耐高温耐辐照复合同绕线及其在超导磁体上的应用方法

本发明属于同绕线设计领域，尤其涉及耐高温耐辐照复合同绕线及其在超导磁体上的应用方法。

背景技术：

1、超导磁体脉冲场放电过程中，变化的电流在磁体两端产生感应电压，磁体间的自感和互感产生的电压对失超检测系统带来强耦合噪声，影响对磁体的失超判断，因此需要一种补偿手段来消除噪声；原失超检测一次补偿为单根金属带，随磁体匝间绝缘包绕一同敷设，安装位置在导体的拐角处，由于长度太大，单根金属带很难安放定位，影响施工进度，一旦跑偏，单匝导体落模时，金属带有被压断的风险；由于导体铠甲截面多为圆角矩形结构，四个导体堆叠在一起后中间产生“菱形”空洞，需要填充；磁体绕制成型通常为多层结构，单匝导体经历从外往内，自下而上不断跨层的绕制过程，导致导体内侧和外侧存在绕制公差，需要层间绝缘补偿。另外高性能nb3sn磁体需要在高温下进行热处理，磁体运行时又处在中子等放射性环境中，需要考虑辐照因素。

技术实现思路

1、为克服上述技术难点，本发明提供了一种耐高温耐辐照复合同绕线及其在超导磁体上的应用方法，在以往单根金属线的基础上将结构和性能都做了优化，将不锈钢圆线嵌入到玻璃纤维绳中进行多次编织得到复合同绕线，既对磁体失超检测系统噪声进行一次补偿，消除95％以上的耦合干扰，又充当层间绝缘用于补偿绕制公差，同时还实现导体拐角处空洞的填充以及增加树脂浇注通道，使整个超导磁体结构更加稳定牢固，绝缘性能更强；另外该复合同绕线使用的是耐高温耐辐照高强度玻璃纤维，可用在未来聚变堆运行复杂工况下，其针对性非常强。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种耐高温耐辐照复合同绕线，包括第一填充绳、第二填充绳和耐高温耐辐照玻璃纤维；其中，第一填充绳、第二填充绳均为具有预设直径的圆柱体，所述第一填充绳、第二填充绳之间通过编织工艺填充预设厚度的所述玻璃纤维，所述预设厚度小于所述预设直径以使所述复合同绕线的侧视图呈i字形；

4、所述第一填充绳由不锈钢圆线外编织一层玻璃纤维套后形成同绕线，再将同绕线嵌入多股多丝玻璃纤维中以一定节距进行绞合制备而成；所述第二填充绳与第一填充绳的结构相同；

5、所述不锈钢圆线为316材质，直径范围为[0.75mm-0.85mm]，断裂拉力大于300n；

6、所述玻璃纤维，使用承受温度大于650℃，在辐照剂量率10154gy/h、辐照时间504h下，耐辐照累积剂量大于5mgy的高强度玻璃纤维。

7、具体的，所述不锈钢圆线一共有两根，单边各一根，嵌入在复合同绕线两端的填充绳中，平行敷设在导体铠甲圆角位置，用于超导磁体失超检测系统噪声一次补偿，其材质为优质316不锈钢，该磁导率小于10ur，电阻范围在1.0～1.9kω/1km，有一定的拉伸率，抗拉能力大于300n；

8、进一步的，不锈钢圆线采用牌号为316固溶退火不锈钢材料，从而保证低剩余磁导率。由于此处不锈钢圆线不是起结构性作用，但是要进行必要的拉伸测试和剪切力测试，对于每卷不锈钢线交付时需要做多种认证，包括锻造识别号、熔炼炉号、化学分析、磁特性、尺寸检测及清洁度检测。

9、进一步的，不锈钢圆线中co、ta、nb等杂质元素对材料的放射性有重要影响，co、ta被活化产生很强的r放射性，辐照剂量率对co、ta含量非常敏感；nb活化产生的nb-94放射性水平较高，且半衰期非常长，对废物水平有重要影响；因此在选择不含以上杂质的316不锈钢材料加工制成不锈钢圆线；

10、进一步的，不锈钢圆线完成后需要进行超声波清洗，以去除之前操作过程中残留的润滑油等，每卷不锈钢圆线需要连续完整，中间不允许出现断裂等缺陷。

11、所述玻璃纤维为耐高温耐辐照高强度玻纤，加工需要分三次编织，第一次为不锈钢圆线外护套编织，为同绕线；第二次需要将第一次做好的产品嵌入到多股多丝玻璃纤维中绞合，为第一填充绳，第二填充绳用同样的方式制备；第三次需要完成两根填充绳之间部分的编织，至此加工出来的产品为复合同绕线；

12、进一步的，为制成耐高温耐辐照高强度玻纤，玻璃纤维性能方面：硅铝镁主成份控制在cao＜0.4％，r2o＜0.4％；密度：2.52±0.03g/cm3，软化点：≥980℃，耐酸性，失重≤4.5％；单丝新生态强度，≥4600mpa；单丝直径，8～13μm；无捻粗纱断裂强度，≥0.80n/tex；可燃物，0.80±0.2％；浸胶纱拉伸强度，3600～4000mpa；浸胶纱拉伸模量，93±2gpa gpa，一定不能含有硼元素；

13、进一步的，第一次编织后，不锈钢圆线处于中心处，偏差±0.1mm，编织护套为平纹梭织纹理，外护套直径在1.5±0.1mm，端面呈“圆形”；

14、进一步的，第二次编织，将同绕线嵌入多股多丝玻璃纤维中以一定节距进行绞合，编织成填充绳，填充绳的公称直径为4mm±0.1mm；

15、进一步的，第三次编织后，连接两根填充绳的玻璃带公称厚度为0.4±0.1mm，连接两根绳的玻璃纤维带公称长度为40±1mm；

16、进一步的，第三次编织过程中，连接两根填充绳的玻璃纤维带极向纤维每10m内最多允许断裂一条，极向纤维断裂处要重叠衔接以修复，做到断裂处肉眼看不出，环向纤维每100m最多允许损坏一条，并且损坏处极向尺寸不得大于2mm；

17、进一步的，所述玻璃纤维使用hs6高强度玻璃纤维，随超导磁体同时在650℃下进行热处理，维持时间为50个小时；

18、进一步的，编织纤维采用hs6级33×1×2纱线规格，连接两根绳的玻璃带经密度为15±2根/cm，纬密度为8±1根/cm；

19、进一步的，第三次编织后的产品为最终复合同绕线，该复合同绕线需要长期服役在温度4.5k、真空压强1.3x10-5 pa、最大磁场13.5t以及累计伽马辐射剂量5mgy的苛刻工况下；

20、对应的，本发明还提供了一种耐高温耐辐照复合同绕线的应用方法，由所述的一种耐高温耐辐照复合同绕线执行如下步骤：

21、将所述复合同绕线，随着磁体匝间绝缘包绕时一同敷设，放置在单饼线圈相邻导体间，中间的玻璃纤维层起到层间绝缘的作用，用于补偿绕制公差；两端的玻璃纤维绳用于填充导体拐角处的空洞以及增加树脂浇注通道；填充绳两端各嵌入一根不锈钢圆线，共两根，双路保护，所述复合同绕线参与超导磁体失超检测系统耦合噪声的一次补偿过程；其中，所述耦合噪声为交变脉冲电流经过磁体线圈时在磁体两端产生的耦合噪声，所述二次补偿过程包括，将复合同绕线一次补偿信号经隔离器处理后的信号与将套在通电母排上的电流传感器测量信号经数字微分器处理后的信号合并，经过二次补偿处理后得到失超检测电压，该失超检测电压作为失超判别电压，进入失超判别及联锁保护装置，对超导磁体运行中的失超电压进行检测；具体而言，复合同绕线用于超导磁体失超检测系统噪声一次补偿，消除脉冲电流下超导磁体由于自感和互感产生的噪声干扰，其补偿公式为其中l为超导磁体的电感，m为复合同绕线与超导磁体间的互感，dii/dt为脉冲电流的速率，△uq1为复合同绕线一次补偿后得到的失超检测电压，m1j，mcw-j分别为被检测磁体及其复合同绕线与其它超导磁体间的互感，n为超导磁体的总数量，其中m值跟复合同绕线与超导磁体相对位置有关，能够消除95％以上的噪声，该补偿方式不影响真实失超时产生电阻带来的失超电压检测，再对剩余噪声进行二次补偿得到失超检测电压，送给失超判别及联锁保护系统。

22、本发明的有益效果在于：

23、(1)该复合同绕线设计巧妙，一线多用，既用于超导磁体失超检测系统噪声一次补偿，又用于磁体层间绝缘绕制公差补偿，还能用于导体堆叠后拐角处空洞的填充，增加树脂浇注通道；

24、(2)该复合同绕线中使用高强度玻璃纤维，能够耐650℃高温热处理；

25、(3)该复合同绕线的玻璃纤维耐辐照，累计辐照剂量达到5mgy；

26、(4)该复合同绕线安装方便，只需贴着导体铠甲敷设即可，不锈钢圆线被固定限位，敷设过程中不会跑偏，降低单匝导体落模时不锈钢圆线被压的风险。