostics of the electromagnetic system of thermonuclear reactors.

Известны устройства обнаружения нормальной фазы (УОНФ), основанные на измерении давления в криостате, полного напряжения на обмотке, затухания тока магнита. Указанные способы обладают низкой чувствительностью обнаружения нормальной фазы, и применяются поэтому как дополнительные-резервные. Known devices for detecting the normal phase (UONF), based on measuring the pressure in the cryostat, the total voltage on the winding, the attenuation of the magnet current. These methods have a low detection sensitivity of the normal phase, and therefore are used as additional backup.

Наиболее близкими к предлагаемому являются способ и устройство, основанные на измерении активной составляющей электрического напряжения на обмотке магнита с применением компенсации реактивного напряжения, для чего формируют специальное компенсирующее напряжение, пропорциональное скорости изменения тока или поля магнита, и не содержащего напряжения нормальной фазы, и уравновешивают его с полным напряжением на исследуемой части обмотки. Способ хорошо разработан и используется как основной для диагностики сверхпроводящих магнитных систем. Closest to the proposed are a method and a device based on measuring the active component of the electric voltage on the magnet winding using reactive voltage compensation, which form a special compensating voltage proportional to the rate of change of the current or field of the magnet, and not containing the voltage of the normal phase, and balance it with full voltage on the studied part of the winding. The method is well developed and used as the main one for the diagnosis of superconducting magnetic systems.

Недостатком описанных устройств является низкая помехозащищенность обнаружения нормальной фазы при работе защищаемой магнитной системы в условиях интенсивных внешних импульсных магнитных полей. Такие поля создают электромагнитную наводку на обмотку защищаемой магнитной системы, которая ограничивает чувствительность обнаружения. Типичным примером, поясняющим сказанное является термоядерный реактор типа "Токамак" со сверхпроводящей электромагнитной системой, где блоки обмотки тороидального поля работают в условиях воздействия на них полоидальных полей, поля плазмы и т.д. Такая ситуация делает неприемлемым применение традиционных методов обнаружения нормальной фазы т.к. влияние указанных полей, а особенно во время переходных режимов (при начале, окончании полоидального импульса, в точке перегиба, при срыве тока плазмы) приводит к образованию электромагнитных наводок на блоки, превышающих установленные порог и время срабатывания защиты, что приводит в конечном итоге к ложным срабатываниям защиты обмотки тороидального поля. The disadvantage of the described devices is the low noise immunity of detecting the normal phase during operation of the protected magnetic system in conditions of intense external pulsed magnetic fields. Such fields create electromagnetic interference to the winding of the protected magnetic system, which limits the detection sensitivity. A typical example explaining what has been said is a Tokamak-type fusion reactor with a superconducting electromagnetic system, where the toroidal field winding blocks operate under the influence of poloidal fields, plasma fields, etc. This situation makes the use of traditional methods for detecting the normal phase unacceptable. the influence of these fields, and especially during transient conditions (at the beginning, end of the poloidal pulse, at the inflection point, when the plasma current is interrupted) leads to the formation of electromagnetic pickups on the blocks that exceed the set threshold and protection response time, which ultimately leads to false tripping protection of the toroidal field winding.

Целью настоящего изобретения является повышение помехоустойчивости обнаружения фазы в обмотке магнитной системы в условиях импульсных магнитных полей. Автором не выявлено технических решений с признаками, аналогичными предлагаемым. The aim of the present invention is to increase the noise immunity of phase detection in the winding of a magnetic system in pulsed magnetic fields. The author has not identified technical solutions with features similar to those proposed.

Сущность изобретения заключается в том, что для окончательного принятия решения о переходе обмотки в нормальное состояние осуществляют контроль ее состояния по нескольким параметрам, причем в качестве дополнительного параметра (кроме напряжения нормальной фазы) - выбрано изменение гидравлического сопротивления охлаждающих каналов сверхпроводящего кабеля обмотки. The essence of the invention lies in the fact that for the final decision on the transition of the winding to its normal state, its state is monitored in several parameters, and a change in the hydraulic resistance of the cooling channels of the superconducting winding cable is selected as an additional parameter (except for the voltage of the normal phase).

На чертеже изображена структурная схема устройства. Устройство состоит из датчика нормальной фазы 1, подключенного к сверхпроводнику обмотки, первого временного селектора 2 и первого исполнительного устройства 3, включенных последовательно. Кроме этого в него введены измеритель расхода хладагента 4, включенный на входе охлаждающего потока в обмотку магнита, датчик перепада давления хладагента между входом и выходом охлаждающих каналов обмотки 5, регулируемый сумматор 6, второй временной селектор 7 и второе исполнительное устройство 8, включенные последовательно, а также двухвходовая схема И 9, ко входам которой подключены выходы первого и второго исполнительных устройств. The drawing shows a structural diagram of a device. The device consists of a normal phase sensor 1 connected to a winding superconductor, a first temporary selector 2 and a first actuator 3 connected in series. In addition, it introduced a flow meter of refrigerant 4, included at the inlet of the cooling flow into the magnet winding, a differential pressure sensor between the inlet and outlet of the cooling channels of the winding 5, an adjustable adder 6, a second time selector 7 and a second actuator 8 connected in series, and also a two-input circuit And 9, to the inputs of which the outputs of the first and second actuators are connected.

Работает устройство следующим образом. В исходном состоянии установившийся режим охлаждения обмотки магнита характеризуется величиной массового расхода хладагента G и перепадом давления dP между входом и выходом каналов охлаждения обмотки. Эти величины отражают гидравлическое сопротивление каналов охлаждения, которое изменяется в зависимости от тепловых процессов, происходящих в обмотке (например-возникновение нормальной фазы). Таким образом, при переходе магнита в нормальное состояние вместе с появлением активного напряжения на обмотке изменяется гидравлическое сопротивление каналов охлаждения обмотки. Это обстоятельство предлагается использовать для повышения помехозащищенности обнаружения перехода обмотки в нормальное состояние в условиях воздействия импульсных электромагнитных полей. Импульсные поля (например работа полоидальных обмоток в установке типа Токамак) создают электромагнитную наводку на обмотку на защищаемого магнита, которая при использовании устройства-прототипа приведет к ложному срабатыванию защиты и к выведению энергии из магнитной системы. В применении к установкам типа Токамак это приведет к нарушению режима работы, что является недопустимым. Контроль гидравлического сопротивления каналов охлаждения обмотки позволит выработать дополнительный критерий для обнаружения перехода в нормальное состояние и устранить ложные срабатывания. The device operates as follows. In the initial state, the steady-state cooling mode of the magnet winding is characterized by the mass flow rate of the refrigerant G and the pressure drop dP between the input and output of the cooling channels of the winding. These values reflect the hydraulic resistance of the cooling channels, which varies depending on the thermal processes occurring in the winding (for example, the occurrence of a normal phase). Thus, when the magnet enters a normal state, along with the appearance of an active voltage on the winding, the hydraulic resistance of the cooling channels of the winding changes. This circumstance is proposed to be used to increase the noise immunity of detecting the transition of the winding to its normal state under the influence of pulsed electromagnetic fields. Impulse fields (for example, the work of poloidal windings in a Tokamak-type installation) create electromagnetic induction on the winding of the protected magnet, which when using the prototype device will lead to a false response of the protection and to the removal of energy from the magnetic system. As applied to installations of the Tokamak type, this will lead to a violation of the operating mode, which is unacceptable. Monitoring the hydraulic resistance of the winding cooling channels will allow developing an additional criterion for detecting a transition to a normal state and eliminating false alarms.

В исходном состоянии до заведения тока предлагается осуществить настройку устройства путем балансировки электрических аналогов, получаемых с датчиков расхода хладагента 4 и перепада давления между входом и выходом обмотки 5, что выполняется с помощью регулируемого сумматора 6, на входы которого в противофазе подаются указанные сигналы. Коэффициенты передачи по входам сумматора 6 выбираются так, чтобы на его выходе напряжение в исходном режиме стремилось к нулю
U = K₁*G-K₂*dP = 0, где K₁, K₂ - коэффициенты передачи регулируемого сумматора по разным входам.In the initial state, before the current is supplied, it is proposed to configure the device by balancing the electrical analogs received from the refrigerant flow rate sensors 4 and the pressure drop between the input and output of the winding 5, which is performed using an adjustable adder 6, to the inputs of which the indicated signals are applied in antiphase. The transmission coefficients at the inputs of the adder 6 are selected so that at its output the voltage in the initial mode tends to zero
U = K ₁ * GK ₂ * dP = 0, where K ₁ , K ₂ are the transfer coefficients of the adjustable adder for different inputs.

Такая настройка увеличивает чувствительность контроля гидравлического сопротивления каналов охлаждения, а также позволяет избежать ложных срабатываний в случае подстройки режима работы системы охлаждения (регулировании расхода) в небольших пределах. При возникновении нормальной фазы гидравлическое сопротивление обмотки увеличится, так как по меньшей мере в одном из параллельно включенных каналов охлаждения под действием тепловыделений на нормальной фазе возникает паровая зона, тормозящая движение потока. Соотношение между расходом и перепадом давления изменится, на выходе сумматора 6 появится сигнал раскомпенсации, сработает временной селектор 7-необходимый для устранения ложных срабатываний от импульсных помех, в результате чего через установленное время задержки сработает исполнительное устройство 8. Аналогичный процесс обнаружения произойдет в электрическом канале, подключенном к обмотке магнита, в результате чего сработает исполнительное устройство 3. Срабатывание обоих исполнительных устройств гарантировано говорит о возникновении нормальной фазы в обмотке, в результате чего на выходе схемы И появляется сигнал для управления системой защиты магнита. При одиночном срабатывании исполнительных устройств 3 (от помехи, связанной с воздействием импульсного магнитного поля) или 8 (при технологической перестройке режима охлаждения обмотки, забивке каналов охлаждения и др.) система защиты срабатывать не будет. This setting increases the sensitivity of monitoring the hydraulic resistance of the cooling channels, and also avoids false alarms in the case of tuning the operating mode of the cooling system (flow control) within small limits. When a normal phase occurs, the hydraulic resistance of the winding will increase, since in at least one of the parallel connected cooling channels under the action of heat generation, a vapor zone arises in the normal phase, which inhibits the flow. The relationship between the flow rate and the pressure drop will change, an uncompensation signal will appear at the output of the adder 6, the time selector 7 will be activated, which is necessary to eliminate false alarms from impulse noise, as a result of which the actuator 8 will work after a set delay time. A similar detection process will occur in the electric channel, connected to the magnet winding, as a result of which actuation device 3 will work. Operation of both actuators is guaranteed to indicate enii normal phase in the winding, whereby the output of the AND circuit receive signal for controlling the protection of the magnet system. With a single actuation of actuators 3 (from interference associated with the action of a pulsed magnetic field) or 8 (during technological restructuring of the cooling mode of the winding, clogging of the cooling channels, etc.), the protection system will not work.

Использование данного изобретения позволит организовать надежную защиту и диагностику сверхпроводящих магнитных систем, работающих в условиях импульсных магнитных полей. Такая ситуация возникает, например, при защите сверхпроводящей обмотки тороидального поля в установках типа Токамак, где работа полоидальных обмоток создает интенсивные помехи на тороидальную обмотку, что делает неприемлемым применение традиционных методов обнаружения нормальной фазы из-за большой вероятности ложных срабатываний. The use of this invention will provide reliable protection and diagnostics of superconducting magnetic systems operating in pulsed magnetic fields. Such a situation arises, for example, when protecting a superconducting toroidal field winding in installations of the Tokamak type, where the operation of poloidal windings creates intense interference on the toroidal winding, which makes the application of traditional methods for detecting the normal phase unacceptable because of the high probability of false positives.

Экономический эффект может быть подсчитан от уменьшения вероятности ложных срабатываний системы защиты сверхпроводящих обмоток входящих в состав термоядерного реактора, что будет приводить к перерывам в работе электростанции. Конкретная сумма экономического эффекта может быть определена после завершения проектирования всего комплекса электростанции на основе термоядерного реактора. The economic effect can be calculated from reducing the likelihood of false positives of the protection system of the superconducting windings that are part of the fusion reactor, which will lead to interruptions in the operation of the power plant. The specific amount of economic effect can be determined after the design of the entire complex of a power plant based on a fusion reactor is completed.

Claims (1)

УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ НОРМАЛЬНОЙ ФАЗЫ В ОБМОТКЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, состоящее из последовательно включенных датчика нормальной фазы, подключенного к сверхпроводнику обмотки магнита, временного селектора и исполнительного устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения помехозащищенности обнаружения в условиях импульсных магнитных полей, в него введены измеритель расхода хладагента, датчик перепада давлений хладагента, регулируемый сумматор, второй временной селектор, второе исполнительное устройство, двухвходовая схема И, причем вход измерителя расхода хладагента соединен с входом охлаждающего канала обмотки, входы датчика перепада давления соединены с входом и выходом охлаждающего канала обмотки, а выходы этих блоков соединены с входами регулируемого сумматора, последовательно соединенного с вторым временным селектором и исполнительным устройством, выход которого соединен с первым входом схемы И второй вход которой соединен с выходом первого исполнительного устройства, а выход которой является выходом устройства. DEVICE FOR NORMAL PHASE DETECTION IN THE WINDING OF A SUPERCONDUCTING MAGNETIC SYSTEM WITH CIRCULATION COOLING, consisting of a normal phase sensor connected in series, connected to a magnet winding superconductor, a temporary selector and an actuator, which is characterized by the increase in the field noise, which it introduced a refrigerant flow meter, a differential pressure sensor, an adjustable totalizer, a second time selector, a second use an amplifier device, a two-input circuit AND, wherein the input of the refrigerant flow meter is connected to the input of the cooling channel of the winding, the inputs of the differential pressure sensor are connected to the input and output of the cooling channel of the winding, and the outputs of these blocks are connected to the inputs of an adjustable adder connected in series with the second temporary selector and executive a device whose output is connected to the first input of the circuit AND the second input of which is connected to the output of the first actuator, and whose output is the output of the device oystva.