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1硬件設計

硬件設計包括溫度與磁場探頭、供電電源、多通道數據采集儀器、PC上位機的選型以及機柜設計。

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曲線得出溫度。溫度探頭需要恒流源提供穩定的電流才可以保證讀取電壓的準確性，選擇lakeshore公司生產的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連續可調電流輸出。由于超導線圈采用過冷液氮浸泡冷卻［2］，根據液氮溫區(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，鉑電阻溫度計具有很好的重復性和較高靈敏度，同時滿足在電抗器的磁場環境下使用的要求。70K以上鉑電阻溫度計具有通用的標準曲線，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，探頭需要貼近超導帶材，薄膜型的鉑電阻溫度計滿足設計要求。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電抗器的數據采集系統中，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，在半導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，將產生霍爾電壓，根據產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電抗器設計中，根據電磁設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境為液氮溫區。Lakeshore公司生產的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數據采集系統數據采集系統還需要對探頭電壓進行記錄以及處理顯示等一系列后續工作［5］。實驗過程中實驗對象需要監測的信號比較多，采用數據采集儀器對各個數據進行采集記錄，節約人力成本而且可以減少由于人工錄入所導致的錯誤。在該套數據采集系統中，采集的信號有54路，溫度采集精度為1K，電壓精度為10mV。吉時利公司生產的3706數字開關萬用表作為數據采集儀器滿足使用要求。數據采集儀器采集數據以后，把數據傳輸到主機中通過程序對其進行處理，然后顯示在顯示器上供人員監測電抗器的工作情況。在電抗器實際運行過程中，主機工作環境可能較為惡劣，對工控機的穩定性和數據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超導可控電抗器超導線圈分為內外兩圈，各由32個雙餅組成。工作在交流工況下，超導線圈存在交流損耗，根據仿真結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控。單個超導線圈上布點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據的讀取，得到磁場強度的實時數據，為監測電抗器運行狀態提供數據支持。各個設備的集成布局以及安裝需要以機柜的形式實現。機柜的設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備和儀器有:吉時利3706數據采集儀、工控機(包括工控機主機、液晶顯示屏、鍵盤和鼠標)、探頭供電電源，同時在機柜下部預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，設計方案如圖4所示。

2軟件開發

軟件開發即控制界面開發，通過界面控制各種數據采集儀器的工作，并將采集到的數據傳輸到電腦上進行處理、顯示和保存等［6］。圖5所示的為軟件搭建流程示意圖，首先調試設備，完成工控機與3706數據采集儀器之間的通信，使數據能夠進入主機進行處理，然后對數據進行分類處理，實現多通道數據處理以及數據的分類顯示。基于LabVIEW開發的程序主要包含后臺程序以及操作界面。后臺程序(1)數據采集系統主程序數據采集系統主程序實現對數據采集儀器中的電壓數據讀取的功能［7］。通過在主程序中對數據進行通道選擇可以實現不同的處理功能，包括3706儀器的通訊設置和數據初始化。(2)數據傳輸程序數據傳輸是指將數據從數據采集儀器上傳輸到工控機上。LabVIEW中提供了多種通訊協議，如串口、并口和以太網傳輸協議，此處選擇以太網作為傳輸方式，數據采集儀器發送數據，工控機接收發送過來的數據，進行處理。(3)數據記錄程序LabVIEW中可以將數據保存為多種格式，其中就包括常見的Excel表格，“寫入電子表格．vi”可以將數據保存為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進行數據保存。由于EXCEL是目前比較通用的數據處理軟件，所以保存數據的格式選為EXCEL表格，方便處理數據。程序中可以設定將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，并且為方便查找數據，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據。對于不同類型數據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量。操作界面該系統的操作界面首先確保了所有數據的顯示以及后臺記錄，另外對電抗器內部環境參數(杜瓦內部壓強)以及外部輔助設備的工作狀態(液氮制冷機流量)也進行了監控。針對溫度監控，單獨設置了更加直觀的波形顯示，更利于觀察超導體的溫度變化，如圖6所示。在35kV電抗器數據采集及監控系統的設計方案中，界面中沒有需要用戶設置的參數，在前面板中分列鉑電阻顯示控件來顯示數據。開始運行后，3706開始采集數據，并且將這些數據儲存到表格當中。在前面板中，同一個波形圖中可以顯示多個通道的數據，每個通道的數據有顏色不同，這樣就可以比較實驗磁體不同部分的溫度或不同超導雙餅的電壓等。

3總結

通過分析超導可控電抗的工作環境確定了數據采集基本方案，完成對探頭的選型、配件的選擇以及上位機程序的開發，可以實現對超導可控電抗器工作狀態的實時監控，包括杜瓦內部環境壓強、液氮制冷流量以及超導磁體的溫度磁場。該系統操作簡單，不需要進行復雜的設置，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強電磁工程與新技術國家重點實驗室