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高温超导电缆监测系统
 
慧聪网   2005年4月8日14时14分   信息来源:中电网    

    应用领域:研究和开发

    使用的产品:FP-1000,FP-AI-100,FP-RTD-122,GPIB PCI,LabVIEW

    挑战:对高温超导电缆系统中具有分布特性的温度、压力参数以及性能试验中需要高精度测量的电流、电压数值,通过计算机平台构建经济性监测系统。

  应用方案:采用基于计算机的监测技术,使用FieldPoint模块化分布式系统实现温度、压力数值的数据采集;利用高精度标准仪器和GPIB PCI板卡实现电流、电压数值的数据采集;通过LabVIEW开发监测程序,用最经济的方法构建了高温超导电缆监测系统。

  介绍

  为保证高温超导电缆的安全可靠和稳定运行以及性能试验的要求,需要对各项参数进行监测。由于10米长高温超导电缆的特殊结构,采用FieldPoint分布式模块构建监测电缆温度和液氮压力的硬件设备;通过GPIB PCI板卡实现对高精度标准仪器的控制和数据采集;采用LabVIEW软件开发监测程序,以美观、友好的界面完成监测系统的数据显示、存储和控制等多项功能。监测结果对于研究高温超导电缆性能与相关参数变化的关系、取得电缆运行的最优条件等奠定了一定的基础。

  引言

  高温超导电缆具有体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点,是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径,可极大地降低输电成本,被认为是实现高温超导电力应用最有希望的领域之一。

  中国科学院电工研究所于2003年8月顺利完成10米长10.5kV/1.5kA三相交流高温超导电缆的研制工作和初步试验。10米长10.5kV/1.5kA三相交流高温超导电缆为柔性结构,导体层采用多芯超导带材,在不锈钢波纹管材质的电缆芯骨架上以预算的角度绕成多层螺旋形结构,放置于具有高真空和超绝热的双不锈钢波纹管结构的低温容器中。图1是整个高温超导电缆系统集成的示意图,主要由三相电缆本体和终端、低温系统、电源系统三部分组成。



  高温超导电缆监测系统需要监测高温超导电缆预冷和长时间通电运行时超导体的温度和循环冷却液氮的压力,以及超导电缆的通电电流和超导体上的电压,完成超导电缆交流损耗的测量。

  监测参数的位置及传感元件的选择

  对于整个高温超导电缆系统来说,冷却液氮循环速度的快慢对于电缆系统的低温环境是至关重要的。考虑到监测设备集成和经济性因素,每相电缆布置4个温度测量点,共选择12个温度测量点;在电缆各相的终端安装压力传感器。在电缆长时间通电运行时,由超导体两端焊接出的引线测量超导体两端的电压;交流电流由变压器各相引线上安装的电流传感器进行测量,同时完成超导电缆交流损耗的测量。这样监测系统完成了温度、压力、电压、电流参数的测量,总共在电缆系统中放置21个传感器,位置如图1所示。

  对于温度,由于需要将传感元件安装于电缆芯中,同时测量温度较低(-200℃左右),而且要有较高的灵敏度和响应速度,经济性也是考虑因素。在综合对比常用的温度传感器之后,最终选择其尺寸小、精度高、响应快、重复性好、价格合适的铂电阻作为温度传感元件。对于液氮压力,选择陶瓷压力传感变送器进行测量,由24V直流电源供电,输出为标准4~20mA电流。利用磁平衡式电流传感器将交流电流转换为毫伏级信号,和超导体上的电压均属于微电量信号,使用实验室已有的多台高精度标准仪器进行测量。

  监测系统硬件设备的构建

  在高温超导电缆监测系统的设计中,需要考虑以下几方面的特性:

  1.测量数据的分散性:需要测量的温度、压力分为两组分别在10 m电缆两端的终端引出测量引线;

  2.测量数据的类型多样性:需要测量的温度、压力、电流、电压等各项参数,测量结果的数据类型各不相同;

  3.测量数据的大量性:需要完成12个温度测量点、6个压力测量点和多个电流、电压的测量工作;

  4.监测系统的稳定性:需要长时间对高温超导电缆进行试验和监测,监测系统需要保证良好的稳定性;

  5.监测系统的抗干扰性:高温超导电缆的试验条件较为恶劣,存在各种仪器设备的干扰,需要保证测量数据的准确性;

  6.监测系统的兼容性和可扩展性:在监测系统的构建时尽可能使用现有的仪器设备;同时要能够易于改变监测系统的配置为其他试验的所使用。

  随着在测控技术领域,计算机应用的发展,应运而生的虚拟仪器技术带来新型的测控解决方案。1986年美国NI(National Instruments)公司首先提出虚拟仪器(Virtual Instrument)的概念,随后虚拟仪器技术逐步形成了一个以计算机为基础,以软件为核心的完整体系。虚拟仪器并不完全等同于计算机辅助测控,它是一种新的工业标准,一种现代化的技术规范,一种建立在信号采集与分析理论的基础之上,软硬件及其接口实现标准化,具有良好集成性与柔性的仪器体系。采用这个体系,按照它的规则操作,就能充分发挥计算机在数据采集、计算、传输、存储和显示等方面的巨大优势,投入最少的财力和人力,通过最方便快捷的途径,得到最高的测控精度和稳定性。

  NI公司的FieldPoint(FP)模块化分布式I/O系统具有工业级性能和出色的软件集成性,实现了通讯和信号终端的模块化结构,其提供三种类型的选配模块元件:I/O模块、接线座和网络模块,能够在不同的测控区域配置不同的I/O模块,通过接线座引入测控信号,就地实现信号调理、A/D转换,然后通过选定的网络模块与计算机进行通讯。由于FP系统出色的分布性、灵活多变的配置、数据通讯的抗干扰性,成为高温超导电缆监测系统中完成温度、压力测量的最佳选择。温度、压力测量引线分为两组,分布在10 m电缆的两端,每端有6个铂电阻和3个压力传感变送器的测量引线,因此配置两套FP系统安装于两端,每套测量模块能够提供铂电阻的恒流激励和压力传感变送器的24V直流电压供电,可以直接测量铂电阻温度传感器的阻值信号和压力传感变送器的电流信号,在数字化处理后通过串口与计算机连接,监测显示用计算机放置于远离超导电缆的隔离位置。

  同时,采用NI的GPIB PCI板卡,将其插入计算机主机的PCI插槽内,通过GPIB电缆与标准仪器连接,在IEEE 488仪器控制标准协议下实现利用计算机对标准仪器的控制和数据读取,传输率1.5 Mbytes /s,最多可以同时控制14台标准仪器。这样就可以利用监测显示用计算机控制标准仪器完成电缆中电流、电压数据的采集。

  交流损耗试验采用锁相放大器,由电流传感器的输出信号作为锁相放大器的参考输入量,电缆的导体上的电压信号输入锁相放大器进行测量。测量的电压信号经过锁相放大器分离,得到与运行交流电流同相的分量 ,该分量与运行电流I的乘积即为该电缆运行在一定交流电流下的交流损耗 。

  最终,利用实验室已有的高精度标准仪器和NI GPIB PCI板卡实现了电流、电压数值的数据采集;选择两套NI FP系统完成了温度、压力数值的数据采集,用最经济的方法构建了高温超导电缆监测系统的硬件设备。高温超导电缆监测系统硬件框图如图2所示。图3为安装于电缆终端一侧的FP测量模块实物,图4为计算机监测显示界面和标准仪器平台。


图 2 高温超导电缆监测系统硬件框图



图 3 安装于电缆终端一侧的FP测量模块



图 4 计算机监测显示界面和标准仪器平台


  监测系统的软件设计

  NI公司开发的LabVIEW软件,将G语言和图形化的开发环境融和在一起,可以用来完成数据采集和设备控制等工作。因此高温超导电缆监测系统的数据显示、存储和控制的软件平台采用LabVIEW软件开发完成。
图5是温度压力监测系统的主程序界面,该程序能够设定监测频率,直观的显示超导电缆各相所有测量位置的温度、压力值大小,完成监测数据的存储,并且能够后台显示温度、压力值的历史曲线,方便随时调用查看。


图 5 温度压力监测系统主程序界面


  图6是交流运行监测系统的主程序界面,该程序可以设定报警数值,能够在超导电缆交流运行中实时显示电缆各相通过的交流电流和超导体上电压的大小,以波形显示测量数据的变化、并且自动完成监测数据的存储。


图 6 交流运行监测系统主程序界面


  试验结果

  我们对10米长10.5kV/1.5kA三相交流高温超导电缆系统进行了七次冷热循环试验,完成了超导电缆的直流性能测量、交流额定电流的长时间运行试验和交流损耗特性试验。在试验中,温度、压力监测系统工作稳定,直观的显示了电缆各相在液氮冷却循环方向上的温度梯度和电缆各相终端压力的变化,对低温系统起到很好的反馈作用,协助低温系统以最低的损耗对超导电缆进行更好的冷却;同时实时记录了超导电缆各个状态的温度、压力数据。图7显示的是利用温度压力监测系统监测到的电缆系统预冷时高温超导电缆各相的冷却曲线,这也是我们首次监测到10米长高温超导电缆的冷却曲线。



  交流运行监测系统在高温超导电缆的交流额定电流长时间运行试验中以波形实时显示了高温超导电缆各相通过的交流电流和超导体上电压的大小,如图8所示。


图 8 交流稳定运行电流-电压曲线


图9为实测的高温超导电缆各相导体的交流损耗特性曲线,由曲线可以得到各相导体的交流损耗为:

1000A时,A、B、C相分别为0.15、0.18、0.35W/m;
1500A时,A、B、C相分别为0.42、0.5、0.8W/m。


图 9 高温超导电缆各相导体的交流损耗特性


  在一个多月的试验中,利用NI软、硬件产品构建的高温超导电缆监测系统,工作稳定,功能强大,在各项试验中表现出了良好的性能,达到了预期的设计要求,能够满足高温超导电缆系统研究的各项要求;同时高温超导电缆监测系统硬件设备的装配、接线和测量的易操作性、可靠性,监测程序的美观性、交互性赢得了好评。
 
 
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