CN107102278A - 一种用于超导磁体交流工况下的失超检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超导磁体交流工况下的失超检测装置及方法,其失超检测装置包括第一桥路电阻、第二桥路电阻、分流器、第一转换隔离电路、第二转换隔离电路和示波器；第一桥路电阻与第二桥路电阻串联后与待检超导磁体并联，构成桥路；其桥路的输出电压中不包含超导磁体的感性电压，而近似为超导磁体失超电压的一半；在对于工作在交流工况下的待检的超导磁体，检测其桥路电压并对桥路电压进行有效值转换，根据桥路电压的有效值是否超过阀值电压来判断超导线圈是否失超。本发明提供的上述装置及方法解决了在交流工况下难以对超导磁体进行失超检测的问题，并且具有简单、可靠性高的特点。

Description

一种用于超导磁体交流工况下的失超检测装置及方法

技术领域

本发明属于超导电力技术领域，更具体地，涉及一种用于超导磁体交流工况下的失超检测装置及方法。

背景技术

导磁体的失超是指超导体从超导态转变为正常态的过程，超导磁体需要满足三个临界条件才能体现出超导特性，即临界温度、临界磁场和临界电流。无论超导磁体受到何种扰动或处于何种动态响应过程，只要有一个临界条件被破坏，超导磁体会发生从超导态到正常态的相变，产生正常态电阻，当正常区不断扩大至超过最小传播区时，超导磁体发生失超。

为了保证超导电力设备在通电运行时超导磁体的安全，失超保护系统必不可少。对主动失超保护系统来说，失超检测是失超保护的前提。现有失超检测的方法包括电测法、温升法、流量法、超声波检测法以及光纤法。由于温升法、流量法、超声波检测法所涉及的温度、流速、压力或者超声波变化都与失超后超导磁体上产生的热量有关，存在时间上的延迟，最为直接、快速、准确的检测方法仍然是电测法，包括直接检测法、桥路法和有源功率法。

但现有用于失超检测的电测法多是针对超导线圈的直流工作状态，对于交流通流情况，缺乏较为统一的失超判据。在实验研究中，尤其是对超导线圈的交流损耗进行测量时，高温超导线圈工作在交流状态。在实际应用中，某些超导电力设备中的超导线圈也工作在交流状态，如超导电抗器、超导限流器、超导变压器等。然而直流失超检测电测法并不能直接应用于工作在交流状态的超导磁体。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于超导磁体交流工况下的失超检测装置及方法，其目的在于通过桥路将交流电压信号转换为直流信号后，对工作在交流通流情况下的超导磁体的失超状态进行判断，以实现对交流工况下的磁体状态进行快速、准确地检测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于超导磁体交流工况下的失超检测装置，包括第一桥路电阻、第二桥路电阻、分流器、第一转换隔离电路、第二转换隔离电路和示波器；

其中，第一桥路电阻与第二桥路电阻串联后与待检超导磁体并联，构成桥路；分流器与所述桥路串联；第一转换隔离电路的两个输入端分别与分流器的两端相连，第二转换隔离电路的一个输入端与第一桥路电阻和第二桥路电阻的串联端相连、另一输入端与待检超导磁体的线圈的中间点相连；示波器的一个输入端与第一转换隔离电路的输出端相连、另一输入端与第二转换隔离电路的输出端相连。

优选的，上述的失超检测装置，还包括交流电压源和保护电阻，所述交流电压源并联在所述保护电阻的两端，保护电阻并联在分流器与桥路串联所构成的电路两端。

上述的失超检测装置在工作时，其分流器用于通过其获取超导磁体的电流，其第一转换隔离电路用于对分流器的交流电压进行有效值转换，以使得交流电压的有效值可直接通过示波器得以观测；其第二转换隔离电路用于对桥路电压进行有效值转换，以使得桥路电压的有效值可直接通过示波器得以观测；所述示波器用于测量并显示所述交流电压以及桥路电压，第一桥路电阻、第二桥路电阻用于构造桥路；交流电压源用于提供正弦电压，保护电阻用于保护交流电压源；由于分流器的电压与其电流成正比，而其电流与超导磁体的电流相等，因此通过分流器电压可以获得超导磁体的电流。

由于超导磁体电感较大，但在交流工况下发生失超后，难以通过直接测量其端电压来判断失超状态，这是因为其端电压包括较大的感性电压和较小的失超电压，测量在一个很大基值上附加的一个较小的信号很困难；本发明提供的上述失超检测装置，通过构造桥路把其中的基值去掉，桥路的输出电压为失超电压的一半，通过进一步对桥路交流电压信号进行有效值转换，将其转换为直流信号，来根据该直流信号的值对交流工况下的超导磁体的失超状态进行判断，以实现对交流工况下的超导磁体的失超检测。

本发明所构造的桥路中，超导磁体与两个串联的桥路电阻并联，当超导磁体正常运行时，桥路电压近似为零，当超导磁体失超后，桥路电压明显增大，通过检测桥路电压来快速、有效地判断线圈的失超状态。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述失超检测装置的失超检测方法，包括如下步骤：

(1)通过将串联的桥路电阻与待检超导磁体并联来构造桥路；

(2)当超导磁体工作在交流工况下时，以超导磁体电流的频率为采样频率来采样测量桥路电压的有效值；

(3)当桥路电压的有效值超过阈值，判定超导磁体失超。

优选地，上述失超检测方法，其阀值电压设为1μV/cm×l/2；其中，l为超导磁体的超导线圈的带材长度。

优选地，上述失超检测方法，其第一桥路电阻与第二桥路电阻的阻值之比、与待检超导磁体的相串联的超导线圈的电感之比相等。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明所提供的用于超导磁体交流工况下的失超检测装置及方法，与现有的电测法失超检测不同，并非直接测量超导磁体线圈的端电压，而是构建桥路，通过检测桥路电压的有效值，根据该有效值与阀值比较来判断失超，从而实现了对交流通流的超导线圈的失超检测，克服了现有的电测法失超检测难以用于交流通流的超导磁体的失超检测的缺陷；

(2)本发明所提供的用于超导磁体交流工况下的失超检测装置及方法，所构造的桥路抵消了超导磁体的线圈的感性电压，桥路输出仅与超导线圈的失超电压相关，根据桥路电压进行失超判断，有较高的可靠性；

(3)本发明所提供的用于超导磁体交流工况下的失超检测装置及方法，通过转换隔离模块对桥路电压进行有效值转换，降低了对后级电压测量装置(譬如示波器)性能的要求。

附图说明

图1是基于实施例所提供的失超检测方法的交流损耗测量平台的原理示意图；

图2为实施例中的超导磁体线圈电流波形；

图3为实施例中的超导磁体线圈电流波形局部示意图；

图4为实施例中的第一超导线圈的电压波形示意图；

图5为实施例中的桥路电压波形；

图6为实施例中进行有效转换后的桥路电压波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1所示，是实施例提供的用于超导磁体交流工况下的失超检测装置的原理示意图；本实施例中，待检超导磁体包括串联的第一超导线圈与第二超导线圈；实施例提供的这种失超检测装置包括第一转换隔离电路、第二转换隔离电路、示波器、分流器、第一桥路电阻、第二桥路电阻、保护电阻和交流电压源；

其中，保护电阻并联在交流电压源的两端；分流器与待检超导磁体串联后并联保护电阻的两端，其串联端与第一桥路电阻的一端相连，第一桥路电阻的另一端与第二桥路电阻的一端相连，第二桥路电阻的另一端与待检超导磁体的另一端相连；

第一转换隔离电路的两个输入端分别与分流器的两端相连；第二转换隔离电路的一个输入端与第一桥路电阻和第二桥路电阻的串联端相连，另一输入端与第一超导线圈和第二超导线圈的串联端相连；示波器的一个输入端与第一转换隔离电路的输出端相连，另一个输入端与第二转换隔离电路的输出端相连；

其中，串联的第一超导线圈和第二超导线圈、串联的第一桥路电阻和第二桥路电阻，并联构成桥路；桥路中的两个超导线圈的电感之比与两个电阻的阻值之比相同；当超导磁体正常运行时，桥路电压降近似为零，当其中任一个超导线圈失超后，桥路电压明显增大，通过检测桥路电压来快速、有效地判断线圈的失超状态。

本实施例中，第一超导线圈与第二超导线圈均是由SuNAM-4100高温超导带材绕制的单饼，单饼匝数为114，77K下自场临界电流为89A；检测时，超导磁体浸泡于液氮中。

采用实施例提供的上述失超检测装置对上述超导磁体进行失超检测的方法具体如下：

(1)将超导磁体串联的超导线圈与串联的桥路电阻并联来构造桥路；其中，串联的超导线圈的电感之比与串联的桥路电阻的阻值之比相等；

(2)从0A电流开始，以5s的时间间隔来调节交流电压源以增加其交流输出电压大小，来增加流过超导磁体的电流的幅值；

(3)以超导磁体电流的频率为采样频率来采样测量，获得超导磁体线圈电流波形、第一超导线圈的电压波形、桥路电压波形以及桥路电压的有效值的波形；当桥路电压有效值的波形的斜率发生突变，将交流电压源的电流减小至0以保护超导磁体；根据获得的各波形图进行如下分析：

图2所示，是本实施例中的超导线圈电流波形；交流电源输出电流频率固定为50Hz；从30s开始每隔5秒升流一次，每次大升流2.5A；图3所示为80.00-80.10s时段内的电流波形的细节图。

图4所示为第一超导线圈的电压U1的波形图；通过该波形图可以看到，超导线圈端电压与电流波形基本成正比关系，这是由于超导线圈的感抗远远大于失超产生的阻抗，也正是因此，导致无法通过超导线圈的端电压进行失超判断。

图5所示为本实施例中的桥路电压波形，从该波形可以看到，采用桥路消除了上、下桥臂两个超导线圈的感性电压；在195～205s之间，电流峰值仍然保持为62A，但桥路电压发生了突变，电压幅值急剧上升。这是由于随着电流的增加，超导磁体两个超导线圈的交流损耗随之增加，当发热量增加到一定程度，超过了液氮所能带走的热量，由此造成温升导致超导线圈局部失超，失超不断从失超点开始传播，导致超导线圈失超后产生更多的热量，失超电阻也不断增加。对于交流通流情况，其中一个超导线圈失超，阻性电压的增加还造成了两个超导线圈端电压的相位发送变化，由此导致桥路电压ΔU的幅值不断增加。当电流维持不变、桥路电压发生急剧上升变化时，表明超导线圈已经失超。采用本发明所提供的的失超检测方法，通过对桥路电压的幅值大小和电压变化速率进行分析，可以对工作在交流通流情况下的超导线圈进行失超判断；具体来说，观察到桥路电压有效值增大斜率发生突变、或者桥路电压的有效值超过阀值1μV/cm×l/2(l为超导磁体的超导线圈带材长度)时，即判定超导线圈失超。

图5所示的桥路电压为交流电压，失超判据是该电压的有效值达到阀值若直接测量桥路电压，在后级控制器中完成有效值转换计算，将增大后级检测装置的采样率和控制器的运算负荷。本发明采用有效值转换电路对桥路电压进行有效值转换，本是实施例中转换为有效值后的桥路电压如图6所示，通过将转换后的有效值电压与阀值进行比较来判定超导线圈是否失超。

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 (6)

1.一种用于超导磁体交流工况下的失超检测装置，其特征在于，包括第一桥路电阻、第二桥路电阻、分流器、第一转换隔离电路、第二转换隔离电路和示波器；

所述第一桥路电阻与第二桥路电阻串联后与待检超导磁体并联，构成桥路；所述分流器与所述桥路串联；所述第一转换隔离电路的两个输入端分别与分流器的两端相连，所述第二转换隔离电路的一个输入端与第一桥路电阻和第二桥路电阻的串联端相连、另一输入端与待检超导磁体的线圈的中间点相连；所述示波器的一个输入端与第一转换隔离电路的输出端相连、另一输入端与第二转换隔离电路的输出端相连。

2.如权利要求1所述的失超检测装置，其特征在于，还包括交流电压源和保护电阻，所述交流电压源并联在所述保护电阻的两端，所述保护电阻并联在分流器与桥路串联所构成的电路两端。

3.如权利要求2所述的失超检测装置，其特征在于，工作时，所述分流器用于通过其获取超导磁体的电流，所述第一转换隔离电路用于对分流器的交流电压进行有效值转换，所述第二转换隔离电路用于对桥路电压进行有效值转换，所述示波器用于测量并显示所述交流电压以及桥路电压，所述第一桥路电阻、第二桥路电阻用于构造桥路，所述交流电压源用于提供正弦电压，所述保护电阻用于保护交流电压源。

4.一种基于权利要求1～3所述的失超检测装置的失超检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过将串联的两个桥路电阻与待检超导磁体并联来构造桥路；

(2)当待检超导磁体工作在交流工况下时，以超导磁体电流的频率为采样频率来采样测量桥路电压的有效值；

(3)将所述桥路电压的有效值与阈值电压进行比较，当桥路电压的有效值超过阈值电压，判定超导磁体失超。

5.如权利要求4所述的失超检测方法，其特征在于，所述阀值电压设为1μV/cm×l/2；其中，l为超导磁体的超导线圈的带材长度。

6.如权利要求4所述的失超检测方法，其特征在于，所述第一桥路电阻与第二桥路电阻的阻值之比、与待检超导磁体的相串联的超导线圈的电感之比相等。