CN103916060A - 一种多级电位补偿装置及失超检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级电位补偿装置及失超检测装置，包括感应线圈、补偿线圈，位于补偿线圈两端的接线柱以及位于补偿线圈上的多个分接头；分接头可沿着补偿线圈的表面滑动，在补偿线圈的表面与分接头接触的部分可导电；感应线圈通过接线柱与补偿线圈并联连接；感应线圈与超导磁体同心放置，用于感应超导磁体中的感应电压；补偿线圈将感应电压通过多个分接头分配并调节大小，实现对超导磁体感应电压的补偿。本发明可以消除超导磁体中感应电压在失超检测过程中对电压信号检测的影响，避免失超保护装置的误判；同时该装置制作安装简单，补偿效果好和利用率高。

Description

一种多级电位补偿装置及失超检测装置

技术领域

本发明属于超导失超检测技术领域，更具体地，涉及一种超导磁体失超检测多级电位补偿装置及失超检测装置。

背景技术

超导材料在临界温度以下具有零电阻无损耗的特性，现已得到较为广泛的研究，且已有很多示范性应用实例。然而超导磁体在运行时可能会由于工作温度、电流、磁场的变化发生失超，此时超导磁体中存储的电磁能将在失超区域迅速转换为热能，并伴随着一系列问题发生，如发热，过电压和因低温媒质温度升高、体积增大而导致的低温容器过压等问题，严重时则可能会导致超导磁体的烧毁与击穿。因此，在超导磁体的运行过程中进行失超检测显得尤为重要。

目前失超检测方法有多种：温升检测，流速检测，压力检测，电压检测等。其中最为快速、直接、准确的测量方法是电压检测。电压检测法主要以测量超导磁体多个超导双饼线圈的两端电压为依据，当电压超过某一阈值时，判断为失超。以超导磁储能系统(SMES，Superconductor MagneticsEnergy Storage)为例，其超导磁体由多个超导双饼线圈串联而成，在实际应用过程中，超导磁体中的电流并不恒定，检测到的超导双饼线圈的电压信号中含有较大的感应电压以及外界环境的电磁噪声干扰信号，这可能会造成失超检测保护装置的误判，不利于超导磁体的稳定运行。所以，为了能更加准确的提取到超导磁体在运行时各个超导双饼线圈的电压信号，有必要对采集到的超导双饼线圈的电压信号进行一定的补偿处理，最大程度的消除感应电压与外界环境电磁噪声干扰对失超检测、判断和保护动作的影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种多级电位补偿装置，目的是消除超导磁体中感应电压与外界环境电磁噪声在失超检测过程中对电压信号检测的影响，避免失超保护装置的误判。

本发明提供了一种多级电位补偿装置，包括感应线圈、补偿线圈，位于所述补偿线圈两端的接线柱以及位于补偿线圈上的多个分接头；分接头可沿着补偿线圈的表面滑动，在补偿线圈的表面与分接头接触的部分可导电；感应线圈通过所述接线柱与补偿线圈并联连接；工作时，感应线圈与超导磁体同心放置，用于感应超导磁体中的感应电压；补偿线圈将感应电压通过多个分接头分配并调节大小，实现对超导磁体感应电压和电磁噪声干扰信号的补偿。

其中，感应线圈由漆包细铜导线绕制在空心绝缘材料管上形成的。

其中，感应线圈的感应电压大于所述超导磁体的感应电压。

其中，补偿线圈的电阻值大于1kΩ。

本发明还提供了一种失超检测装置，包括超导磁体以及多级电位补偿装置，多级电位补偿装置为上述的多级电位补偿装置。

本发明将一个感应线圈与超导磁体进行磁耦合，当变化的磁通在磁体中产生感应电压时，也会在感应线圈中产生同样波形的感应电压，利用补偿线圈可滑动的分接头可以方便实现对感应线圈中电压的分配与大小调节，将补偿线圈分接头与超导磁体中的超导双饼线圈电压测量引线按一定规律进行连接后便可实现对磁体中多个超导双饼线圈的同时补偿，消除超导磁体中感应电压与外界环境电磁噪声在失超检测过程中对电压信号检测的影响，避免失超保护装置的误判；同时对失超电压进行分析后，还能对失超的线圈进行定位。

附图说明

图1为本装置示意图。

图2为电路原理示意图。

图3为螺线管型超导磁体横截面示意图。

图4为电流波形图。

图5为超导双饼线圈在斜坡函数电流下失超波形图。

图6为加入补偿装置后超导双饼线圈在斜坡函数电流下失超波形图。

图7为超导双饼线圈在图4电流下失超波形图。

图8为加入补偿装置后超导双饼线圈在图4电流下失超波形图。

图9为加入补偿装置后两个超导双饼线圈在图4电流下先后失超波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术发明及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明消除超导磁体中感应电压与外界环境电磁噪声在失超检测过程中对电压信号检测的影响，避免失超保护装置的误判，提出了一种超导磁体失超检测用连续可调多级电位的补偿线圈装置。该装置利用电磁感应定律，结合多段连续可调电阻，能简单方便地对超导磁体的多个超导双饼线圈进行电压补偿，以精确测得超导双饼线圈的阻性电压从而进行准确的失超判断。此装置具有制作安装简单，补偿效果好，利用率高等优点。

本发明在一个空心绝缘材料管上用漆包铜导线绕制一个感应线圈，并接到一个带有多接头的补偿线圈两端，构成连续可调多级电位的补偿线圈装置。使用时将感应线圈与超导磁体同心放置，使其能感应出超导双饼线圈中的感应电压。多接头的补偿线圈用来分配并调节补偿电压的大小，实现对多个超导双饼线圈感应电压和电磁噪声干扰信号的补偿。

本发明的优点在于：(1)适用范围广，对大部分含螺线管型的超导磁体装置都能进行电压补偿；(2)能够简单方便地对多个超导双饼线圈进行电压补偿，利用率高；(3)运行过程中，能方便的连续调节补偿电压大小，使补偿效果达到最好；(4)能够对失超的超导双饼线圈进行定位；(5)结构简单，安装方便，成本低。

如图1所示，本发明实施例提供的补偿装置主要由两个部分组成，感应线圈与带有多个分接头补偿线圈。感应线圈4由漆包细铜导线在空心绝缘材料管上绕制而成。多接头补偿线圈与普通滑动变阻器相似，主要有分接头、电阻丝、接线柱等结构，我们可在参照普通滑动变阻器设计多接头补偿线圈。

感应线圈4由漆包细铜线在空心绝缘材料管上绕制而成，绕制时保证均匀、整齐。磁体运行时，变化的磁通在同心放置的感应线圈与磁体中产生相同波形的感应电压，根据公式超导磁体的感应电压E₁与感应线圈中的感应电压E₂之比为S₁和n₁为超导磁体的横截面积与超导磁体的匝数，S₂和n₂为感应线圈的横截面积与感应线圈的匝数，为了能使磁体中的每个超导双饼线圈得到完全补偿，一般情况下应使感应线圈的感应电压大于磁体的感应电压。为了使感应线圈能放入磁体中央，故其截面与长度应与磁体中央空隙相配合，在感应线圈截面积一定的情况下，匝数越多越好，以产生更大的感应电压，故可选用较细的漆包铜导线(建议直径在1mm以下)紧密绕制。多接头的补偿线圈可参照普通滑动变阻器设计。具体制作时有以下两点考虑：

(1)感应线圈与补偿线圈构成了电流回路，工作时感应线圈中有电流通过并会产生热量，考虑到感应线圈中电流焦耳热对低温装置的影响，故补偿线圈总电阻值越大越好(建议在1kΩ以上)，以降低感应线圈中的电流，减少热量的产生，减轻制冷系统的负担。

(2)考虑到超导磁体装置中包含的超导双饼线圈可能较多，对应的补偿线圈的分接头也较多，故补偿线圈应做的较长，较长的补偿线圈不仅可装多个分接头，同时也提高了分接头调节时的精度。

使用时，首先将感应线圈与超导磁体同心放置并固定在低温系统中，感应线圈通过引线与在室温侧的补偿线圈相连接，使感应线圈产生的所有电压加在整个补偿线圈上。然后将磁体中各超导双饼线圈两端的电压测量引线与补偿线圈各分接头如图2连接后接入电压监测设备。图2中以两个超导双饼线圈串联组成的超导磁体为例，L1代表线圈1的电感，L2代表线圈2的电感，R1代表线圈1失超后产生的电阻，L代表感应线圈的电感，R代表补偿线圈的总阻值，连接时需将补偿线圈分接头的负极与超导双饼线圈的负极相连，将二者的正极接入电压监测设备以实现电压的补偿。当超导双饼线圈与感应线圈绕向相同时，则二者产生的感应电压正负极的相对位置(如图中所示的“上正下负”)相同，对应到补偿线圈分接头正负极的相对位置也相同。运行磁体，调节分接头，使得超导磁体在正常动态运行时，补偿后各超导双饼线圈电压信号几乎为零。当某一超导双饼线圈因发生失超而产生电阻，阻性电压将被测量到从而进行相应的保护。并且由于该方法可对每一个超导双饼线圈进行补偿，故当失超发生时，可以通过对各超导双饼线圈电压的分析进行失超线圈的定位。

本发明将一个感应线圈与超导磁体进行磁耦合，当变化的磁通在磁体中产生感应电压时，也会在感应线圈中产生同样波形的感应电压，利用补偿线圈可滑动的分接头可以方便实现对感应线圈中电压的分配与大小调节，将补偿线圈分接头与超导磁体中的超导双饼线圈电压测量引线按一定规律进行连接后便可实现对磁体中多个超导双饼线圈的同时补偿，对失超电压进行分析后，还能对失超的线圈进行定位。

以图2为例，假设超导双饼线圈中电流为i，则

$U_1=(L_1-k_1)*\left(\frac{d_i}{\mathrm{dt}}\right)+R_1*i;U_2=(L_2-k_2)*\left(\frac{d_i}{\mathrm{dt}}\right)$

式中系数k₁，k₂由超导线圈与感应线圈的互感系数以及补偿线圈分接头相对位置共同决定，当本装置安装固定好之后，超导双饼线圈与感应线圈的互感系数为定值，改变补偿线圈分接头相对位置就可以改变补偿电压的大小，理论上调节分接头使k₁＝L₁，k₂＝L₂就能实现完全补偿，测得U₁为线圈1失超后的阻性电压，U₂为零，这样实现了对超导磁体动态运行时感应电压以及外界环境的电磁噪声干扰信号的补偿，以及对失超双饼线圈的定位。

本发明最大的优点是补偿线圈的多个分接头能同时实现对多个超导双饼线圈的补偿，补偿电压大小调节方便，调节时线性度良好，并且能实现对失超双饼线圈的定位。

本发明有着良好的实际效果，具体可参考以下实验以及结果分析。

图3是由超导双饼线圈串联组成的螺线管型超导磁体截面示意图，我们可以看到超导磁体为空心圆柱形，故感应线圈也设计为空心圆柱形，以配合磁体中央空隙，使感应线圈能同心放入磁体中央，与磁体形成良好的磁耦合。磁体在电路上可等效为一个电感，在超导状态时其电阻为零，在失超时电阻不为零。

本发明提供的超导磁体失超检测的多级电位补偿装置可以应用于失超检测装置中对电压进行补偿，消除超导磁体中感应电压与外界环境电磁噪声在失超检测过程中对电压信号检测的影响，避免失超保护装置的误判。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的多级电位补偿装置，现结合具体实例详述如下：

使用两个由中国西部超导公司生产的Bi系带材绕制而成超导双饼线圈串联并叠放以模仿一个螺线管型的超导磁体。每个超导双饼线圈内径88mm，外径156mm，所用线长100m，超导双饼线圈的引出端与铜编织带焊接，引出两个接线端，以备串联连接和测量之用。实验时，将两个超导双饼线圈串联并叠放，与可编程电源连接。将感应线圈与超导双饼线圈同心放置并固定，感应线圈通过引线与补偿线圈相连接，各超导双饼线圈两端的电压测量引线与各分接头如图2连接后接入示波器，将超导双饼线圈与感应线圈浸泡在液氮中充分冷却，用可编程电源在超导双饼线圈中通入变化的电流，以模拟超导磁体正常运行情况，利用示波器观察超导双饼线圈两端电压变化，比较补偿前后电压波形。

首先在超导双饼线圈中通入一个匀速增加的直流电流，测量超导双饼线圈两端电压，在未失超前，电压随电流缓慢上升，这是由于电源与超导双饼线圈之间的引线存在电阻引起的。当电流达到一定数值后，超导双饼线圈两端电压开始大幅上升，表明超导双饼线圈已经失超，如图5所示。由于超导双饼线圈电压在测量时会受到较大的环境电磁噪声干扰，当在失超检测中增加本发明实施例提供的补偿装置后，图6中环境电磁噪声干扰明显减少，使得信号的测量更加准确。

接下来在超导双饼线圈中通入一个不断上升的变化电流，电流函数如图4所示，电流振荡上升，振荡用于模拟磁体正常工作时的充放电过程，上升的电流使得磁体最后达到失超状态。由于超导双饼线圈的电感，其两端电压随电流的变化大幅波动上升，如图7所示，简单的阈值判断失超将会有较大的误差。当采取补偿后，如图8所示，未失超时的电压得到了很好的补偿，基本没有波动，利于失超的阈值判断。

图9显示为串联的两个超导双饼线圈先后失超时补偿后的电压波形，可明显看出线圈1较线圈2先失超，通过对每个超导双饼线圈的电压补偿，一旦某个超导双饼线圈发生失超，我们不但可以进行失超保护，还可以对其进行定位，为更深入的失超保护研究提供相关参考。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多级电位补偿装置，其特征在于，包括感应线圈(4)、补偿线圈(2)，位于所述补偿线圈(2)两端的接线柱(3)以及位于所述补偿线圈(2)上的多个分接头(1)；

所述分接头(1)可沿着补偿线圈(2)的表面滑动，在所述补偿线圈(2)的表面与所述分接头(1)接触的部分可导电；

所述感应线圈(4)通过所述接线柱(3)与所述补偿线圈(2)并联连接；

工作时，所述感应线圈(4)与超导磁体同心放置，用于感应超导磁体中的感应电压；所述补偿线圈(2)将所述感应电压通过多个分接头分配并调节大小，实现对所述超导磁体感应电压的补偿。

2.如权利要求1所述的多级电位补偿装置，其特征在于，所述感应线圈由漆包细铜导线绕制在空心绝缘材料管上形成的。

3.如权利要求1或2所述的多级电位补偿装置，其特征在于，所述感应线圈的感应电压大于所述超导磁体的感应电压。

4.如权利要求1-3任一项所述的多级电位补偿装置，其特征在于，所述补偿线圈的电阻值大于1kΩ。

5.一种失超检测装置，包括超导磁体以及多级电位补偿装置，其特征在于，所述多级电位补偿装置为权利要求1-4任一项所述的多级电位补偿装置。