超导磁体失超检测中电压隔离校正电路的设计

摘要：采用有源功率检测法，设计和制作了超导混合储能磁体能量储存系统的失超检测中的电压隔离校正装置。该装置用于隔离超导线圈的干扰信号，以及消除串联线圈电感分量，是混合磁体失超检测中的重要环节。通过搭建高温超导线圈的实验装置，在高温超导储能磁体上进行失超检测的实验研究，得出了电压矫正前后的线圈电压波形，验证了本实验装置可行性与合理性。
关键词：有源功率检测法；超导储能；失超检测；电压隔离校正

0 引言
    超导储能系统具有大功率、高灵敏度、小体积，低损耗等诸多优势，在工业和科研领域得到广泛的应用。尤其是在输电电网中，能够解决用电高峰和低谷期电网输电的供求矛盾，提高电网的电能容量，增强系统的稳定性。因此，超导储能因为其得天独厚的优点，成为未来最具潜力的储能装置。超导储能系统在运行时，内部线圈会因为瞬间高压、局部高热以及过载应力等电磁和机械扰动，使系统处在失超状态，易受损且可靠性下降。故研究失超保护系统有助于延长超导储能装置的稳定性和寿命，是推广超导储能系统应用的重要一环。而设计研发高灵敏度的失超检测装置，预先监测超导系统运行指标，更是失超保护系统的焦点所在。
    本文在超导储能混合磁体的失超检测系统中，为该系统设计一套光耦隔离与校正电路，用于检测串联超导磁体线圈的失超电压，同时将该电压与干扰信号隔离，并相应地放大或缩小单线圈电压，消除作为干扰因素的串联线圈感生电压分量。该电路有效提高失超保护系统的可靠性，满足超导储能系统失超保护的要求。

1 失超检测装置的设计原理与分析
    失超检测流程如图1所示。

    以下着重阐述电压隔离矫正部分的机理：
    在电压隔离校正环节中，超导线圈L1和L2上的电压v1和v2经过电压隔离校正电路后，一方面隔离超导线圈端的干扰信号；另一方面调整光耦隔离放大电路的参数，消除电感量带来的差别。超导线圈在纵轴方向上串联连接，故不考虑互感的影响。根据实际超导储能混合磁体的特点，采取有源功率检测法，并对电压差测量环节进行了校正，如图2所示。
    r1和r2，L1和L2分别为超导线圈的电感和失超电阻。有源功率检测法通过测量P=[(L1-L2)di／dt+(r1-r2)i]i=[(L1-L2)di／dt]i+(r1-r2)i2的值来检测失超。由于误判断是由于感应电压差(L1-L2)di／dt引起的，对v2进行L1／L2倍放大，得到(L1／L2)v2，再经过电压差测量环节与v1进行比较，得v1-(L1／L2)v2=0，消除了感应电压产生的影响。[!--empirenews.page--]
    随后由差分运算电路、绝对值运算电路、电流传感器电路、模拟乘法运算电路、滤波电路电路、低通滤波器、比较电路对信号进行处理，比较电路得出的信号送入数字信号处理器DSP中，判别超导线圈状态，并进一步找出失超线圈的具体位置。

    进一步分析可得：
 
    从上述3种情况看出，P1值已不包含感应电压差分量，此时可通过有源功率检测法测得P1值与阈值比较判断是否失超。

2 电压隔离电路的硬件电路设计与实现
    根据上述失超检测系统的原理框图，进行硬件电路设计。本文研究的电压隔离校正电路有2部分功能，一是检测超导磁体单个线圈的电压；二是对电压进行隔离并按比例放大。
    利用隔离器件将磁体与检测电路以及DSP隔离开，保护整个检测系统。线性光耦HCNR201可以较好地实现电路隔离。该耦合器是一种由3个光电元件组成的器件。图3是HCNR201的外围电路配置。其中Ipd1和Ipd2表示LED的输入电流If和光敏二极管的反向电压处在额定值时光敏二极管中流过的电流。该电流的大小与If有关。

    如果LED的输出光强发生改变，那么，光耦的前端运放N1就会调节If以进行补偿，并且在PD1，PD2上保持一个稳定的电流。将第3，4输出端与第1，2输入端一起接入前端运放N1回路，其中第3，4端的光敏二极管起反馈作用，它可将产生的输出电流再反馈到第1，2端的LED上，以对输入信号进行反馈控制。Ipd1，Ipd2的大小与If的关系如下：Ipd1=K1If，Ipd2=K2If，K1和K2分别为Ipd1和Ipd2随If的变化参数。对于图3所示电路，其输入Uin=Ipd1R1，输出端Uout=Ipd2R2，故有Uout／Uin=K2R2／K1R1=R2／R1。隔离放大器的增益可通过调整R2与R1的比值来实现。[!--empirenews.page--]
    根据HCNR201的运行特性选定前置运放的类型和阻值。本设计电路采用双电源供电的LM358集成运算放大器，其输出电流可达40 mA。R2可以根据所需要的放大倍数确定，另外由于光耦会产生一些高频的噪声，通常在R2处并联电容，构成低通滤波器。

    将单边信号接入电压隔离放大电路，通过图4所示的电压隔离放大电路，达到线性输出且隔离的目的。在升流阶段，产生的电感电压为正值，U1B不工作，则输入电压通过U1A线性或放大输出；在降流阶段，电感感应电压为负值，U1A不工作，则输入电压通过U1B线性或放大输出。当HCNR201的第3，4端的光敏二极管受光后，其输出信号将反馈到放大器的输入端，以提高光耦的线性并减少温漂。第5，6端输出的信号经运放放大后输出。电容C1，C2为反馈电容，可用于提高电路的稳定性，消除自激振荡，滤除电路中的毛刺信号，降低电路的输出噪声。调整R5和R1的值，可以对输出值进行一定倍数的放大。

3 失超检测系统校正电路实验
    实验采用不同电感值的超导线圈YBCO与Bi2223。
3．1 实验装置
    其主要实验装置及作用如下：由YBCO带材绕制的超导储能磁体，由10个超导线圈串联而成，分为宽带和窄带，两者具有不同的电感量；制冷机为单级G-M制冷机(600 W，77 kHz)；超导电源为超导磁体提供高精度稳定直流电源；真空机组为杜瓦提供减压降温环境，与散热器配合工作；空压机为真空机组提供高压空气；冷水机为真空机组、超导电源和制冷机提供冷却水源，保障设备的长期工作；液氮罐为储存液氮容器。将超导线圈放置在装有液氮的杜瓦瓶内，通过制冷机、冷水机以及真空机组的共同作用，使液氮温度降低至65 K并保持此低温，进行失超保检测实验。
3．2 实验连接
    根据实验目的，设计如图5所示的实验电路，充电电源以某一速度为超导线圈充电，测试系统通过虚拟仪器软件LabVIEW进行编程控制充电电流的速度并可以检测超导磁体上电压以及温度的变化。将超导线圈上的电压和电流信号输入到失超检测系统，通过示波器观察实验过程中的波形。[!--empirenews.page--]
3．3 宽带线圈与窄带线圈比较试验波形图
    宽带线圈与窄带线圈比较试验波形如图6～图10所示。

3．4 实验结果分析
    图6～图10为宽带与窄带比较时失超前后电压电流信号波形，其中v3，v4为经电压隔离校正电路后的电压，从图中可以看出在充电电流未达到临界电流时，超导线圈上的电压v1≠v2，经校正后超导线圈具有接近相等的电压值，失超电压低于阈值电压且几近于零，输出电压为高电平，表明失超检测电路能够消除感应电压的影响，反映线圈未失超；当充电电流达到临界电流时，超导线圈开始失超，v3≠v4，失超电压开始上升，输出电压由高电平转换为低电平，表示产生失超。
    根据有源功率检测法，比较电路中的阈值可设定为超导线圈上失超电压差的阈值与临界电流的乘积，检测电路得到的P1值为超导线圈电压差与线圈电流的乘积。由示波器可以看出，超导磁体充电的过程中受各种干扰及误差的影响，检测电路中存在幅值200 mV以内的干扰信号，那么阈值的设定还需考虑干扰信号的影响，根据实验取得经验值2．2 V，当失超电压大于2．2 V时，输出信号由高电平跳变到低电平，说明产生失超。
    从实验得知，失超检测系统不仅使用于电感值不等的超导线圈之间的比较，也适用于相同电感值的超导线圈之间的比较，实现失超检测的功能。

4 结语
    本文选取有源功率检测法作为本课题的研究方法，对现有有源功率检测法的电压差测量环节进行了校正，设计了用于超导储能混合磁体的电压隔离校正系统。详细阐述了该系统的工作原理；并用超导线圈进行实验，验证隔离校正的可靠性。结果表明，该系统不仅适用于超导线圈电感值不等的情况，在线圈电感值相等的情况下，也能准确、及时的检测到失超信号，保证失超保护装置及时准确的动作，进而维护超导储能混合磁体的安全稳定运行。