EAST工程调试第一次降温通电试验技术诊断实验报告

EAST工程调试第一次降温通电试验技术诊断实验报告2006年3月20日一．实验目的EAST装置组装完成后，工程指挥部及时作出决策，进行EAST工程调试，作一次降温通电试验，目的是检查工程安装质量和检验各分项目、部件的设计，为装置的最终完工和开展等离子体放电实验奠定基础。技术诊断项目组也要利用这次机会检查传感器（元件）和电位引线的安装质量，检验技术诊断各项设计的正确性，及时暴露问题，并尽早解决。二．技术诊断的内容技术诊断承担装置主要部件温度测量及其数据采集，监视超导磁体的失超信号，为运行人员了解装置运行状况提供必要的信息。超导托卡马克是在深低温下运行的大型装置，从室温（300K）降至液氦温度（3.8~4.5K）运行，要严格控制装置的降温速率和各部件之间的温差，防止因热应力过大造成装置绝缘或部件的损坏。托卡马克是大型超导磁体系统，储能量大，应力水平高，失超后如果不及时采取保护措施，可能因局部过热造成磁体损坏，也可能产生高电压引起绝缘击穿。托卡马克纵场系统运行电流很大，励磁到运行电流值需要较长的时间，如果是非失超的误动作保护，造成时间和金钱的浪费。因此超导磁体失超的准确探测和及时保护非常重要。技术诊断的目标是及时和正确判断装置的运行状态，当诊断出重要的故障态时尽早指示以便采取措施或紧急撤出实验，实现装置的正常和安全运行。此次实验技术诊断包括如下内容：（1）各主要部件温度测量；（2）超导磁体失超信号探测；（3）超导线圈接头电阻测量；（4）装置结构件的应力-应变测量；(5)TF线圈电流测量；(6)系统状态报警。技术诊断的对象是：（1）超导纵场(TF)线圈及线圈盒；（2）超导极向场线圈(PF和CS)；（3）装置内、外冷屏；（4）真空室（外表面及部分颈管）；（5）电流引线（八对电流引线CS1~CS6，PF（7+9），PF（8+10）及五对电流引线TF，PF11~PF14）。三．实验方法细节（A）温度测量1．液氦温度测量硬件包括：微安恒流源、小信号放大器、采集卡设计思想：液氦温度计选用CERNOX，型号CX-1050AA。采用四线法原理，恒流源为温度计提供10μA工作电流，获得温度计的原始电压信号大小，在室温为~0.6mV,在液氦温度为40~50mV，经放大器放大100倍进入计算机采集，16位的采集卡。温度计引线，在装置内是不带屏蔽的聚四氟乙烯绝缘四绞线，在装置外是32芯（16对双绞线）屏蔽电缆，在分控室是两芯屏蔽绞线。温度计安装工艺：（1）在冷却管上，采用银铜焊把铜底座焊在冷却管表面，温度计插孔内涂抹真空脂添加AL2O3粉末，温度计孔后面装有堵头（带孔螺钉），防止温度计从孔内退出来，引线与漆包线绕制的热沉相连，用环氧胶固定热沉的紧固螺钉，再用铝箔包裹温度计防热辐射。（2）在线圈盒上，采用锡焊把铜底座焊在不锈钢盒表面，温度计插孔内涂抹真空脂添加AL2O3粉末，温度计孔后面装有堵头（带孔螺钉），防止温度计从孔内退出来，引线与漆包线绕制的热沉相连，用环氧胶固定热沉的紧固螺钉，用不锈钢箔复盖温度计防热辐射。(3)由于温度计不能经受高电压冲击，在电流引线铜柱上，温度计底座与铜柱之间用了0.6mm厚的环氧板隔开，再用环氧树脂把环氧板粘贴在电流引线铜柱上。温度计外面包裹了玻璃丝带+环氧树脂绝缘层。表1各部件安装温度计数量及工程调试达到温度：部件名称安装温度计总数(包括备份)安装位置工程调试达到温度TF线圈盒52个1.冷却管总入,总出各1个;2.冷却管总入,总出备份各1个;3.每个线圈盒三个,装在线圈盒内圈上、中、下三个位置;~4.7KTF线圈54个1.冷却管总入及备份各1个;2.四个分出口管各1个;3.每个线圈入口管各1个;4.每个线圈出口管及备份各1个大部分:~4.5K;有四个线圈出口:~5.3K测量对象安装温度计总数量(包括备份)安装位置工程调试达到温度中心螺管(CS1~CS6)13个1.冷却管总入,总出各1个;2.冷却管总入,总出备份各1个;3.入口支管3个;4.出口支管6个;大部分:~5.0K;个别:~5.5KPF7/8线圈7个1.冷却管总入,总出各1个;2.冷却管总入,总出备份各1个;3.入口支管1个;4.出口支管2个;4.8~5.0KPF9/10线圈8个1.冷却管总入,总出各1个;2.冷却管总入,总出备份各1个;3.入口支管3个;4.出口支管1个;~5.0KPF11/12线圈7个1.冷却管总入,总出各1个;2.冷却管总入,总出备份各1个;3.入口支管1个;4.出口支管2个;4.7~5KPF13/14线圈8个1.冷却管总入,总出各1个;2.冷却管总入,总出备份各1个;3.入口支管2个;4.出口支管2个;4.5~5.0K八对电流引线36个1．氦分配小容器外表面2个；2．Busline管上2个；3．每根电流引线铜柱上各1个；4．每根电流引线铜柱上备份各1个；6.0~7.8K五对电流引线20个CERNOX8个碳电阻1．氦分配小容器外表面2个；2．Busline管上6个；3．每根电流引线铜柱上各1个；4．每根电流引线铜柱上备份各1个；6.2~7.2K磁体支撑11个1.TF线圈盒环氧筒支撑4个;2.CS支撑结构7个环氧筒支撑~110K;CS支撑结构6-11K;备注:(1)TF线圈盒上温度计有三个在组装阶段已损坏,两个在运行中损坏;2．液氮温区的温度测量硬件包括：毫安恒流源、液氮缓冲放大器、采集卡设计思想：液氮温度测量选用铂电阻温度计，型号PT100。用四线法测量原理，恒流源为温度计提供1mA工作电流，获得的温度计原始电压信号大小为：在室温时为~110mV;在液氮温度为~21mV，经放大器放大10倍进入计算机采集，16位的采集卡。温度计引线，在装置内是不带屏蔽的聚四氟乙烯绝缘四绞线，在装置外是32芯（16对双绞线）屏蔽电缆，在分控室是两芯屏蔽绞线。温度计安装工艺：温度计铜座带有不锈钢底板(铜座与底板之间用银铜焊)，安装在冷却管和冷屏上时，采用氩弧焊（把不锈钢底盘焊在部件表面），温度计插孔内涂抹真空脂添加AL2O3粉末，温度计不带热沉。由于安装间隙的原因，内屏上的温度计无防辐射屏，外屏和冷却管上的温度计用不锈钢片防热辐射。表2在冷屏上安装温度计数量及工程调试达到温度：部件名称安装温度计总数量(包括备份)安装位置工程调试达到温度内冷屏731．屏体壁25个；2．上颈管16个；3．水平颈管16个；4．下颈管16个；80~96K外冷屏421．外屏底盘16个；2．中筒16个；3．顶盖10个1．底盘：90~103K2．中筒：98~160K3．顶盖：125~153K冷却管141．入口管及备份10只；2．出口管及备份4只；79~89K真空室外壁10210~265K电流引线冷屏181．八对电流引线10只；2．五对电流引线8只；1．八对：77~81K；2．五对：80~81K（B）监视超导线圈降温过程的电阻变化超导线圈的正常态电阻由CICC导体中的铜基体决定，随着温度下降，铜的电阻率变小，超导线圈的电阻随之变小；当温度下降到20K以后，铜的电阻率保持恒定，超导线圈的电阻不变，直到温度下降到~9.3K时，超导线圈的入口端部分导体进入无阻的超导态，线圈电阻以较快的变化速率下降，随着温度继续下降，直到全部CICC导体进入无阻的超导态为止。这个过程持续时间长短取决于线圈的冷却状况。通过监测超导线圈电阻变化的全过程，可以了解不同冷却支路上的线圈降温快慢，不同冷却支路流体分配的均匀性等情况，以便及时调整。扑获线圈的超导转变时刻还可获得其它许多信息。表3给出各超导线圈在室温和低温下电阻值表3线圈电阻测量记录降温前期线圈的电阻没有进行计算机采集,用KEITHLY数字电压表测量。由于装置在降温过程中需要测试磁体对地绝缘水平，考虑到线圈电阻测量线的耐压水平不够，并为了保护计算机不受高压冲击，20日~24日测量线被拆除，无测量结果。测量电流：0.5A序号线圈电阻（mΩ）2006-2-18（室温）电阻（mΩ）2006-2-19(已降温)电阻（mΩ）2006-2-20~2006-2-24电阻（mΩ）2006-2-2515:00电阻（mΩ）2006-2-2621:401TF1137.86134.23/88.6072.142TF2138.86135.50/91.6076.563TF3138.48135.00/90.074.004TF4137.30133.83/90.074.205TF5138.26134.80/91.075.126TF6138.10134.80/90.2074.267TF7137.46134.21/90.4075.588TF8137.94134.80/91.6076.749TF9139.80136.07/92.076.6010TF10137.76134.31/90.8076.0011TF11135.96132.70/90.8076.3212TF12137.24133.87/90.4076.0613TF13137.66134.29/90.4076.6614TF14137.26134.21/91.4075.8615TF15137.80134.09/90.2075.5216TF16137.66134.29/91.4076.6617CS165.4664.1/42.8035.2618CS265.1863.3/42.034.9419CS366.1664.72/43.2035.7820CS466.5063.78/42.6035.3021CS565.8264.62/43.8036.3822CS666.0863.36/42.2035.1223PF736.0235.26/24.8020.4624PF835.3034.70/24.020.3825PF9172.23168.60/118.099.1026PF10171.52168.60/118.099.9627PF11156.24151.20/106.091.1628PF12156.50152.86/108.091.8829PF1394.3490.08/60.6050.2830PF1492.7089.28/60.050.10表4线圈电阻测量记录由于装置在降温过程中需要测试磁体对地绝缘水平，考虑到线圈电阻测量线的耐压水平不够，并为了保护计算机不受高压冲击，降温前期线圈的电阻没有进行计算机采集,用KEITHLY数字电压表测量。电流：0.5A序号线圈电阻（mΩ）2006-2-2721:10电阻（mΩ）2006-2-287:10电阻（mΩ）2006-3-17:20电阻（mΩ）2006-3-27:00电阻（mΩ）2006-3-37:301TF140.936.223.010.51.352TF244.840.427.917.85.043TF343.238.625.614.12.774TF443.238.826.215.13.0205TF543.53926.014.92.8966TF643.138.425.314.02.4477TF74439.527.218.16.2078TF844.539.927.619.27.2949TF94540.527.716.94.29110TF1043.839.527.217.96.21811TF1144.940.929.521.610.71912TF1245.34128.919.77.96113TF1344.940.528.419.88.17114TF1443.939.326.516.24.05815TF1543.639.126.717.65.56116TF1643.839.327.018.67.10917CS127.423.414.26.62.80118CS227.523.614.76.92.90119CS328.224.215.17.63.18020CS42722.712.85.12.04821CS527.923.513.96.83.02322CS626.42212.55.22.28323PF716.9159.96.52.63524PF816.114.29.26.22.41125PF982.572.747.829.311.492