一种水冷磁体安全保护方法与流程

本发明涉及特种设备和装置的保护技术领域，尤其涉及一种针对稳态的、具有超高场强的水冷磁体安全保护方法。

背景技术：

超大功率水冷磁体可以为科学研究提供稳定的高强磁场实验条件，其中，水冷磁体线圈、大功率高稳定电源以及大功率冷却水系统等配套装置均处于极端工作状态。因而，水冷磁体安全保护系统是确保整个磁体装置能够安全可靠运行不可或缺的重要系统，使装置在出现故障或潜在危险时能够自动进入安全状态。保护方法是水冷磁体安全保护系统的核心。

世界上现有稳态强磁场水冷磁体装置中均采用了相应的故障检测方法和系统。文献1[Hybrid RMPS,http://sthmac.magnet.fsu.edu/hybrid/RMPS/index.html,2009]中介绍了美国国家强磁场实验室对一个新建成的水冷磁体测量其不同工作电流I下的线圈端电压V，拟合出线圈端电压V和工作电流I之间四次关系曲线，在该水冷磁体以后运行过程中根据拟合关系式计算出预期线圈端电压VC，并与实测的线圈端电压Vm进行对比。文献2[High Magnetic Field Laboratory of Grenoble.Control-Monitoring System of the 20 MW Installation[M].Grenoble:High Magnetic Field Laboratory of Grenoble,1996.12-15.]中阐述法国Grenoble强磁场实验室根据水冷磁体首次运行过程中的工作电流I和线圈端电压V，得到不同工作电流I下的线圈电阻R，拟合出线圈电阻R和工作电流I之间二次关系曲线，在以后运行过程中比较计算出的预期线圈电阻RC和实测线圈电阻Rm。文献3[Y.Nakagawa,G.Kido,S.Miura,et al.Monitoring of a Water-cooled Coil of a Hybrid Magnet by means of Precise Measurements of Field and Resistance[J].IEEE Trans.magn,1988,24(2):1387-1389]介绍了日本筑波强磁场实验室则是寻求水冷磁体消耗功率P与线圈电阻R之间的关系，依据此关系曲线进行故障检测。

虽然上述水冷磁体故障检测方法不尽相同、各具特点，但是有两个问题尚未解释清楚。一是在水冷磁体首次运行时拟合出各种关系曲线的过程中是如何保护水冷磁体的；另一个是各种关系曲线数学表达式是如何选取的。

技术实现要素：

本发明提出一种水冷磁体安全保护方法，所要解决的问题是：建立水冷磁体线圈电阻数学模型，并且能对水冷磁体在首次标定运行过程中以及在标定后实际运行中进行有效保护。

为了实现以上技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种水冷磁体安全保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在水冷磁体首次上电运行之前，按由小到大顺序和等间隔原则，确定水冷磁体工作电流集合；

(2)在水冷磁体首次运行时，按照确定的工作电流集合给水冷磁体进行通电；

(3)采集水冷磁体运行参数，并对采集数据进行滤波处理；

(4)在首次标定运行过程中，利用水冷磁体线圈电阻与其消耗功率之间的线性关系，建立水冷磁体首次运行时的保护策略，对水冷磁体进行初步的有效保护；

(5)采用水冷磁体线圈电阻多项式模型，对其进行标定拟合，建立水冷磁体线圈电阻数学表达式；

(6)基于所建立的水冷磁体线圈电阻数学模型，确定水冷磁体故障判断机制，对标定后实际运行中的水冷磁体进行保护。

下面对上述各个方法步骤作进一步说明。

确定水冷磁体首次运行时的工作电流集：对水冷磁体的工作电流从最小值到最大值进行等间隔划分，确定水冷磁体工作电流集合I_i(i＝1,2,...,n，n≥5)，其中I₁为最小工作电流，I_n为最大工作电流。

水冷磁体首次运行数据采集：典型的水冷磁体运行时参数有工作电流、线圈端电压、冷却水入口水温、冷却水出口水温、冷却水入口水压、冷却水出口水压，所有参数采样率为20ksps。

对采集数据进行处理：对所有采集参数进行5ms内的平均滤波，50ms内的滑动窗口滤波。

建立水冷磁体线圈电阻与功率的线性关系：由采集并处理过的线圈电压和工作电流，得到线圈电阻和消耗功率，根据最小二乘法拟合出线圈电阻与消耗功率的线性关系。

首次运行时水冷磁体保护策略：由低工作电流下标定拟合的线圈电阻和消耗功率的线性关系可以得到当前较高工作电流时的预期线圈电阻。由实时采集的线圈电压和工作电流，得到实测线圈电阻。把预期线圈电阻与实测线圈电阻进行对比，两者偏差反映当前工作电流下的水冷磁体运行状态。

建立水冷磁体线圈电阻数学模型：由于材料、制造工艺以及磁体运行时热交换等原因，线圈电阻的严格理论上的数学模型是难以明确的，然而任何连续可导函数均可分解成有理多项式。采用多项式来表示线圈电阻R的数学模型，利用采集得到的标定数据，对其进行拟合，建立水冷磁体线圈电阻与工作电流之间的数学关系表达式。可以用如下多项式来表示线圈电阻R的数学模型。

R＝R₀+A I+B I²+C I³+...+N Iⁿ(1)

其中，I是流经磁体的电流，A、B、...、N为多项式的系数常量。公式(1)本质上是线圈电阻R与工作电流I之间的函数关系式，R为因变量，I为自变量，且多项式(1)的项数越多，则模型越精确。那么R₀的物理含义就很明确了，它就是磁体在工作电流为0时的线圈电阻。

如果能得到如公式(1)所示的线圈电阻的数学模型，就可以对水冷磁体线圈进行有效的保护，也就是说，需要标定的参数就是公式(1)中的系数常量(A、B、…、N)。可以通过多项式拟合的方法来确定公式(1)中的系数(A、B、…、N)。

确定水冷磁体故障判断机制：当水冷磁体处于异常工作状态时，磁体线圈电阻的阻值就会发生较大变化，可以对水冷磁体线圈电阻进行检测来达到保护磁体的目的，因而水冷磁体安全保护系统有关磁体故障检测的方法中涉及了水冷磁体线圈电阻的计算与超限判断。在水冷磁体实际运行过程中，依据上述标定拟合出的水冷磁体线圈电阻数学模型，得到预期线圈电阻。同时，由实时采集的线圈电压和工作电流，可得到实测线圈电阻。把预期线圈电阻与实测线圈电阻进行对比，两者偏差反映当前工作电流下的水冷磁体运行状态。当偏差超过设定范围，即对水冷磁体进行退电或断电保护。

本发明作为现有技术的改进，具有以下优点：

本发明在水冷磁体实际运行中的保护采用水冷磁体线圈电阻与工作电流之间的多项式关系作为线圈电阻数学模型，具有较好的拟合性和通用性；基于水冷磁体线圈电阻与功率之间的线性关系，可以对首次运行时的水冷磁体进行有效的初步保护。

附图说明

图1为水冷磁体在首次运行时的保护流程。

图2为水冷磁体在实际运行过程中的保护流程。

具体实施

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细解释：

图1为水冷磁体在首次运行时的保护流程，具体包括：

步骤101：对水冷磁体的工作电流从最小值到最大值进行等间隔划分，确定水冷磁体工作电流集合I_i(i＝1,2,...,n，n≥5)，其中I₁为最小工作电流，I_n为最大工作电流。

步骤102：冷却水流量和磁体入口水温保持不变，水冷磁体工作电流由最小值I₁台阶式升至最高电流I_n期间。

步骤103：采集水冷磁体运行时参数有工作电流、线圈端电压、冷却水入口水温、冷却水出口水温、冷却水入口水压、冷却水出口水压等，所有参数采样率为20ksps。对所有采集参数进行5ms内的平均滤波，50ms内的滑动窗口滤波。

步骤104：当工作电流上升到I₃以后(包括I₃)，由采集的工作电流I_j和线圈端电压U_j(j＝1,2,...,i-1，3≤i≤n)，计算得到电流为I_j时线圈电阻R(I_j)和其消耗功率P(I_j)，计算公式如下：

R(I_j)＝U_j/I_j

P(I_j)＝U_j*I_j

步骤105：当冷却水流量和磁体入口水温保持不变时，线圈电阻R与其消耗功率P成线性关系为

R＝R_in*(1+k*P)

式中R_in为入口水温T_in下的水冷磁体线圈电阻，k为线性系数。

由(R(I_j)，P(I_j))(j＝1,2,...,i-1，3≤i≤n)，根据最小二乘法拟合出线圈电阻与消耗功率的线性关系。

步骤106：采集当前电流台阶下的线圈电压U_i和工作电流I_i(3≤i≤n)，由欧姆定理得到测量电阻R_im。

步骤107：由上述拟合出的线性关系，得出预期的线圈电阻R_ic。

步骤108：计算出R_im相对于R_ic的相对偏差ε，计算公式如下：

当相对偏差ε超过设定范围时，即进行断电保护。

图2为水冷磁体在实际运行过程中的保护流程，具体包括：

步骤201：在水冷磁体试运行阶段,调节水冷系统使水冷磁体入口水温保持不变，让通过磁体线圈的电流由最小值I₁台阶式升至最高电流I_n,其间测量并记录流过磁体线圈的电流I_i,磁体线圈端电压U_i,以及冷却水入口温度T_INi,出口温度T_OUTi(i＝1,2,...,n)。在此过程中，利用图1所示流程对水冷磁体进行保护。

步骤202：采集水冷磁体运行时参数有工作电流、线圈端电压、冷却水入口水温、冷却水出口水温、冷却水入口水压、冷却水出口水压等，所有参数采样率为20ksps。对所有采集参数进行5ms内的平均滤波，50ms内的滑动窗口滤波。

步骤203：由U_i和I_i，计算得电流为I_i时磁体线圈电阻R(I_i)，计算公式如下：

R(I_i)＝U_i/I_i

步骤204：由于各种因素的影响，如水冷系统热交换器阻塞，磁体线圈与冷却水热交换不均匀等等，水冷磁体的入口水温很难维持在一个恒定值。为了消除入口水温不稳定带来的影响，把线圈电阻纠正为0℃水温时的电阻R₀(I_i)，计算公式如下：

T_i＝(T_INi+T_OUTi)/2

R₀(I_i)＝R(I_i)/(1+αT_i)

其中α为线圈电阻热系数。

步骤205：由n项(R₀(I_i)，I_i)组成下列方程组：

由范德蒙(Vandermode)矩阵定理可知，上面所示的方程组有唯一解A_i(i＝0,1,...,n)，其中A₀的物理含义为线圈在0℃水温下0电流时的电阻。这样，水冷磁体线圈电阻数学模型就已确立。

步骤206：计算出水冷磁体在实际运行过程中的实时测量电阻R_m，并转化为0℃水温下的电阻R_0m，计算公式如下：

R_m＝U_m/I_m

T＝(T_IN+T_OUT)/2

R_0m＝R_m/(1+αT)

步骤207：根据之前标定时确定的水温在0℃时线圈电阻计算模型的参数A_i(i＝0,1,...,n)，计算得出磁体线圈于电流I时的0℃预期电阻R_0C。

步骤208：计算出R_0m相对于R_0C的偏差ε，计算公式如下：

ε＝(R_0m-R_0C)/R_0C

当ε的值超过预期范围时，通知电源系统断电，水冷磁体线圈得以保护。

步骤209：由上述步骤206中的实测线圈电阻R_m，计算出磁体线圈等效温度T_eq，计算公式如下：

T_eq＝(R_m/A₀—1)/α

其中A₀为水冷磁体线圈电阻数学模型中的系数，α为水冷磁体线圈电阻的温度系数。

步骤210：对计算出的T_eq进行超限判断，如果T_eq超过预期的最大值T_eqmax，则对磁体进行断电保护。