CN111273086A - 一种电阻型超导限流器失超恢复测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种电阻型超导限流器失超恢复测试系统，包括待超导限流器无感线圈单元，两个断路器，四个继电器，控制器，恒流电流源，无感电阻以及具有多通道的数据采集卡；超导限流器无感线圈单元两端分别与各断路器相连，数据采集卡通道1分别通过串联的两个继电器并联接入超导限流器无感线圈单元两端，恒流电流源与无感电阻串联形成的支路两端分别通过另两个继电器并连接入超导限流器无感线圈单元两端，数据采集卡通道2并联接入无感电阻两端；由控制器检测各断路器同时发出高电平脉冲信号后控制各继电器全部闭合，并在设定时间内控制自身及各继电器全部复位。本发明可以在交流高压条件下，实现电阻型超导限流器失超恢复时间的快速精准测试。

Description

一种电阻型超导限流器失超恢复测试系统

技术领域

本发明涉及电阻型超导限流器和超导磁体领域，特别涉及一种电阻型超导限流器失超恢复测试系统。

背景技术

失超和失超传播：超导磁体是用超导线带材绕制的磁场产生装置，超导磁体在机械振动、热负荷、电流、外磁场等条件的作用，其内部会出现过热区域，即不再体现超导特性，这种现象被称为失超。当局部输入能量超过一定的阙值，正常态区域将发生失稳扩展，在超导磁体中产生大量损耗，这种现象被称为失超传播。

超导技术在电网中的应用是一项重要的技术革新。当前电网通过变压器构成了复杂的多电压等级网络，大型电站将电能馈入该多层次电网中，电压水平由高到低最终流向家庭和企业。随着我国经济的迅速发展，沿海发达地区的容量急剧增加，短路电流已经超出常规断路器的允许极限。另一方面，随着光伏、风能等可再生能源的大量接入，电网的不稳定性日益严重，很可能会导致大规模断电。虽然可以考虑更改配电网的网络结构，这也可能会导致配电网中的短路电流增加。可以预计，未来大量接入可再生能源的电网将缺乏可靠机制来保护过大短路电流冲击的影响，需要新技术来确保短路故障不会永久损坏电网。

电阻型超导限流器是一种有效的故障电流限制装置。它接入输电线路或者配电网，电阻型超导限流器的无感线圈单元在正常工作时阻值极低，损耗几乎可以忽略；当出现故障电流时，利用超导体在传输临界值以上电流时电阻急剧增加的特性，超导限流器能立即做出反应并在毫秒内产生电阻，该电阻快速有效地限制了故障电流的增加，从而可以有效的保护电网中各种电气设备的安全运行，大大提升电网的稳定性，改善供电的可靠性和安全性。超导体在此过程中被加热，经过短暂恢复后，超导限流器可以重新正常运行。整个过程是全自动的，无需外部干预即可进行。

国内外已经开展了多项超导限流器示范工程项目，在10kV到500kV等多个电压等级做了测试或者示范运行。从基本原理上看，电阻型超导限流器的限流过程是从超导态转变为正常态，这属于失超的过程；其恢复过程是再从正常态重新转变为超导态。恢复过程的快慢取决于超导态重新建立所需要的时间，对失超恢复时间测试可以直接反映超导限流器重新工作所需要的时间；通常情况下，希望尽可能缩短失超恢复时间。

在实际电网中，特别是针对交流和高压工况，对电阻型超导限流器失超恢复过程的测量比低压实验测试复杂的多。当前测量电阻型超导限流器失超恢复过程的一般技术如下：当失超过程发生后，在超导线圈内通入小电流，采用经典的四点法测超导限流器两端的电压，从而计算超导线圈电阻值。通过电阻值的变化判断是否恢复超导电性，如电阻值接近0，或者两端电压值低于1μV/cm，这时候就可认为完全恢复超导状态。

采用上述常规测量系统会出现以下问题：

(1)在高压条件下，接入系统的电流源和采集卡会出现被高压击穿的风险；在强电磁干扰下，数据采集卡受到干扰较大，无法准确测得具体电压数值。这使得高压条件下的在线测量无法实现。

(2)在测量失超恢复过程中，超导限流器恢复时间非常短，常规手段导致很难去测量和观察到恢复过程。

例如中国发明专利公开的一种测量超导带材的失超恢复特性的装置和方法(申请号：201811386639.2)，提出在超导无感线圈单元中通入小电流，可以测量电阻值变化；当电阻值接近零时，可以认为无感线圈恢复超导状态，从而实现对失超恢复过程的检测。但该测量系统工作条件受限，所能承受电压较低，系统较为简单，无法实现在线检测。

综上所述，亟需提出可靠的失超恢复时间测量方法，特别是实现高压条件下的在线检测，可以为超导限流器的市场化应用提供有效的测量和在线监测手段。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种电阻型超导限流器失超恢复测试系统。本发明所提出的测试系统可以在交流高压条件下，实现电阻型超导限流器失超恢复时间的快速精准测试，也可以实现在线测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种电阻型超导限流器失超恢复测试系统，其特征在于，包括待测试的超导限流器无感线圈单元，两个高压断路器K0和K1，四个耐高压继电器K2、K3、K4和K5，控制器，恒流电流源，无感电阻以及具有多通道的数据采集卡；其中，所述超导限流器无感线圈单元两端分别与高压断路器K0和K1相连以接入高压电网，所述数据采集卡的通道1两端分别通过串联的耐高压继电器K2和K3并联接入超导限流器无感线圈单元两端，所述恒流电流源与无感电阻串联形成的支路两端分别通过耐高压继电器K4和K5并连接入超导限流器无感线圈单元两端，所述数据采集卡的通道2并联接入无感电阻两端；所述控制器用于检测高压断路器K0和K1同时发出高电平脉冲信号后控制各耐高压继电器全部闭合，并在设定时间内控制自身及各耐高压继电器全部复位；所述数据采集卡的通道1用于采集超导限流器无感线圈单元两端的电压变化，数据采集卡的通道2用于采集无感电阻两端的电压，数据采集卡将采集到的数据无线传输至远端主机，通过计算得到的超导限流器无感线圈两端的电阻变化，从而判断超导限流器是否恢复失超。

进一步地，所述高压断路器K0和K1，以及耐高压继电器K2、K3、K4和K5的效应时间在1～10ms

进一步地，所述数据采集卡采用的无线传输方式包括Wi-Fi、蓝牙和Zigbee，且传输范围不小于10m。

本发明的特点为：

1、本发明能够在交流高压工况下测试电阻型超导限流器的失超恢复过程，采用高压回路和低压回路两级回路设计，测试时采用先断高压一级回路再接入低压二级回路的方法，其中高压一级回路包括两个高压断路器，低压二级回路包括均采用悬空隔离处理的数据采集卡、Arduino(为一种开源电子原型平台)控制器、恒流电流源和继电器，首先确保电网安全，其次确保测试系统设备安全。

2、对失超恢复电路采用二次保护设计。失超恢复电路采用耐压器件组成，同时在待测试的电阻型超导限流器两端各使用一个高压断路器K0和K1，各高压断路器在断开后发送信号给Arduino控制器，Arduino控制器只有在接收到两路高压断路器信号时才会闭合。若高压断路器K0和K1因为设备故障仅有一个闭合，或者两者闭合的时间差过大，本发明所采用的二次保护设计就可以保证不会让数据采集卡和恒流电流源单边接入高压一级回路，是对失超恢复回路、尤其是数据采集卡等贵重器件进行的二次保护。

3、本发明测试系统响应速度快。经验上，电阻型超导限流器的失超恢复过程一般在几十到几百ms之间，为了更好的记录失超恢复过程，本发明的整个测试系统中，高压断路器响应时间2ms，继电器响应时间4ms，整体响应时间在10ms以内(响应在ms级别)，可以保证准确测到超导限流器失超恢复过程。

4、本发明通过高精度无感电阻对失超恢复过程进行监测。在失超恢复回路(低压二次回路)中串联一个高精度无感电阻，通过监控无感电阻两端电压，即可判断整个失超恢复电路包括两个高压断路器断开、Arduino控制器响应、继电器闭合、恒流电流源开始工作等一系列环节均正常进行。同时还可以监控恒流电流源的工作稳定性，防止由于失超恢复过程中超导线圈电阻的动态变化过程导致的恒流电流源电流的不稳定。

5、本发明测试系统满足重复实验的自复位性。在进行高压测试时，为保证安全整个测试过程中即使电路未接通时也不允许人员进入。因此多次测试时需要考虑系统复位问题。本发明中的高压断路器通过远程开关在控制室内进行复位，数据采集卡和恒流电流源在满电情况下均可以保证6小时以上的稳定工作，而Arduino控制器设定为工作5分钟后自动控制继电器复位为测试初始状态。在一次测试后无需人工进入实验室即可完成设备复位，开始下一次测试。

6、数据采集卡采用Wi-Fi方式进行数据传输，保证数据采集卡不被高压强电磁干扰。无线传输的方式也能够进一步保证安全，避免了极端故障情况下有线传输的信号线可能将高压从实验室引入控制室的危险，确保实验人员的绝对安全。

综上，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明测试系统的响应时间是ms级别，远小于目前失超恢复使用的系统响应。电阻型超导限流器的失超恢复过程一般在几十到几百ms之间。ms级别的系统，更能够准确的测试到失超恢复现象。

2、本发明测试系统采用了多个保护措施，包括失超恢复回路的二级保护设计，采用无线采集卡无线传输，二级回路对地悬浮，系统自复位等手段，确保了在任何情况下都能够保证测试人员、电网电路和失超恢复测试回路的安全。

3、在交流特高压下，普通采集卡的数据传输成为一个十分困扰的问题，需要添加光电隔离来保证其不受电磁影响，以及超导限流器的恢复过程中的电阻会变的比较小，需要避免其他电阻的影响，在数据测量和传输上，本发明测试系统采用Wi-Fi式数据传输避免电磁干扰，以及四点法测量超导限流器两端电阻。

附图说明

图1为本发明实施例的一种交流特高压超导限流器失超恢复系统的电路图。

图2为本发明失超恢复测试流程图。

图3为本发明实施例在10KV交流电网下测到了超导限流器失超恢复数据；其中，(a)为在稳态下通入1A电流后超导线圈两侧的电压；(b)为在故障电流1000A冲击60ms下的失超恢复电压。

具体实施方式

为使本发明的目的、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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种电阻型超导限流器失超恢复测试系统的应用实例。

为了解决当前电阻型超导限流器在交流高压工况下的失超恢复测试问题，需要同时确保设备的安全性和测量的准确性，设计本发明的电阻型超导限流器失超恢复测试系统，参见图1，该测试系统包括：待测试的超导限流器无感线圈单元(该无感线圈单元由超导限流器内的多个超导线圈组成)，两个高压断路器K0和K1，四个耐高压继电器K2、K3、K4和K5，控制器(图1中该控制器未示意出)，恒流电流源，无感电阻以及具有多通道的数据采集卡。其中，超导限流器无感线圈单元两端分别与高压断路器K0和K1相连以接入高压电网，数据采集卡通道1两端分别通过串联的耐高压继电器K2和K3并联接入超导限流器无感线圈单元两端，恒流电流源与无感电阻串联形成的支路两端分别通过耐高压继电器K4和K5并连接入超导限流器无感线圈单元两端，数据采集卡通道2并联接入无感电阻两端；Arduino控制器用于检测高压断路器K0和K1同时发出高电平脉冲信号后控制各耐高压继电器全部闭合，并在设定时间内控制自身及各耐高压继电器全部复位；数据采集卡通道1用于采集超导限流器无感线圈单元两端的电压变化，数据采集卡通道2用于采集无感电阻两端的电压，数据采集卡将采集到的数据无线传输至远端主机，通过计算得到的超导限流器无感线圈两端的电阻曲线会实时显示在主机显示器上，即可以判断超导限流器是否恢复失超。若检测到恢复，则说明超导限流器运行正常，可进行下一阶段测试。若未检测到恢复，则需要根据主机上的获取到的数据进行进一步判断：若主机上无电阻信号，则说明二次回路(即待测试的超导限流器无感线圈单元、四个耐高压继电器、恒流电流源，无感电阻及数据采集卡构成的回路)未正常工作，需要检查二次回路连接和数据采集卡工作状态；若电阻信号较大且没有明显下降，则需要检查超导限流器冷却系统是否正常工作，或者检查超导限流器无感线圈单元是否已发生不可逆损坏导致失超不可恢复；若仅测到极小的超导电阻信号，没有明显电阻下降过程，则说明失超冲击不够，未发生明显失超。

本实施例中各器件的实现方式及功能分别描述如下：

两个高压断路器K0、K1的额定电压和电流为12KV/630A，可以在最大通流630A下正常工作，超过630A会断开，可耐压12KV。高压断路器开关状态的切换信号为由该高压断路器控制器发出的高电平脉冲信号。在15V电压高电平、10ms脉冲信号时，开关理论响应时间为2ms，满足本测试系统毫秒级响应的要求。两个高压断路器用于确保超导限流器从高压线路中断开。高压断路器K0和K1均自带常闭接口，常闭接口使用的是机械结构的行程开关，当高压断路器闭合时，常闭开关处于断开状态，当高压断路器断开时，常闭开关则跟随高压断路器断开的机械动作，完成闭合，从而确保高压断路器从高压电路断开后常闭接口闭合，对本测试系统起到保护作用。此外，高压断路器K0和K1可以根据超导限流器的实际使用电压等级进行选择，可以从10kV到800kV不等；控制信号可以是2-24V高电平信号，脉冲时间为1-100ms，优选10-50ms；最大通流能力也可以根据超导限流器的容量进行选择，可以从100A到10kA不等；响应速度是断路器的最重要指标，本发明所采用高压断路器的响应速度可以小于10ms，优选小于5ms。

四个耐高压继电器K2、K3、K4和K5的额定耐压为12KV，通过高压引线端子串联至电路中，其控制采用Arduino控制器实现(位于实验室内)，可以设定可视化延时和延时断开功能，各耐高压继电器的闭合响应时间为4ms，在收到Arduino控制器发出的15V信号后同时动作，将恒流电流源和数据采集卡接入待测试超导限流器的无感线圈单元两端。此外，本发明的高压断路器和耐高压继电器也可替换成其他可以耐高压响应速度快的开关，也可采用其他满足实际测试需求的相应元件。

恒流电流源采用锂电池供电的电路板，可以满足向22欧姆的无感电阻负载输出1A稳定电流，误差小于±1％。锂电池悬空浮地，用于避免强电将其击穿。此外，锂电池可以替换成蓄电池或者干电池等可对地绝缘的供电设备。

数据采集卡采用Wi-Fi传输方式跟远端主机连接，用于将测量的数据远程传输到远端主机。选择无线连接方式可以避免数据采集卡受到强电和强磁的干扰无法准确的测量电压。数据采集卡由其自带的蓄电池供电，浮地悬空，避免强电将其击穿。此外，数据采集卡还可采用蓝牙、Zigbee等无线传输方式，需满足不小于10m的传输范围。本实施例的数据采集卡采用北京原力辰超导技术有限公司开发的EF-inside系列数据采集卡，其采集频率1000Hz，满足对失超恢复现象的测试需求，采集数据精度可达μV，传输距离20m，可以安全有效的将电压数据传输至远端主机。

无感电阻串联至恒流电流源回路。通过数据采集卡通道2监测无感电阻两端的电压，可以监控恒流电流源的电流稳定性，保证失超恢复过程中恒流电流源成功接入超导限流器无感线圈单元并输出稳定电流。

在当前具体实例中，电阻型超导限流器工作在10kV交流高压电网中。高压电路经过电网侧的监控和控制前端电路，接入电阻型超导限流器。超导限流器正常工作时，理论上无电阻的，但是实际情况中由于超导的焊接点电阻和部分材料缺陷，超导电路中存在一个较小的电阻。此时的高压断路器K0和K1处于闭合状态，其自带的常闭接口则是断开的，耐高压继电器K2、K3、K4和K5断开，此时数据采集卡、无感电阻和恒流电流源均未接入高压电路中。高压电网中的电流经过电阻型超导限流器再接入负载电路(用户端的一系列用电设备)，然后返回高压电网。

当故障电流产生时，超导限流器无感线圈受到大电流冲击失去超导特性，进入失超状态，超导限流器无感线圈电阻增加。前端电路在检测到故障电流之后发出两个高电平信号给高压断路器K0和K1的断开节点，高压断路器K0和K1在2ms之内断开，高压断路器常闭接口在高压断路器断开后闭合，并分别在闭合后给Arduino控制器发出高电平脉冲信号。此时，Arduino控制器接收到2个高压断路器发出的2路高电平脉冲信号后控制耐高压继电器K2、K3、K4和K5快速闭合形成失超恢复检测电路。Arduino控制器设置了5分钟后控制自身及4个耐高压继电器自动复位，避免人员在有多次测量的需求时进入到高压环境中手动复位本测试系统。数据采集卡相应通道并联到超导限流器无感线圈和无感电阻两端，无感电阻和恒流电流源串联到超导限流器无感线圈单元的两端，恒流电流源输出0.5-10A之间的稳定可控电流(优选1A)，数据采集卡通道1测量超导限流器无感线圈单元两端的电压变化，数据采集卡通道2监控失超恢复检测电路中的电流稳定性，就可以计算出超导限流器无感线圈单元的电阻值变化。由于故障电流被断开，超导限流器的无感线圈被重新冷却，电阻逐渐降低，这一过程就是超导限流器失超恢复的过程。

数据采集卡采用四点法接在超导限流器两端，测试超导限流器无感线圈单元两端电阻的电压值，避免了耐高压继电器触点和高压断路器常闭接口的电阻影响。

Arduino控制器同时接收两路高电平电压信号才会执行闭合动作，即在确保高压断路器K0和高压断路器K1都收到了其控制器发出高电平电压信号之后才会闭合四个耐高压继电器。如果Arduino控制器只收到一路高压断路器的高电平脉冲信号则不会向四个耐高压继电器发出闭合信号。在本测试系统中，若高压断路器K0和K1因为设备故障仅有一个闭合，或者两者闭合时间差过大，本发明所采用上述结构设计就可以保证不会让数据采集卡和恒流电流源单边接入高压电路，是对失超恢复回路的二次保护。其中高电平信号为2-24V可调信号(优选15V信号)。

本发明测试系统的整体工作流程参见图2，具体为：

前端电路发出大电流对超导限流器无感线圈单元冲击一定时间，此时控制器会发出高电平信号给两个高压断路器，高压断路器收到高电平信号后断开，常闭开关闭合，两个高电压断路器再分别发出高电平信号给Arduino控制器，使得四路耐高压继电器闭合，恒流电流源和数据采集卡接入失超恢复检测电路中，开始失超恢复过程。此时恒流电流源输出恒定电流，数据采集卡会把通道1和2的数据远程传输到主机，通过计算电阻型限流器两端电阻，判断超导限流器是否恢复失超，当超导限流器无感线圈单元两端的电阻从最高值下降至为0时，超导限流器失超恢复完成，失超恢复时间是其无感线圈单元的电阻从最高值下降至接近0时所需时间。整个系统理论上可以在在10ms之内进行响应动作，将超导限流器无感线圈单元两端的高压电路断开并接入失超恢复检测电路，本测试系统可安全有效的进行测量失超恢复过程的多次测量。

以上是当前的具体实施例，作为发明内容，针对不同的实际测试场景和测试需求，可以选择不同型号的高压断路器，继电器和采集模块，Arduino控制器也可以编程控制不同的响应和复位时间，可满足不同电阻型超导断路器失超恢复过程的测量需求。

本发明实施例的测试系统在10KV交流电网下测量到的超导限流器失超恢复数据如下：

在液氮稳态下，超导线圈中通入1A电流，超导线圈电压如图3中(a)所示，超导线圈两侧电压为0.01V，限流器加连接线焊点电阻为10mΩ。在故障电流1000A下冲击60ms，通过本发明测试系统观察到明显失超恢复，如图3中(b)所示，初始状态高压继电器开关断开，耐压继电器开关闭合瞬间，电压达到2.03V，经过720ms后，电压值为20mV，以降到峰值电压的百分之一为失超恢复的判据，失超恢复时间为720ms。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种电阻型超导限流器失超恢复测试系统，其特征在于，包括待测试的超导限流器无感线圈单元，两个高压断路器K0和K1，四个耐高压继电器K2、K3、K4和K5，控制器，恒流电流源，无感电阻以及具有多通道的数据采集卡；其中，所述超导限流器无感线圈单元两端分别与高压断路器K0和K1相连以接入高压电网，所述数据采集卡的通道1两端分别通过串联的耐高压继电器K2和K3并联接入超导限流器无感线圈单元两端，所述恒流电流源与无感电阻串联形成的支路两端分别通过耐高压继电器K4和K5并连接入超导限流器无感线圈单元两端，所述数据采集卡的通道2并联接入无感电阻两端；所述控制器用于检测高压断路器K0和K1同时发出高电平脉冲信号后控制各耐高压继电器全部闭合，并在设定时间内控制自身及各耐高压继电器全部复位；所述数据采集卡的通道1用于采集超导限流器无感线圈单元两端的电压变化，数据采集卡的通道2用于采集无感电阻两端的电压，数据采集卡将采集到的数据无线传输至远端主机，通过计算得到的超导限流器无感线圈两端的电阻变化，从而判断超导限流器是否恢复失超。

2.根据权利要求1所述的电阻型超导限流器失超恢复测试系统，其特征在于，所述高压断路器K0和K1，以及耐高压继电器K2、K3、K4和K5的效应时间在1～10ms。

3.根据权利要求1所述的电阻型超导限流器失超恢复测试系统，其特征在于，所述数据采集卡采用的无线传输方式包括Wi-Fi、蓝牙和Zigbee，且传输范围不小于10m。

4.根据权利要求1所述的电阻型超导限流器失超恢复测试系统，其特征在于，所述高压断路器K0和K1的电压等级根据超导限流器的工作电压等级选择为10kV～800kV，所述高压断路器K0和K1的最大通流能力根据超导限流器的容量选择为100A～10kA；所述高压断路器K0和K1的控制信号为2-24V高电平信号，脉冲时间为1-10ms。

5.根据权利要求1所述的电阻型超导限流器失超恢复测试系统，其特征在于，所述控制器采用Arduino控制器。

6.根据权利要求1所述的电阻型超导限流器失超恢复测试系统，其特征在于，所述恒流电流源采用对地绝缘的供电设备，包括锂电池、蓄电池和干电池；该恒流电流源浮地悬空设置，避免被强电击穿。

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