CN115902726B - 一种超导磁体线圈失超检测方法及装置 - Google Patents

一种超导磁体线圈失超检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超导磁体线圈失超检测方法及装置，包括：确定两条超导导线的电流；两条超导导线并联共绕，两条超导导线绕制过程中彼此紧密贴合，共同绕制成超导磁体线圈，使两条超导导线分别的自感值和两条超导导线彼此之间的互感值接近；由于两条超导导线的自感值和互感值接近，当某条超导导线失超或两条超导导线均失超且电阻差异明显时，两条超导导线上电流的重新分布程度相对较大，可通过两条超导导线电流变化率的差值或预设时间内两条导线电流差值的变化量判断超导导线是否失超。本发明克服电压检测法检测的微小阻性电压信号容易淹没于磁体大电感感性电压噪声中的弊端，解决电压检测法直流电源叠加的高频谐波易在电压测量时感应出噪声的问题。

Description

一种超导磁体线圈失超检测方法及装置
技术领域
本发明属于超导磁体线圈领域，更具体地，涉及一种超导磁体线圈失超检测方法及装置。
背景技术
根据超导磁体失超的物理过程，用以检测的物理量主要包括超导体温度信号、冷却液温度信号(可通过冷却液流速、压力、液面等信号测得)、电压信号、功率信号、应力应变信号等。根据检测信号的不同，现有常见的失超检测方法主要包括电压检测法、分布式光纤测温法、杂散电容检测法、有源功率法、超声波检测法等。目前，受到广泛应用的电学失超检测方法是电压检测法，但受限于原理，该方法都存在一定的局限性。由于电压检测法检测的微小阻性电压信号容易淹没于磁体大电感感性电压噪声中，故高灵敏度失超检测难度大；此外，由于直流电源常叠加高频谐波，易在电压测量时感应出噪声，同样使得基于电压信号的检测方法灵敏度难以提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超导磁体线圈失超检测方法及装置，旨在解决现有超导磁体失超检测方法复杂且检测灵敏度低的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种超导磁体线圈失超检测方法，包括如下步骤：
确定两条超导导线的电流；所述两条超导导线并联共绕，所述并联共绕为两条超导导线并联，两条超导导线绕制过程中彼此紧密贴合，共同绕制成超导磁体线圈，使两条超导导线分别的自感值和两条超导导线彼此的互感值接近；所述接近指差值绝对值小于阈值；
若两条超导导线电流变化率的差值绝对值超出第一预设值，则当超导磁体线圈处于充电状态时，电流变化率绝对值相对较小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于稳定工作状态时，电流减小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于放电状态时，电流变化率绝对值相对较大的导线发生失超；或若在预设时间内两条导线电流差值的变化量绝对值超出第二预设值，则当超导磁体线圈处于充电状态时，电流变化量绝对值相对较小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于稳定工作状态时，电流减小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于放电状态时，电流变化量绝对值相对较大的导线发生失超；特别指出，上述判据中使用的电流为实际流过超导导线电流的绝对值，即超导导线电流变化率为电流绝对值变化率、电流减小为电流绝对值减小以及电流变化量为电流绝对值变化量；其中，由于两条超导导线的自感值和互感值接近，当某条超导导线失超或两条超导导线均失超且电阻差异明显时，两条超导导线上电流的重新分布程度相对较大，可通过两条超导导线电流变化率的差值或两条导线电流差值的变化量判断超导导线是否失超。
在一个可选的示例中，所述检测方法适用于交流超导磁体线圈。
在一个可选的示例中，所述并联共绕包括如下情形：
1)导线与导线之间绝缘且端部理想短接；
2)导线与导线之间非理想绝缘且端部理想短接；
3)导线与导线之间绝缘且端部连接存在电阻；
4)导线与导线之间非理想绝缘且端部连接存在电阻。
在一个可选的示例中，通过开环式霍尔电流传感器检测所述超导导线的电流。
第二方面，本发明提供了一种超导磁体线圈失超检测装置，包括：两个开环电流霍尔传感器和处理单元；
所述两个开环式霍尔电流传感器用于检测两条超导导线的电流；所述两条超导导线并联共绕，所述并联共绕为两条超导导线并联，两条超导导线绕制过程中彼此紧密贴合，共同绕制成超导磁体线圈，使两条超导导线分别的自感值和两条超导导线彼此的互感值接近；所述接近指差值绝对值小于阈值；
所述处理单元，用于获取两个开环式霍尔电流传感器的电流检测结果，并根据检测结果判断超导磁体线圈是否失超，具体为：若两条超导导线电流变化率的差值绝对值超出第一预设值，则当超导磁体线圈处于充电状态时，电流变化率绝对值相对较小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于稳定工作状态时，电流减小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于放电状态时，电流变化率绝对值相对较大的导线发生失超；或若在预设时间内两条导线电流差值的变化量绝对值超出第二预设值，则当超导磁体线圈处于充电状态时，电流变化量绝对值相对较小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于稳定工作状态时，电流减小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于放电状态时，电流变化量绝对值相对较大的导线发生失超；特别指出，上述判据中使用的电流为实际流过超导导线电流的绝对值，即超导导线电流变化率为电流绝对值变化率、电流减小为电流绝对值减小以及电流变化量为电流绝对值变化量；其中，由于两条超导导线的自感值和互感值接近，当某条超导导线失超或两条超导导线均失超且电阻差异明显时，两条超导导线上电流的重新分布程度相对较大，可通过两条超导导线电流变化率的差值或两条导线电流差值的变化量判断超导导线是否失超。
在一个可选的示例中，所述检测装置适用于交流超导磁体线圈。
在一个可选的示例中，所述并联共绕包括如下情形：
1)导线与导线之间绝缘且端部理想短接；
2)导线与导线之间非理想绝缘且端部理想短接；
3)导线与导线之间绝缘且端部连接存在电阻；
4)导线与导线之间非理想绝缘且端部连接存在电阻。
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，具有以下有益效果：
本发明提供一种超导磁体线圈失超检测方法及装置，由于两条超导导线的自感值和互感值接近，当某条超导导线失超或两条超导导线均失超且电阻差异明显时，两条超导导线上电流的重新分布程度相对较大，可通过两条超导导线电流变化率的差值或两条导线电流差值的变化量判断超导导线是否失超，能够克服电压检测法检测的微小阻性电压信号容易淹没于磁体大电感感性电压噪声中的弊端。可以解决电压检测法直流电源叠加的高频谐波易在电压测量时感应出噪声的问题。与现有基于抵消感应电压的常导共绕电压检测法相比，由于整个线圈全部使用超导导线，因而保证了超导强磁体的电流密度，有利于强磁场的产生。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超导磁体线圈失超检测方法流程图；
图2(a)是本发明实施例提供的并联共绕线圈示意图；
图2(b)是本发明实施例提供的并联共绕线圈的俯视图；
图2(c)是本发明实施例提供的并联共绕线圈的剖面图；
图3是本发明实施例提供的失超检测方法电路原理图；
图4是本发明实施例提供的去耦等效电路图；
图5是本发明实施例提供的充电状态、正常工作状态以及放电状态下的电流示意图；
图6是本发明实施例1的失超电压与冲击电流实验数据图；
图7是本发明实施例1的电流偏移与重新分布实验数据图；
图8是本发明实施例2的失超电压与冲击电流实验数据图；
图9是本发明实施例2的电流偏移与重新分布实验数据图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明实施例提供的超导磁体线圈失超检测方法流程图；如图1所示，包括如下步骤：
S101，确定两条超导导线的电流；所述两条超导导线并联共绕，所述并联共绕为两条超导导线并联，两条超导导线绕制过程中彼此紧密贴合，共同绕制成超导磁体线圈，使两条超导导线分别的自感值和两条超导导线彼此的互感值接近；所述接近指差值绝对值小于阈值；
S102，若两条超导导线电流变化率的差值绝对值超出第一预设值，则当超导磁体线圈处于充电状态时，电流变化率绝对值相对较小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于稳定工作状态时，电流减小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于放电状态时，电流变化率绝对值相对较大的导线发生失超；或若在预设时间内两条导线电流差值的变化量绝对值超出第二预设值，则当超导磁体线圈处于充电状态时，电流变化量绝对值相对较小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于稳定工作状态时，电流减小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于放电状态时，电流变化量绝对值相对较大的导线发生失超；特别指出，上述判据中使用的电流为实际流过超导导线电流的绝对值，即超导导线电流变化率为电流绝对值变化率、电流减小为电流绝对值减小以及电流变化量为电流绝对值变化量；其中，由于两条超导导线的自感值和互感值接近，当某条超导导线失超或两条超导导线均失超且电阻差异明显时，两条超导导线上电流的重新分布程度相对较大，可通过两条超导导线电流变化率的差值或两条导线电流差值的变化量判断超导导线是否失超。
可选地，所述检测方法适用于交流超导磁体线圈。
可选地，所述并联共绕包括如下情形：
1)导线与导线之间绝缘且端部理想短接；
2)导线与导线之间非理想绝缘且端部理想短接；
3)导线与导线之间绝缘且端部连接存在电阻；
4)导线与导线之间非理想绝缘且端部连接存在电阻。
采用该失超检测方法的磁体线圈采用并联共绕的方法绕制。绕制线圈的两条超导导线在首尾两端部分别与彼此短接，即两端并联；绕制线圈的两条超导导线在绕制过程中彼此紧密贴合，共同绕制，保证两线圈之间的紧密耦合，线圈示意图、俯视图和剖面图分别如图2(a)、图2(b)及图2(c)所示。
本发明所提出的失超检测方法基于电流信号，失超判据为发生失超后电路参数变化引起的电流重新分布。
本发明所提出失超检测方法的电路拓扑原理图如图3所示。在该电路原理图中，R1、R2为超导导线可能出现的失超电阻，L1、L2、M分别为各支路线圈磁体自感和互感，u1、u2、i1、i2分别为两支路电感电压与两支路电流，S1为电路开关。
对上述原理图进行去耦等效，得到电路原理图如图4所示。
失超后因电路参数改变而引起的电流重新分布发生在在图4所示的回路I中。由于在发明提出的失超检测方法中，线圈通过并联共绕方式进行绕制，绕制过程中两并联线圈紧密贴合，两线圈紧密耦合，故L1、L2、M分别接近相等，回路I的等效电感为L1+L2-2M约等于0，不易受外界的电磁干扰，失超后电流在回路I中的重新分布现象非常明显。
详细的理论推导如下：
考虑到电感L1、L2为增强型耦合，由电感电压与电流的关系公式得：
由基尔霍夫电压定律，对于两电感构成的回路，有：
u1+R1i1＝u2+R2i2
由基尔霍夫电流定律，对于电路中开关S1闭合时，有：
i1+2＝i
联立式以上4式，得到关于i1、i2的微分方程分别为：
使用表征电流在回路中的重新分布，得到：
由于本失超检测方法的磁体采用并联共绕的方法绕制，两并联磁体的自感之差远小于互感与自感之差，故在失超发生时，上式的第一项可以忽略，得到：
在失超发生前，失超发生前电路两支路对偶，两支路电流接近相等，且在失超发生前失超电阻R1、R2为零，故在未发生失超时
当失超发生时，从表达式可以得出，一方面，在两线圈紧密耦合的情况下，2M-L1-L2的值约等于零，表达式的分母很小；另一方面，失超发生前电路两支路对偶，两支路电流接近相等，且失超发生时刻几乎不可能出现两支路失超电阻相同的情况，故表达式的分子相较于分母很大。因此失超发生时电流的重新分布程度很大。
图5是本发明实施例提供的充电状态、正常工作状态以及放电状态下的电流绝对值示意图；如图5所示，(a)-(e)五幅小图中1代表未失超导线，2代表失超导线。
充电状态下的电流如图5中(a)和(b)所示，未失超时，两条超导导线的电流均增加。当其中一条超导导线失超或者两条超导导线均失超但失超电阻差距较大时，两条超导导线的电流由于电流的重新分布发生不同的变化。其中，(a)代表两条超导导线电流均增加，但是失超导线或两条超导导线均失超但失超电阻较大的导线电流增加速度(电流变化率)变慢。(b)代表两条超导导线中一条导线电流继续增加，且增加速度(电流变化率)变快，另一条导线即失超导线或两条超导导线均失超但失超电阻较大的导线电流减小。参考图5中(a)和(b)，在充电过程中有导线失超的两种情况下，两条超导导线的电流变化率可能全为正，也可能一个为正一个为负，但是失超超导导线电流变化率的绝对值均小于未失超超导导线电流的变化率绝对值。
正常工作状态下的电流如图5中(c)所示，未失超时，两条超导导线电流基本恒定。当其中一条超导导线失超或者两条超导导线都失超但失超电阻差距较大时，两条超导导线的电流由于电流的重新分布发生不同的变化，失超的导线电流减小，未失超的电流增加。
放电状态下的电流如图5中(d)和(e)所示，未失超时，两条超导导线电流均减小。当其中一条超导导线失超或者两条超导导线均失超但失超电阻差距较大时，两条超导导线的电流由于电流的重新分布发生不同的变化。其中，(d)代表两条超导导线电流均减小，但是失超导线或两条超导导线均失超但失超电阻较大的导线电流减小速度(电流变化率)变快。(e)代表两条超导导线中一条导线电流增加，另一条导线即失超导线或两条超导导线均失超但失超电阻较大的导线继续减小，且减小速度(电流变化率)变快。参考图5中(d)和(e)，在放电过程中有导线失超的两种情况下，两条超导导线的电流变化率可能全为负，也可能一个为正一个为负，但是失超超导导线电流变化率的绝对值均大于未失超超导导线电流的变化率绝对值。
结合图5的示例，对于两支路电流变化率之差判据解释如下：
核心判据是的值，若/>则判定流过电流i1的支路失超，反之为i2支路失超。实际应用中为防止微小扰动或仪器测量误差等原因引起的误判断，须在0附近给出一个允许的误差区间[-a,a]，当/>在该区间波动时不认为发生失超，即真正使用的判据为/>和/>其中a是接近于0的某个正数阈值，具体取值根据实际情况确定。若/>则判定流过电流i1的支路失超，若/>则判定流过电流i2的支路失超。
需要说明的是，结合图5给出的示例，无论是图5中(a)-(e)任何一种情况所示，未失超导线的电流变化率的数值均大于失超导线的电流变化率数值，此处的数值指的是代数值。代数值，顾名思义指的是带有正负的，非绝对值的数值。例如：10大于5，-5大于-10等等，不再是绝对值的比较。
结合图5可知，未失超导线的电流变化率(代数值)减去失超导线的电流变化率(代数值)大于0，即两个导线电流变化率(代数值)的差值大于0，即对应：若则判定流过电流i2的支路失超。反之，失超导线的电流变化率(代数值)减去未失超导线的电流变化率(代数值)小于0，即两个导线电流变化率(代数值)的差值小于0，即对应：若则判定流过电流i1的支路失超。
结合图5的示例，对于预定时间两支路电流差的变化量判据解释如下：
核心判据是两个支路电流差i1(t)-i2(t)的变化量，其中i1(t)和i2(t)表示两支路电流，为方便行文表述，令t时刻两条支路的电流差为Id(t)＝i1(t)-i2(t)。若预定时间[t1,t2]内，电流差的变化量绝对值|Id(t2)-Id(t1)|大于阈值，则判定发生失超，其中t2>t1。
需要说明的是，结合图5给出的示例，无论是图5中(a)-(e)任何一种情况所示，未失超导线电流变化量的数值均大于失超导线电流变化量的数值，此处的数值指的是代数值。例如图5中(a)所示，两个导线电流的变化量均为正值，且未失超电流的变化量大于失超电流变化量，如图5中(b)，未失超电流的变化量为正值，失超电流的变化量为负值，正值显然大于负值(此处应加入放电情况下的简单说明，来阐述图(d)中电流都减小，即都为负值，但减小程度少支路的电流变化量代数值大于减小程度大的)。因此，在判定已经发生失超的前提下，失超支路判定的依据是：若i1(t2)-i1(t1)<i2(t2)-i2(t1)，则判定流过电流i1的支路失超，反之则判定流过电流i2的支路失超。
本发明的一个实施例是针对并绕超导磁体稳态工作模式下的失超检测。对于临界电流为123.59A的并绕超导磁体线圈，在工作电流为80A的情况下进行失超检测。使用开环式电流霍尔传感器检测各支路电流，发生失超后，可观察到电流明显的重新分布，实验结果如图6、图7所示。图6中冲击电流为额外施加在导线上的旁路电流，该电流使导线运行电流超过临界电流从而使导线失超；失超电压为导线失超段两端的电压。图7中，电流偏移指的是电流相对起始时刻的差值，由于两条导线并联，则总电流的偏移基本为零，有导线失超后，失超支路的电流减小，且电流变化率相对较大，未失超支路的电流增加，电流偏移变化率同样较大。
需要说明的是，本领域技术人员显然得知，上述失超方式仅以过电流失超为例进行举例，本发明方法仅关注对失超的检测，置于因何种原因失超并不关注，因此本发明也不对此做任何限定。
本发明的另一个实施例是针对并绕超导磁体充电过程中的失超检测。对于临界电流为123.59A的并绕超导磁体线圈，以1000mA/s的充电速率充电至70A进行失超检测。使用开环电流霍尔传感器检测各支路电流，与图6和图7类似，本实施例中发生失超后，可观察到电流明显的重新分布，实验结果如图8、图9所示。
对比图6-图9，可见本发明提供的失超检测方法可适用于稳态工作模式，也可适用于充电过程。同理也适用于放电过程。因为本发明是以电流的变化率或者变化量为判断依据，其适用范围广泛，检测依据简单可靠，检测灵敏度较高。本领域技术人员不难想到，本发明方法还可适用于交流超导磁体线圈。
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 (7)

1.一种超导磁体线圈失超检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定两条超导导线的电流；所述两条超导导线并联共绕，所述并联共绕为两条超导导线并联，两条超导导线绕制过程中彼此紧密贴合，共同绕制成超导磁体线圈，使两条超导导线分别的自感值和两条超导导线彼此的互感值接近；所述接近指差值绝对值小于阈值；
若两条超导导线电流变化率的差值绝对值超出第一预设值，则当超导磁体线圈处于充电状态时，电流变化率绝对值相对较小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于稳定工作状态时，电流减小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于放电状态时，电流变化率绝对值相对较大的导线发生失超；或若在预设时间内两条导线电流差值的变化量绝对值超出第二预设值，则当超导磁体线圈处于充电状态时，电流变化量绝对值相对较小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于稳定工作状态时，电流减小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于放电状态时，电流变化量绝对值相对较大的导线发生失超；特别指出，上述判据中使用的电流为实际流过超导导线电流的绝对值，即超导导线电流变化率为电流绝对值变化率、电流减小为电流绝对值减小以及电流变化量为电流绝对值变化量；其中，由于两条超导导线的自感值和互感值接近，当某条超导导线失超或两条超导导线均失超且电阻差异明显时，两条超导导线上电流的重新分布程度相对较大，可通过两条超导导线电流变化率的差值或两条导线电流差值的变化量判断超导导线是否失超。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测方法适用于交流超导磁体线圈。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述并联共绕包括如下情形：
1)导线与导线之间绝缘且端部理想短接；
2)导线与导线之间非理想绝缘且端部理想短接；
3)导线与导线之间绝缘且端部连接存在电阻；
4)导线与导线之间非理想绝缘且端部连接存在电阻。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过开环式霍尔电流传感器检测所述超导导线的电流。
5.一种超导磁体线圈失超检测装置，其特征在于，包括：两个开环式霍尔电流传感器和处理单元；
所述两个开环式霍尔电流传感器用于检测两条超导导线的电流；所述两条超导导线并联共绕，所述并联共绕为两条超导导线并联，两条超导导线绕制过程中彼此紧密贴合，共同绕制成超导磁体线圈，使两条超导导线分别的自感值和两条超导导线彼此的互感值接近；所述接近指差值绝对值小于阈值；
所述处理单元，用于获取两个开环式霍尔电流传感器的电流检测结果，并根据检测结果判断超导磁体线圈是否失超，具体为：若两条超导导线电流变化率的差值绝对值超出第一预设值，则当超导磁体线圈处于充电状态时，电流变化率绝对值相对较小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于稳定工作状态时，电流减小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于放电状态时，电流变化率绝对值相对较大的导线发生失超；或若在预设时间内两条导线电流差值的变化量绝对值超出第二预设值，则当超导磁体线圈处于充电状态时，电流变化量绝对值相对较小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于稳定工作状态时，电流减小的导线发生失超，当超导磁体线圈处于放电状态时，电流变化量绝对值相对较大的导线发生失超；特别指出，上述判据中使用的电流为实际流过超导导线电流的绝对值，即超导导线电流变化率为电流绝对值变化率、电流减小为电流绝对值减小以及电流变化量为电流绝对值变化量；其中，由于两条超导导线的自感值和互感值接近，当某条超导导线失超或两条超导导线均失超且电阻差异明显时，两条超导导线上电流的重新分布程度相对较大，可通过两条超导导线电流变化率的差值或两条导线电流差值的变化量判断超导导线是否失超。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述检测装置适用于交流超导磁体线圈。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述并联共绕包括如下情形：
1)导线与导线之间绝缘且端部理想短接；
2)导线与导线之间非理想绝缘且端部理想短接；
3)导线与导线之间绝缘且端部连接存在电阻；
4)导线与导线之间非理想绝缘且端部连接存在电阻。
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