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1硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括溫度與磁場探頭、供電電源、多通道數(shù)據(jù)采集儀器、PC上位機的選型以及機柜設(shè)計。

1．1溫度檢測溫度探頭類型為熱電阻，熱電阻測溫原理是給熱電阻通小電流，測量電阻上的電壓，得出熱敏電阻的阻值，對照熱敏電阻的參數(shù)曲線得出溫度。溫度探頭需要恒流源提供穩(wěn)定的電流才可以保證讀取電壓的準(zhǔn)確性，選擇lakeshore公司生產(chǎn)的121系列恒流源可滿足精度要求。該恒流源既提供固定檔位電源供電也可以通過編程實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)電流輸出。由于超導(dǎo)線圈采用過冷液氮浸泡冷卻［2］，根據(jù)液氮溫區(qū)(70K～77K)對探頭型號進行選擇。對于需要在30K～800K之間對溫度測量的場合，可選擇PT100系列鉑電阻溫度計［3］，其額定電流為1mA。在這個溫度范圍內(nèi)，鉑電阻溫度計具有很好的重復(fù)性和較高靈敏度，同時滿足在電抗器的磁場環(huán)境下使用的要求。70K以上鉑電阻溫度計具有通用的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖2所示。相比較于其他種類溫度探頭具有更好的通用性，而且具有互換性。另外，在溫度測量中，探頭需要貼近超導(dǎo)帶材，薄膜型的鉑電阻溫度計滿足設(shè)計要求。探頭的接線方式有二線制和四線制。采用二線制接線方法，會引入線路電阻，造成測量誤差。因此在35kV電抗器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，均采用四線制接線方法。

1．2磁場檢測測量磁場強度的原理是霍爾效應(yīng)，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流，并在薄片的垂直方向施加勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生霍爾電壓，根據(jù)產(chǎn)生的電壓就可以知道磁場的大小［4］。在實際測量中需要在兩個方向(軸向場與垂直場)對磁場進行測量。在35kV電抗器設(shè)計中，根據(jù)電磁設(shè)計仿真得到磁場的最大值約為2000高斯，并且該磁場探頭的工作環(huán)境為液氮溫區(qū)。Lakeshore公司生產(chǎn)的HGCA3020的軸向磁場探頭與HGCT3020的徑向磁場探頭，可滿足使用要求，其額定電流為100mA。

1．3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還需要對探頭電壓進行記錄以及處理顯示等一系列后續(xù)工作［5］。實驗過程中實驗對象需要監(jiān)測的信號比較多，采用數(shù)據(jù)采集儀器對各個數(shù)據(jù)進行采集記錄，節(jié)約人力成本而且可以減少由于人工錄入所導(dǎo)致的錯誤。在該套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采集的信號有54路，溫度采集精度為1K，電壓精度為10mV。吉時利公司生產(chǎn)的3706數(shù)字開關(guān)萬用表作為數(shù)據(jù)采集儀器滿足使用要求。數(shù)據(jù)采集儀器采集數(shù)據(jù)以后，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C中通過程序?qū)ζ溥M行處理，然后顯示在顯示器上供人員監(jiān)測電抗器的工作情況。在電抗器實際運行過程中，主機工作環(huán)境可能較為惡劣，對工控機的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的安全性有一定要求，需要對主機進行加固、防潮、防輻射、防塵等特殊設(shè)計。研祥工控機IPC－810E滿足使用要求。

1．4硬件布局及搭建(1)溫度探頭布點方案35kV超導(dǎo)可控電抗器超導(dǎo)線圈分為內(nèi)外兩圈，各由32個雙餅組成。工作在交流工況下，超導(dǎo)線圈存在交流損耗，根據(jù)仿真結(jié)果顯示端部線圈交流損耗功率最大，需要對線圈端部重點監(jiān)控。單個超導(dǎo)線圈上布點25個，總計50個鉑電阻。鉑電阻在安裝時需要對其進行加固，防止被快速流動的液氮損壞。(2)磁場探頭布點方案電抗器中，帶材受垂直磁場影響較大，端部的帶材最易受到磁場的干擾，磁場探頭安裝在電抗器的端部。由于磁場探頭受到液氮的沖刷，磁場探頭需要通過夾子進行固定。通過對端部磁場兩個垂直方向數(shù)據(jù)的讀取，得到磁場強度的實時數(shù)據(jù)，為監(jiān)測電抗器運行狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支持。各個設(shè)備的集成布局以及安裝需要以機柜的形式實現(xiàn)。機柜的設(shè)計原則是整套裝置的實用性和外在的美觀性。機柜上主要安裝的設(shè)備和儀器有:吉時利3706數(shù)據(jù)采集儀、工控機(包括工控機主機、液晶顯示屏、鍵盤和鼠標(biāo))、探頭供電電源，同時在機柜下部預(yù)留一部分空間用于放置實驗過程中常用的一些工具和儀表等，如納伏表、波形記錄儀、鎖放和功率分析儀等，設(shè)計方案如圖4所示。

2軟件開發(fā)

軟件開發(fā)即控制界面開發(fā)，通過界面控制各種數(shù)據(jù)采集儀器的工作，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上進行處理、顯示和保存等［6］。圖5所示的為軟件搭建流程示意圖，首先調(diào)試設(shè)備，完成工控機與3706數(shù)據(jù)采集儀器之間的通信，使數(shù)據(jù)能夠進入主機進行處理，然后對數(shù)據(jù)進行分類處理，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)的分類顯示。基于LabVIEW開發(fā)的程序主要包含后臺程序以及操作界面。后臺程序(1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)采集儀器中的電壓數(shù)據(jù)讀取的功能［7］。通過在主程序中對數(shù)據(jù)進行通道選擇可以實現(xiàn)不同的處理功能，包括3706儀器的通訊設(shè)置和數(shù)據(jù)初始化。(2)數(shù)據(jù)傳輸程序數(shù)據(jù)傳輸是指將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集儀器上傳輸?shù)焦た貦C上。LabVIEW中提供了多種通訊協(xié)議，如串口、并口和以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，此處選擇以太網(wǎng)作為傳輸方式，數(shù)據(jù)采集儀器發(fā)送數(shù)據(jù)，工控機接收發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進行處理。(3)數(shù)據(jù)記錄程序LabVIEW中可以將數(shù)據(jù)保存為多種格式，其中就包括常見的Excel表格，“寫入電子表格．vi”可以將數(shù)據(jù)保存為Excel格式，并且該VI不需要啟動Excel，寫入速度較快、使用較為簡單，所以使用該VI進行數(shù)據(jù)保存。由于EXCEL是目前比較通用的數(shù)據(jù)處理軟件，所以保存數(shù)據(jù)的格式選為EXCEL表格，方便處理數(shù)據(jù)。程序中可以設(shè)定將EXCEL文件保存在某個文件夾下，分別將磁體溫度、磁場強度保存在兩個文件夾下，并且為方便查找數(shù)據(jù)，每個文件的文件名以日期和時間命名，這樣方便日后查找數(shù)據(jù)。對于不同類型數(shù)據(jù)也可以直接分開存儲，方便以后查詢使用。在以上程序的實現(xiàn)中，主要以子VI形式完成。子VI是指將特定的程序封裝，完成特定的功能的模塊。通過對程序的封裝既可以實現(xiàn)原有功能，并且使得主程序更加簡潔，便于查找錯誤，又增加了程序的可移植性，提高了程序的整體質(zhì)量。操作界面該系統(tǒng)的操作界面首先確保了所有數(shù)據(jù)的顯示以及后臺記錄，另外對電抗器內(nèi)部環(huán)境參數(shù)(杜瓦內(nèi)部壓強)以及外部輔助設(shè)備的工作狀態(tài)(液氮制冷機流量)也進行了監(jiān)控。針對溫度監(jiān)控，單獨設(shè)置了更加直觀的波形顯示，更利于觀察超導(dǎo)體的溫度變化，如圖6所示。在35kV電抗器數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案中，界面中沒有需要用戶設(shè)置的參數(shù)，在前面板中分列鉑電阻顯示控件來顯示數(shù)據(jù)。開始運行后，3706開始采集數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)儲存到表格當(dāng)中。在前面板中，同一個波形圖中可以顯示多個通道的數(shù)據(jù)，每個通道的數(shù)據(jù)有顏色不同，這樣就可以比較實驗磁體不同部分的溫度或不同超導(dǎo)雙餅的電壓等。

3總結(jié)

通過分析超導(dǎo)可控電抗的工作環(huán)境確定了數(shù)據(jù)采集基本方案，完成對探頭的選型、配件的選擇以及上位機程序的開發(fā)，可以實現(xiàn)對超導(dǎo)可控電抗器工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，包括杜瓦內(nèi)部環(huán)境壓強、液氮制冷流量以及超導(dǎo)磁體的溫度磁場。該系統(tǒng)操作簡單，不需要進行復(fù)雜的設(shè)置，具有良好的人機界面、自動化程度較高，可移植性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

作者：宋萌于兵胡南南曹昆南任麗陳路單位：云南電力試驗研究院有限公司電力研究院華中科技大學(xué)強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室