analysis of quench development in a cryocooler cooled bi-2223 pancake coil based on the anisotropic...

4
Analysis of quench development in a cryocooler cooled Bi-2223 pancake coil based on the anisotropic transport E±J characteristics in a short tape sample T. Kiss a, * , S. Noda a , S. Nishimura a , K. Ohya a , D. Utsunomiya a , Yu.A. Ilyn a,b , H. Okamoto c a Department of Electrical and Electronic Systems Engineering, Kyushu University, 6-10-1 Hakozaki, Fukuoka 812-8581, Japan b Low Temperature Division, University of Twente, 7500 AE Enschede, The Netherlands c Kyushu Electric Power Co., Inc., Fukuoka 815-8520, Japan Received 16 October 2000; accepted 18 December 2000 Abstract By calculating the magnetic ®eld distribution in a stacked pancake coil with use of ®nite element method and by taking into account the transport properties obtained in a short tape sample, we predict the electric ®eld vs. current density, E±J , characteristics depending on the position inside the coil. The thermal quench behavior of the coil has been calculated by the heat balance equation taking into account the nonlinear Joule heating obtained by the E±J char- acteristics. Calculated results agree well with the measurements. Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PACS: 74.60.Jg; 74.72.Hs; 84.32.Hh; 85.25.Kx Keywords: HTS coil; Thermal stability; Bi-2223 Ag sheath tape; E±J characteristics; Finite element method 1. Introduction It was shown before that because of the rounded transport E±J curves and large value of heat ca- pacity in an elevated temperature, stable operation is possible in HTS coil even if the transport currents excess critical currents determined by 1 lV/cm criterion. We have shown that the power dissipa- tion originated from the nonlinear E±J character- istics is important for the thermal quench development in HTS devices [1,2]. Namely, the E±J curves are essential for the stability analysis for HTS based devices. We have proposed a method to describe the nonlinear E±J curves as a function of temperature, magnetic ®eld and angle based on the percolation model in associate with the scaling of macroscopic pinning force density [3±5]. In this study, we simulated E±J characteristics variation and quench development in a four layer stacked pancake coil by using the formulation describing the nonlinear transport E±J characteristics ob- tained in a short tape sample. The calculated results are compared with the measurements. Physica C 357±360 2001) 1165±1168 www.elsevier.com/locate/physc * Corresponding author. Tel.: +81-92-642-3910; fax: +81-92- 642-3963. E-mail address: [email protected] T. Kiss). 0921-4534/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0921-453401)00473-7

Upload: t-kiss

Post on 04-Jul-2016

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

�������� � ��� � ����������� �� � ��� ����� ������������ ��� ��� ��� ����� �� ��� ���������� ���������

��� ���� ������� � �� � ����� ���� ������

�� ���� ���� � !��� �� � !�������� �� �� "��� �� #� $��������� ��%���� &��� ���� '� "������

� ���������� ��� ��� �� ��� ��� ���� ������� ������������ ������ ����������� ������ ��� ���� !����� "�#�"$"�� %����� &' (���������� �������� ���������� ('����� )$�� *� ��� ����� (�� +����������

������ ��� ��� ,'�� -.� /� .� !����� "�$�"$#�� %����

(� ����� )* " ����� �+++, � ����� )- #� ����� �+++

��������

�� �� ������. ��� ��.���� /��� ������������ �� � ��� ��� ��� ��� ��� 0��� ��� � /���� ������� ������ ��� ��

�����. ���� � ���� ��� ��������� ���������� �������� �� � ����� ���� ������� 0� ����� � ��� ��� ��� /��� ��� ������

�������� ��� � ���� ������� � ��������. �� ��� �������� ������ ��� ���� ��� ������� ��� � �������� � ��� ��� ��� ���� �� ������ �� ��� ���� ����� � ������� �����. ���� � ���� ��� ��������� 1���� ������. �������� �� ��� ��� ����

� ������� �� 2�� ������ ������� �.��� 0��� 0��� ��� ������������� � �++) 3������� ��� � ��4� ��� ��.��� ���������

,*-�0 56�*+�1., 56�5��'�, -6����'�, -7��7��8

���'���0 ��� ����, ������� ���������, ������� �. ������ ����, ��� ���� ������� �, 9����� ������� ������

� ���� ������

&� 0�� ���0� ����� ���� �� ���� � ��� ���������������� ��� ����� ��� ���.� ����� � ���� ���� ��� �� �� �������� ������������ ������ ����������� �������� �� '� ��� ���� � ��� ��������� ��������8 ��� ���� �� ������� ���������� �� ) �4: � ��������� ;� ���� ���0� ���� ��� ��0�� ������������ ���.������ ��� ��� ��������� ��� ���� ����

���� � �� ��������� �� ��� ������� ��� ������������ �� '� ���� �� <)��=� !������ ��� ��� ����� ��� ��������� �� ��� ��������� �������� ��'� ����� ���� ��� ;� ���� �������� � ������ ����� ���� ��� ��������� ��� ����� �� � �� ���� ������������� ��.���� /��� ��� ��.�� ����� �� ������ ������� ����� �� ���� ���� 0��� ��� � ����. ��� ��� ��� ������. �� � ������� <�>7=� &� ���������� 0� ��������� ��� ���� ������� � ������������ ��� � ����������� �� � ��� ����� ��� ������ ��� ��� �� ����. ��� ���������� ��� �����.��� ��������� ��������� ��� ���� ������� � ��������� �� � ����� ���� ������� ��� �� ������ ���������� ������� 0��� ��� �������������

?���� � 2 �75>�*+ @�++)A ))*7>))*-

000���������� ��:�� ���:����

�2�����������. ������� ����B C-)�D��*6���D)+, �8B C-)�D��

*6���D*��

������ �������0 ����E� ����������� �F� @�� ����A�

+D�)�67�6:+):G � ��� ���� ������ � �++) 3������� ��� � ��4� ��� ��.��� ���������

?&&B +D�)�67�6 @+) A++65��5

� ����������

��� ���� ��� 0�� �������� ����. � ������� ������ ���� ���. ����� ��� ������� ���� � ��� ����0�� ��-� +��6 ���� ��� ����� ���.�� 0�� �����)7+ �� ��� 0�����. 0�� ������ �� �� 7+ �� ��� ���������� ����� ����� )7 �� ��� � ������ ���� 0������ �� ���������� ����������� ��� ��� ��� )++ ������� �������� ��� )7* �� ����� ��������� ������� ������ ���� ��� � �� ��� � ����� ������0��� ��� �� ���0��� ��� ��� ����� � ���� � � ��� ��� �� ���0� �� 9�.� )� ��� ��� 0�� �������������� �6 ��������� ����� �+ ������ ������ �� ���������� ���� ������������ ��� ��� 0�� ������� �� � ��� ����� 0���� ��� ���� ������ 0��� ��������� ���� ��� �� ��� ��� ���� � ��� ��� ������

� ��������� ����������

��� ����������� ��������� �� �� ������ �� ����0� ����������� /���� ������� ������ 0��� ������� ����� � ������� �������. �������� � ����������

�����

� � � ���� � � ��1� �)

0���� - �� ��� ���� ��� ��� ��� ���� ������� � ����� ������� ���� ������� ��1 �� ��� 1���� ������.��0�� �������� ( �� ����������� ��� � �� ����� ��������� � - ��� � 0�� ���������� �� ��� ����������� �������� �� ���� ����� �� �����. ���� � � ���� ��� ����������� �������� � ��� ��� ������� �� � ���������� ;� ������� ���� ���� ��� �����������8 ���������� �� ��� ������� ���� ���� ����� ����� &� ��� ����� �������� ��1 �� .���� �� ������ ���� ������� � �������� �� � ����� ���� ��������

��1 � � � � � ��

��� ��� ���� ������� � ������ �� � ����� ���������� �� � �� ���� � ��������� ������ ��������%� ������������ (� ��.���� /���� 1� ��� /��� ���.��� �� ;� ������� ������� ��� ����0��. �8���������� ��� ��� ���� ������� � ����� �� � �������� ���������� � � ������������ �� 0��� �� � ����. ��������� � ������. �� � ��������

��� � � ��� � � �99

� �

+

� � ��� ��� ��+�� ��� �

� �

�� �

��

0���� �99 �� ��� ������ H�8 H�0 ������������ � � ����� ������� ����� � � � �+ �� ��� 0���� � � ������������� ��� � �� � ������ �� ������� 0�� ����������� ��� ����� � � ������������� � � ��� �+

9�.� )� @�A ������ ���.��� � ��� '� ��� ��� ���� ���

����� ��� ����� ��������� � ��� '� 0�����. ��� )++ ��� )7*

��� ����� ������� @�A 4��0.���� � ��� ��� ������� �� � 2��

���� ��� ���.� 0���� ��� ���� ������ ���0��� ��� ��� ���

0��� ��������� ���� ��� �� ��� ��� �����

))** (. ���� �� ��. 2 ,���� � - 3$)43�� 5#���6 ���$4���"

��� ��� �� ����� � ������������ ��.���� /������ ��.�� <7=� ��� ���������� �� ��� ��� ����0��� ���������� �� ��� ����������� �� ��� ��������� ������ 0�� � 0�� �� ��� ��� ���� ��� ������ ��� ��� 0�����.� ��� ��.���� �������� � � � ��� ������� �������� �� ��� ����� ������ 0�����0� �� 9�.� �� ��� �� ����� ������� ��� ���������� ��� �� ������� 0������ ��� ������� ����������� ������� <7=�

&� �������� �� ��� �������� �� ��� ��� ���� �������� �� 0� �� ������ ��� ������.���� /��� ����������� 1� ��� ��.��� �� �� ����. ��� I�80���J��������� �� ��� �# ������� ���� ����� ����� ��������� ��� �� �� ��� ���� ������� � ������ ��� �������. ��� ����� ��������� �������� !������ ���

��������� 1���� ������. ��0�� �� �� �������� ��� �� ���� � ��������� ������ ��� ����������������� �� ���� ������. ��0��� 0� /����� ������������ ��������� � ��� ��� ����������� �� � �������� ��������� �������

� ������� �� ���������

9�.� � ���0� ������.���� /��� �� ��� �� ��� ������� ���� ���� � ��� ��� �����K�� �� ��� /����������� ������� �� ���� ��� ��������� ��� ����� ������� � �� ��� ���� �� �� ��������� �� ����������� ������ 0� �� ���� ��� ������ ��� �� ��������. ��0�� ������ ��� ��� ��������. �� �����.���� /��� ��������� ��� ��.��� 9�� �8��������� ����� � 1���� ������. ��0�� �� ���.��� �� ��������� � ����� ��� ��� ���� �� ���� � ��� ����/��� ���������

����� �� ���� 1���� ������.� 0� �����K�� ���������� ��������� �� ��� ���� �� ������� ���������� ���� �������� &� 9�.� 6� 0� ���0 ��� ������� ����� ��� � *+ � ���� ������������ ;� ������������� � � ��.���� /��� �� 0��� �������� �� ����8��� ���� ���� � ��� ���� ��� ����������� ��� � �� �� ��� ����� ���������� 0��� �� ��� ������������ &� ���� /.���� 0� ������� ��� �����.� ������������ �� ��� 0�����.� ��� �������� ��� ������ ����� ����������� ������.������ ������ ��� ��� 0���

9�.� �� ��.���� �������� � � @�A � ��� @�A ������� ��������

�� � ����� ���� ������ 0�� � 0�� �� ��� ��� ���� ��� ���� ��

��� ��� 0�����.� ��� ����� ����� ��� �� ������� 0���� ���

������� ��� ������������ <7=�

9�.� �� �����.���� /��� ������ ��� ��� �� ������ �� ��� /����

������� ������� �� ��� �0� ����������� ������� ����� $���.

���� /��� ������������ ��� ��� ������� �� �8�������� �� ��� ����� @�A� 0� �������� ��� 1���� ������. ��0�� ������ ��� ���

�� � �� ���� � ��������� ������ ��� ������������

(. ���� �� ��. 2 ,���� � - 3$)43�� 5#���6 ���$4���" ))*5

�� ��������� ���������� �� ���� ��� ��� � �� �������� �� ���� ������������ ;� ���������� ���������� ��� � ����� � ��� ������������ � ������ ��H� ���� ����� � ��� � �� ���� �� ��/��� ��

��� �������� ����� <*=� ��� ����������� �� ���.��������� ��� ��������� ������. �� 0� ���� ��������������� <)��=� ��� ���� �� ������ �� ��� � ������H� ���� ����� 0�� ���0� �� 9�.� 6� �� � �� ����� ��������� ������� ��� ���������� ������� �.���0��� ��� �8��������� ����������� 9��� ��� ��������0� �� �������� ������ �������� � ��� ����������������� !��� ����� �� ��� � �5 � ��������� ������� ��� ����� ����������� ���� � ����� ���������� ) ��

� �������

;� �����K�� ��� ������ � � ������� ��� � ��'� ��� ����. ��� /���� ������� ������ �� �����.� ���� ��� ��������� ��������� ���� ������� � ����� ���� �� 0��� �� ������.���� /���� �� �0� ������������ ��� ������� ����� 9��� ��� ������� ��������� �������� � ������� ����������� � ��� ��� �� �� �����K��� ��� ���������� ������� �.�������������� 0��� 0��� �8���������� ��������

�������� ������

;� ��� .������ �� 4� 4������� ��� 23�: �2L�%� 9��� �� �� ���� ����� ��� ������� ��������� ��������� � '� � ���� ����� 0�� ���������� �� ���� �� ��� !3#"� 1����� ����� ���?������������� !�0 &������� 2������� �� ������.� (M# ?�������� ?��.����� .���� ���DD3)��++7�)�

��!�������

<)= �� ����� 4� � 4�������� '� %�.�� '� ���� %��� &����� I�

������ �� ;�������� 9� &���� ?���� � 2 �)+ @)DD-A �5�>�5*�

<�= �� ����� 4� � 4�������� %� &����� I� &����� �� '���.�0��

I� ������ '� "������� 9� &���� &333 ������ �����

���� ���� D @)DDDA )+5�>)+5*�

<�= �� %����F�� �� ����� ?���� � 2 �D+ @)DD5A D>���

<6= �� ����� �� I���������� 9� &���� ���� ���� �� �� ����� )�

@)DDDA )+5D>)+-��

<7= �� ����� '� "������� &333 ������ ����� ���� ���� ))

@�++)A �D++>�D+��

<*= ��L� (��������� 4� � 4�������� %��� L����� �� ����� I�

������ 2���.��� � 6+ @�+++A )D>�5�

9�.� 6� #����� �������� � ��� ������� ��� � � ��� ����

��� ���������� ������� 0��� �������� �� ��� ���� ����� �

������� �����. ���� � ���� ��� ��������� 1���� ������.� @�A

����������� ��� � � ��� �����.� ����������� ������ ��� ����

@�A ��������� ������ ��� ��� � ���� ��/��� �� ��� ��H� ����

����� �� ��� ��� �����

))*- (. ���� �� ��. 2 ,���� � - 3$)43�� 5#���6 ���$4���"