CN110136914A - 一种混合磁体联锁安全保护方法 - Google Patents

一种混合磁体联锁安全保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合磁体联锁安全保护方法，包括以下步骤：在水冷磁体运行过程中，实时采集包括水冷磁体工作电流、线圈电压、入口水温、出口水温、入口水压和出口水压在内的水冷磁体运行参数，并对采集数据进行滤波处理；基于水冷磁体线圈电阻数学模型，计算磁体相对电阻偏差；基于水冷磁体工作电流与数据采集时间，计算水冷磁体工作电流变化率；基于所计算的磁体相对电阻偏差、水冷磁体运行参数与水冷磁体工作电流变化率，根据混合磁体联锁安全保护机制，对混合磁体中的水冷磁体和超导磁体进行联锁保护。本发明在混合磁体实际运行中的根据内水冷磁体的不同程度的故障态确定不同的保护模式，更具适应性，能够很好的确保混合磁体的安全运行。

Description

一种混合磁体联锁安全保护方法
技术领域
本发明涉及特种设备和装置的保护技术领域，具体是一种混合磁体联锁安全保护方法。
背景技术
随着近代科学于技术的迅猛发展，强磁场下的极端实验条件为科学研究取得新的突破性进展提供了新的机遇。强磁场作用下物质内部结构会因为接收到外来刺激而发生改变，从而呈现出的多种多样的新的生物、物理、化学效应和现象，能够帮助我们“看到”物质本性和科学规律。总的来说，强磁场被认为是进行科学研究和实验的重要的条件于工具，强磁场技术被国际上称之为21世纪人们重点关注的科学、工程和技术之一，引起了越来越多科学家的关注。
混和磁体技术经过多年发展，日趋成熟，是国际上已经建成并投入使用的一种稳态强磁场装置。混合磁体是由内部的一个水冷磁体，加一个外部的超导磁体组成。水冷磁体虽然能产生很高的磁场，但是其设计精密，受到电源功率和热应力的限制；超导磁体相比较水冷磁体能够稳定运行，商业化程度高，但受到超导材料临界磁场的限制。混合磁体结合二者优势，可以减少电能损耗，同时为科学研究提供稳定的高强磁场实验条件。
对于水冷磁体，磁体线圈、大功率高稳定电源以及大功率冷却水系统等配套装置均处于极端工作状态；而超导磁体在特殊情况下会发生失超，磁体储存的电磁能会转化为热能，若不能及时采取措施，产生的局部过热可能会导致超导磁体烧毁。特别是当内水冷磁体与外超导磁体同时运行时，内部水冷磁体出现故障，很可能会联锁反应造成外超导磁体出现不可逆的损坏。因此，确定混合磁体联锁安全保护方法，对混合磁装置的安全可靠运行，使装置在出现故障或潜在危险时能够自动进入安全状态尤为重要。
稳态强磁场技术对于科学研究具有重要的意义，目前，美国、法国、日本等国家均建成了超大功率水冷磁体装置。根据文献1[Hybrid RMPS,http://sthmac.magnet.fsu.edu/hybrid/RMPS/index.html,2009]介绍，美国国家强磁场实验室根据磁体线圈端电压V和工作电流I之间关系，计算水冷磁体运行过程中预期线圈端电压VC与实测的线圈端电压Vm之间的差异，从而进行磁体安全保护。文献2[High Magnetic FieldLaboratory of Grenoble.Control-Monitoring System of the 20MW Installation[M].Grenoble:High Magnetic Field Laboratory of Grenoble,1996.12-15.]中阐述法国Grenoble强磁场实验室根据水冷磁体首次运行过程中的工作电流I和线圈端电压V，得到不同工作电流I下的线圈电阻R，拟合出线圈电阻R和工作电流I之间二次关系曲线，在以后运行过程中比较计算出的预期线圈电阻RC和实测线圈电阻Rm。文献3[Y.Nakagawa,G.Kido,S.Miura,et al.Monitoring of a Water-cooled Coil of a Hybrid Magnet by meansof Precise Measurements of Field and Resistance[J].IEEE Trans.magn,1988,24(2):1387-1389]介绍了日本筑波强磁场实验室则是寻求水冷磁体消耗功率P与线圈电阻R之间的关系，依据此关系曲线进行故障检测。根据文献4[李云飞.水冷磁体安全保护系统设计关键技术研究[D].北京:中国科学院大学；中国科学院研究生院,2012.]中介绍，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心的水冷磁体装置，在首次标定运行中确定水冷磁体线圈电阻模型R＝R0+A I+B I2+C I3+...+N In，随后运行中根据线圈电阻模型计算出预期线圈端阻，并与实测的线圈电阻进行对比进行故障检测与判断。
虽然目前针对水冷磁体的故障检测方法不尽相同、各具特点，但对于混合磁体中水冷磁体与超导磁体同时运行时的保护机制仍不明确。一是在如何根据水冷磁体不同的故障态确定不同模式的安全保护方法；另一个在水冷磁体运行过程中如何确保超导磁体的运行安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合磁体联锁安全保护方法，以建立混合磁体联锁安全保护机制，确定水冷磁体分级保护模式以及超导磁体联锁保护方法，在实际运行中对混合磁体中的水冷磁体和超导磁体进行有效保护。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、在混合磁体运行过程中，实时采集混合磁体中水冷磁体的运行参数，所述水冷磁体的运行参数至少包括水冷磁体的工作电流参数、线圈电压参数、入口水温参数、出口水温参数、入口水压参数和出口水压参数；
(2)、基于水冷磁体运行参数中的线圈电压、工作电流，结合水冷磁体线圈电阻数学模型，计算得到磁体相对电阻偏差；
(3)、基于水冷磁体运行参数中的工作电流，并结合工作电流的数据采集时间，计算水冷磁体工作电流变化率，根据工作电流变化率判断水冷磁体是否出现紧急掉电；
(4)、基于步骤(1)采集的水冷磁体的运行参数，以及步骤(2)计算得到的磁体相对电阻偏差，判断是否需要对水冷磁体进行保护，同时基于步骤(3)对于水冷磁体紧急掉电的判断结果，判断是否需要对超导磁体进行保护，并在水冷磁体、超导磁体需要保护时采取相应的保护措施，由此实现混合磁体中水冷磁体和超导磁体的联锁安全保护。
所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述步骤(1)中，对采集的水冷磁体的运行参数进行滤波处理。
所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述步骤(2)中，磁体相对电阻偏差计算步骤如下：
2a、设水冷磁体的运行参数中，线圈电压为U，工作电流为I，入口水温为TIN，出口水温为TOUT；
2b、计算水冷磁体线圈0℃水温下的实际测量电阻R0m，计算公式如下：
Rm＝U/I，
T＝(TIN+TOUT)/2，
R0m＝Rm/(1+αT)，
其中，Rm为水冷磁体在实际运行过程中的实时测量电阻，T为平均水温，α为线圈电阻热系数；
2c、根据水冷磁体线圈电阻数学模型，得到水冷磁体线圈于电流为I时的0℃水温下的预期电阻R0C；
2d、计算出R0m相对于R0C的偏差ε，即为磁体相对电阻偏差，计算公式如下：
所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在稳态强磁场实验装置混合磁体内水冷磁体安全保护系统软件中判断水冷磁体是否出现紧急掉电，步骤如下：
3a、令计数标志变量COUT＝0，水冷磁体紧急掉电状态位FDFlag＝0；
3b、设定水冷磁体工作电流变化率阈值△Imax，以及计数标志变量阈值COUNTmax；
3c、设水冷磁体工作电流变化率为△I，判断水冷磁体工作电流变化率△I是否小于阈值△Imax，若是则执行步骤3d，否则执行3a；
3d、令COUNT＝COUNT+1，判断COUNT是否大于等于COUNTmax，若是则执行步骤3e，否则执行3b；
3e、令水冷磁体紧急掉电状态位FDFlag＝1，表示水冷磁体处于紧急掉电状态，此时需要对超导磁体进行保护。
所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述步骤(4)中，对超导磁体的保护方法为：当水冷磁体出现紧急掉电，即水冷磁体紧急掉电状态位FDFlag＝1时，此时判断需要对超导磁体进行保护，并对超导磁体进行断电保护。
所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述步骤(4)中，判断是否需要对水冷磁体进行保护的过程如下：
分别预设水冷磁体运行参数中的入口水温、出口水温、入口水压、出口水压的预期值，并预设磁体相对电阻偏差的一档阈值、二档阈值和三档阈值，其中一档阈值〉二档阈值〉三档阈值；
当水冷磁体的入口水温、出口水温、入口水压、出口水压分别超过各自对应的预期值，或磁体相对电阻偏差超过一档阈值时，判断需要执行一级故障保护模式；
当磁体相对电阻偏差超过二档阈值时，判断需要执行二级故障保护模式；
当磁体相对电阻偏差超过三档阈值时，判断需要进行三级故障保护模式。
所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述的一级故障保护模式为对水冷磁体进行慢降电保护，即以水冷磁体上电的速率将水冷磁体电流下降到0A。
所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述的二级故障保护模式为对水冷磁体进行快降电保护，即以2000A/s的速率将水冷磁体电流下降到0A。
所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述的三级故障保护模式为对水冷磁体进行断电保护。
下面对上述各个方法步骤作进一步说明。
水冷磁体运行数据采集：典型的水冷磁体运行时参数有工作电流、线圈端电压、冷却水入口水温、冷却水出口水温、冷却水入口水压、冷却水出口水压，所有参数采样率为20ksps。
对采集数据进行处理：对所有采集参数进行5ms内的平均滤波，50ms内的滑动窗口滤波。
由水冷磁体线圈电阻模型R＝R0+AI+B I2+C I3+...+N In，其中，I是流经磁体的电流，计算当前工作电流I下的预期线圈电阻。由实时采集的线圈电压和工作电流，得到实测线圈电阻。把预期线圈电阻与实测线圈电阻进行对比，两者偏差反映当前工作电流下的水冷磁体运行状态。
由水冷磁体电流值与数据采样率，计算水冷磁体工作电流变化率，如果连续COUTmax次数的水冷工作电流的变化率小于设定阈值，判断水冷磁体处于紧急掉电状态。
确定混合磁体故障判断机制：当混合磁体中内水冷磁体处于异常工作状态时，磁体线圈电阻的阻值就会发生较大变化，可以对水冷磁体线圈电阻进行检测来达到保护磁体的目的。在水冷磁体实际运行过程中，依据水冷磁体线圈电阻数学模型，得到预期线圈电阻。同时，由实时采集的线圈电压和工作电流，可得到实测线圈电阻。把预期线圈电阻与实测线圈电阻进行对比，两者偏差反映当前工作电流下的水冷磁体运行状态，根据相对电阻偏差的数值大小的不同，对磁体采取不同的保护方法。当水冷磁体入口水温、出口水温、入口水压、出口水压超过预期值，或相对电阻偏差超过一档阈值时，对水冷磁体进行慢降电保护；当相对电阻偏差超过二档阈值时，对水冷磁体进行快降电保护；当相对电阻偏差超过三档阈值时，对水冷磁体进行快降电保护；对水冷磁体进行断电保护。此外，若水冷磁体运行中因故障出现紧急掉电状态，对超导磁体进行断电保护。
本发明作为现有技术的改进，具有以下优点：
本发明在混合磁体实际运行中的根据内水冷磁体的不同程度的故障态确定不同的保护模式，更具适应性；基于混合磁体的内水冷状态对外超导磁体进行联锁保护，能够很好的确保混合磁体的安全运行，特别是避免了内水冷磁体的掉电保护对超导磁体的毁坏性影响。
附图说明
图1是本发明混合磁体在实际运行过程中的联锁保护流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细解释：
图1为水冷磁体在首次运行时的保护流程，具体包括：
步骤1：采集水冷磁体运行时参数有工作电流、线圈端电压、冷却水入口水温、冷却水出口水温、冷却水入口水压、冷却水出口水压等，所有参数采样率为20ksps。对所有采集参数进行5ms内的平均滤波，50ms内的滑动窗口滤波。
步骤2：计算出水冷磁体在实际运行过程中的实时测量电阻Rm，并转化为0℃水温下的电阻R0m，计算公式如下：
Rm＝U/I
T＝(TIN+TOUT)/2
R0m＝Rm/(1+αT)
其中U为水冷磁体线圈实测电压，I为水冷磁体线圈的实测电流，TIN为入口水温度、TOUT为出口水温度，Rm为水冷磁体在实际运行过程中的实时测量电阻，T为平均水温，α为线圈电阻热系数。
根据线圈电阻计算模型R＝R0+A I+B I2+C I3+...+N In，计算得出磁体线圈于电流I时的0℃预期电阻R0C。
计算出R0m相对于R0C的磁体相对电阻偏差ε，计算公式如下：
步骤3：在稳态强磁场实验装置混合磁体内水冷磁体安全保护系统软件中判断水冷磁体是否处于紧急掉电状态，由水冷磁体电流值与数据采样率，计算水冷磁体工作电流变化率，如果连续COUTmax次数的水冷工作电流的变化率小于设定阈值，判断水冷磁体处于紧急掉电状态。具体步骤为:
3a、计数标志变量COUT＝0，水冷磁体紧急掉电状态位FDFlag＝0；
3b、计算水冷磁体工作电流变化率△I；
3c、判断△I是否小于阈值△Imax，若是则执行步骤3d，否则执行3a
3d、COUNT＝COUNT+1，判断COUNT是否大于等于阈值COUNTmax，若是则执行步骤3e，否则执行3b；
3e、水冷磁体紧急掉电状态位FDFlag＝1。
其中阈值△Imax、COUNTmax值根据装置性能要求并结合磁体实际运行状况综合确定。
步骤4：判断水冷磁体紧急掉电状态位FDFlag是否为1，若是，则执行步骤6，否则结束。
步骤5：对超导磁体进行断电保护。
步骤6：判断入口水温TIN是否大于阈值TINmax、出处口水温TOUT是否大于阈值TOUTmax、入口水压PIN是否大于阈值PINmax、出处口水压POUT是否大于阈值POUTmax、磁体相对电阻偏差ε是否大于一档阈值ε1。若是，则执行步骤9，否则执行步骤7。
步骤7：判断磁体相对电阻偏差ε是否大于二档阈值ε2，若是，执行步骤10，否则执行步骤8。
步骤8：判断磁体相对电阻偏差ε是否大于三档阈值ε3(磁体相对电阻偏差阈值0<ε1<ε2<ε3)，若是，执行步骤11，否则结束。
步骤9：对水冷磁体进行慢降电保护。
步骤10：对水冷磁体进行快降电保护。
步骤11：对水冷磁体进行断电保护。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (9)

1.一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、在混合磁体运行过程中，实时采集混合磁体中水冷磁体的运行参数，所述水冷磁体的运行参数至少包括水冷磁体的工作电流参数、线圈电压参数、入口水温参数、出口水温参数、入口水压参数和出口水压参数；
(2)、基于水冷磁体运行参数中的线圈电压、工作电流，结合水冷磁体线圈电阻数学模型，计算得到磁体相对电阻偏差；
(3)、基于水冷磁体运行参数中的工作电流，并结合工作电流的数据采集时间，计算水冷磁体工作电流变化率，根据工作电流变化率判断水冷磁体是否出现紧急掉电；
(4)、基于步骤(1)采集的水冷磁体的运行参数，以及步骤(2)计算得到的磁体相对电阻偏差，判断是否需要对水冷磁体进行保护，同时基于步骤(3)对于水冷磁体紧急掉电的判断结果，判断是否需要对超导磁体进行保护，并在水冷磁体、超导磁体需要保护时采取相应的保护措施，由此实现混合磁体中水冷磁体和超导磁体的联锁安全保护。
2.根据权利要求1所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述步骤(1)中，对采集的水冷磁体的运行参数进行滤波处理。
3.根据权利要求1所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述步骤(2)中，磁体相对电阻偏差计算步骤如下：
2a、设水冷磁体的运行参数中，线圈电压为U，工作电流为I，入口水温为TIN，出口水温为TOUT；
2b、计算水冷磁体线圈0℃水温下的实际测量电阻R0m，计算公式如下：
Rm＝U/I，
T＝(TIN+TOUT)/2，
R0m＝Rm/(1+αT)，
其中，Rm为水冷磁体在实际运行过程中的实时测量电阻，T为平均水温，α为线圈电阻热系数；
2c、根据水冷磁体线圈电阻数学模型，得到水冷磁体线圈于电流为I时的0℃水温下的预期电阻R0C；
2d、计算出R0m相对于R0C的偏差ε，即为磁体相对电阻偏差，计算公式如下：
4.根据权利要求1所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在稳态强磁场实验装置混合磁体内水冷磁体安全保护系统软件中判断水冷磁体是否出现紧急掉电，步骤如下：
3a、令计数标志变量COUT＝0，水冷磁体紧急掉电状态位FDFlag＝0；
3b、设定水冷磁体工作电流变化率阈值△Imax，以及计数标志变量阈值COUNTmax；
3c、设水冷磁体工作电流变化率为△I，判断水冷磁体工作电流变化率△I是否小于阈值△Imax，若是则执行步骤3d，否则执行3a；
3d、令COUNT＝COUNT+1，判断COUNT是否大于等于COUNTmax，若是则执行步骤3e，否则执行3b；
3e、令水冷磁体紧急掉电状态位FDFlag＝1，表示水冷磁体处于紧急掉电状态，此时需要对超导磁体进行保护。
5.根据权利要求1或4所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述步骤(4)中，判断是否需要对超导磁体进行保护以及对超导磁体的保护方法为：当水冷磁体出现紧急掉电，即水冷磁体紧急掉电状态位FDFlag＝1时，此时判断需要对超导磁体进行保护，并对超导磁体进行断电保护。
6.根据权利要求1所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述步骤(4)中，判断是否需要对水冷磁体进行保护的过程如下：
分别预设水冷磁体运行参数中的入口水温、出口水温、入口水压、出口水压的预期值，并预设磁体相对电阻偏差的一档阈值、二档阈值和三档阈值，其中三档阈值〉二档阈值〉一档阈值；
当水冷磁体的入口水温、出口水温、入口水压、出口水压分别超过各自对应的预期值，或磁体相对电阻偏差超过一档阈值时，判断需要执行一级故障保护模式；
当磁体相对电阻偏差超过二档阈值时，判断需要执行二级故障保护模式；
当磁体相对电阻偏差超过三档阈值时，判断需要进行三级故障保护模式。
7.根据权利要求6所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述的一级故障保护模式为对水冷磁体进行慢降电保护，即以水冷磁体上电的速率将水冷磁体电流下降到0A。
8.根据权利要求6所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述的二级故障保护模式为对水冷磁体进行快降电保护，即以2000A/s的速率将水冷磁体电流下降到0A。
9.根据权利要求6所述的一种混合磁体联锁安全保护方法，其特征在于：所述的三级故障保护模式为对水冷磁体进行断电保护。
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