面向高温超导电力应用的高温超导电磁特性检测方法研究

摘要

近20多年来，高温超导带材的发展对于超导技术的广泛应用起到了重要的推进作用。高温超导带材电磁特性复杂，其临界电流、交流损耗等参数关系到超导磁体的性能，在设计超导电力装置时需要准确了解带材的电磁特性。在制作过程中，需要对超导线圈的性能进行测试。超导装置运行时，还需要监测与保护技术。但是在这些环节中，均存在着技术难点。
　　超导电力设备的寿命评估是超导电力设备要在电力系统中得到广泛应用必须要解决的问题。目前，未见有考察超导导线承受多次过电流冲击、反复的应力作用下性能衰退的研究成果。本文开展了关于高温超导带材的多次过电流冲击特性的研究，并得到了相关结论。本文所开展的工作将为超导电力设备长期运行后的衰减特性、寿命评估理论体系的建立打下基础。
　　超导线圈电感较大，当电流波动时将产生较大的感应电压。感应电压远大于阻性电压，这增加了交流损耗测量的难度。本文设计了基于模拟电路的补偿装置，可对感应电压进行补偿，从而提升了交流损耗测量的效率。这样的技术手段可作为高温超导线圈各类特性测量中感应电压的补偿方案。
　　在实验研究中，超导线圈将工作在交流通流状态。由于缺乏交流失超判据，超导线圈交流通流时的安全工作电流的确定成为问题，超导线圈的失超状态也不得而知。本文对超导线圈的交流通流状态下的失超检测方法展开了实验研究，设计了可用于高温超导线圈通流情况的失超检测方法，为实验研究中交流通流的超导线圈的安全提供了保障，也为交流失超判据的研究打下了基础。
　　在失超检测中，基于电测法的失超检测方法易于受到噪声干扰。受到噪声干扰的失超信号会造成失超误判，进而导致失超保护误动作，影响了超导电力设备的稳定运行。针对这个问题，本文提出了采用小波分析理论对失超检测信号进行滤波的解决方案，并成功地将基于小波分析理论的滤波算法在FPGA硬件平台上进行了移植。将小波分析应用于超导磁体的失超检测，能够抑制噪声的影响，降低因电压波动造成的失超保护误动作发生的概率，对保障超导电力设备的长时间稳定运行具有重要意义。
　　超导电力设备在线运行时，需要对超导磁体及各个辅助设备的状态进行监测，以保障所有设备都工作在正常状态。如果只将失超检测作为超导磁体的唯一的状态监测手段，将无法满足需求。而将多种检测方法集成在一起，需要进行结构上的考虑。检测到不同物理量分析得到的故障信息，也需要进行逻辑上的定义和级别的划分。只有设计不同的保护策略，才能够对应于不同类型、不同紧急状况的故障的发生。本文针对超导电力设备的安全稳定运行问题，设计了超导磁体状态监测及其保护系统。通过结构上的优化设计，解决了多状态量检测的硬件集成问题。对通过检测不同物理量分析得到的故障信息，进行了逻辑上的定义和级别的划分，制定了故障分级的保护策略。
　　论文最后，对所进行的工作进行了全文总结，阐述了研究工作的意义，提出了创新点，并给出了下一步的研究计划和研究建议。

目录

声明

1 绪 论

1.1 超导的发展与研究背景

1.2 研究现状

1.3 关键技术问题

1.4 本文主要工作

2 高温超导带材及线圈基本电磁特性测量方法研究

2.1 引言

2.2 超导带材的基本特性

2.3 高温超导带材临界电流各向异性测试

2.4 高温超导带材多次过流冲击实验研究

2.5 高温超导带材交流损耗测量

2.6 温超导线圈交流损耗测量及补偿方法的改进研究

2.7 本章小结

3 超导磁体失超检测方法的研究

3.1 引言

3.2 导致超导磁体失超的原因

3.3 超导磁体失超的危害

3.4 超导磁体的失超检测方法

3.5 基于电测法的高温超导磁体失超检测方法设计

3.6 失超检测方法实验研究

3.7 本章小结

4 失超检测信号去噪方法研究

4.1 引言

4.2 基于电测法的失超检测方法的噪声分析

4.3 基于小波变换理论的滤波算法

4.4 应用小波理论对失超信号进行滤波的仿真分析

4.5 小波分析算法的硬件实现

4.6 小波分析滤波器滤波效果的实验验证

4.7 本章小结

5 超导磁体保护系统的设计

5.1 引言

5.2 基于电测法的超导磁体失超检测系统的设计

5.3 基于非电气量的超导磁体状态监测系统设计

5.4 超导磁体保护方法设计

5.5 超导磁体保护系统的集成及保护策略的设计

5.6 本章小结

6 全文总结与工作展望

6.1 本文工作总结

6.2 下一步工作展望及研究建议

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 博士生期间参与的课题研究情况