高温超导材料（HTS）相较低温超导材料（LTS）而言，具有更高的临界温度、临界电流和临界磁场，在大型聚变装置中具有广阔应用前景。该实验提出新的失超检测方法-OFDR分布式光纤传感，使用OSI设备和REBCO样品缆进行验证。得出相较于传统电压检测，分布式光纤测量能够屏蔽电磁干扰、快速反映失超、实现热点定位。

测试过程

1. 样品准备

CORC电缆实验样品为层间接触初级缆结构，在直径为3.5mm的铜芯表面缠绕三根REBCO软带，组成长为45cm的实验样品电缆，从外到内顺序分别是Tape1、Tape2、Tape3，如图1所示。

图1. CORC缆三层结构示意图

REBCO超导带具体结构如图2所示，其液氮下临界电流为120A。

图2. REBCO超导带材结构（未按比例绘制）

2. 失超检测设计

检测设备为OSI-S，测量长度为50m，设置1cm空间分辨率和3.5Hz采样率的测试参数，传感器为80μm耐弯曲光纤。

图3. REBCO电缆失超探测装置示意

如图3所示，在最外层带材与铜棒表面布置光纤OF1、OF2，总长为3m。此外再布置4对电压和4个温度计，为触发超导体失超，在Tape1外设置加热器（heater）。

将超导电缆置入10cm深液氮池中，考虑单层带材失超传播特性，将3根带材按特定顺序施加电流，如表1所示。

表1. HTS带材每层所对应的电流参数和光纤测试序号

测试结果

1. 失超传播速度（NZPV）

NZPV是表征超导体失超特性的重要数据，可通过电压信号数据（V1/V2/V3）计算出三层超导带的纵向失超传播速度（LNZPV），其数值是电缆正常区域轴向传播速度（ANZPV）两倍，计算结果如图4所示。

图4. CORC缆超导带的纵向失超传播速度与电流的关系

2. 超导电缆正常区域传播长度

电缆轴向区域传播长度（LANZP）是沿着电缆方向长度，纵向区域传播长度（LNZP）是沿着螺旋缠绕在铜芯上带材长度。

(a)所有测试点光谱偏移曲线  (b)光谱偏移曲线局部放大效果
图5. 光纤OF1随长度分布光谱偏移曲线

如图5所示，OSI-S设备光谱偏移曲线可得到LANZP≈9cm，与电压曲线LNZP值相符合，还可获得2.72m处光纤的最大光谱偏移。

图6. Tape2对应OF2光谱偏移量函数

在电流=100A时，增加加热器能量，引发失超事件。受电压抽头数量限制，电压信号无法准确捕获正常区域边界。而光纤OF2可实时监控整个Tape2失超特性，如图6所示，不同加热器能量下的电缆Tape2对应OF2上光谱偏移量随时间和位置分布。

电缆在不同加热器能量下轴向区域变化，通过转换获得HTS带材LNZP，如表2所示。

表2. Tape2在不同加热器能量下的正常区域传播长度

3. 基于分布式光纤的损伤点定位

为验证实验电缆稳定性，将中间层Tape2充电至失超，如图7所示，电压增加，发生不可逆失超事件。

图7. Tape2的光谱偏移和端电压信号随时间变化曲线

通过对图8中光纤定位三相图分析，可准确定位损伤点1位置为2.65m，在2.61m处存在潜在损伤点2。

图8. 光纤定位三相图

如图9所示，观察到1已损坏，其位置与OSI-S设备测量位置一致。此时，嵌入式安装光纤传感器可以定位HTS缆损伤点，并且具有较高的空间灵敏度和测量精度。

图9. 测试电缆的损伤点照片

实验结论

OFDR分布式光纤技术响应速度快，能准确反映被测电缆正常区域发展，而且以5-10mm空间分辨率准确定位损伤点。与传统失超检测方法对比，优势明显。这对于HTS磁体失超稳定性与安全保护研究具有重要意义。

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题名：Distributed optical fiber sensor for investigation of normal zone propagation and hot spot location in REBCO cables
来源：Fusion Engineering and Design 156（2020）111569
作者：Bin Chen, Jiangang Lia, Yanlan Hua, Hongjun Ma, Teng Wanga, Chao Zhoua, Huajun Liua