超導(dǎo)磁體失超檢測(cè)中電壓隔離校正電路的設(shè)計(jì)

摘要：采用有源功率檢測(cè)法，設(shè)計(jì)和制作了超導(dǎo)混合儲(chǔ)能磁體能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的失超檢測(cè)中的電壓隔離校正裝置。該裝置用于隔離超導(dǎo)線圈的干擾信號(hào)，以及消除串聯(lián)線圈電感分量，是混合磁體失超檢測(cè)中的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)搭建高溫超導(dǎo)線圈的實(shí)驗(yàn)裝置，在高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體上進(jìn)行失超檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究，得出了電壓矯正前后的線圈電壓波形，驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)裝置可行性與合理性。
關(guān)鍵詞：有源功率檢測(cè)法；超導(dǎo)儲(chǔ)能；失超檢測(cè)；電壓隔離校正

0 引言
    超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有大功率、高靈敏度、小體積，低損耗等諸多優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)和科研領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。尤其是在輸電電網(wǎng)中，能夠解決用電高峰和低谷期電網(wǎng)輸電的供求矛盾，提高電網(wǎng)的電能容量，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，超導(dǎo)儲(chǔ)能因?yàn)槠涞锰飒?dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，成為未來(lái)最具潛力的儲(chǔ)能裝置。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部線圈會(huì)因?yàn)樗查g高壓、局部高熱以及過(guò)載應(yīng)力等電磁和機(jī)械擾動(dòng)，使系統(tǒng)處在失超狀態(tài)，易受損且可靠性下降。故研究失超保護(hù)系統(tǒng)有助于延長(zhǎng)超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的穩(wěn)定性和壽命，是推廣超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的重要一環(huán)。而設(shè)計(jì)研發(fā)高靈敏度的失超檢測(cè)裝置，預(yù)先監(jiān)測(cè)超導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)，更是失超保護(hù)系統(tǒng)的焦點(diǎn)所在。
    本文在超導(dǎo)儲(chǔ)能混合磁體的失超檢測(cè)系統(tǒng)中，為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套光耦隔離與校正電路，用于檢測(cè)串聯(lián)超導(dǎo)磁體線圈的失超電壓，同時(shí)將該電壓與干擾信號(hào)隔離，并相應(yīng)地放大或縮小單線圈電壓，消除作為干擾因素的串聯(lián)線圈感生電壓分量。該電路有效提高失超保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，滿足超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)失超保護(hù)的要求。

1 失超檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)原理與分析
    失超檢測(cè)流程如圖1所示。

    以下著重闡述電壓隔離矯正部分的機(jī)理：
    在電壓隔離校正環(huán)節(jié)中，超導(dǎo)線圈L1和L2上的電壓v1和v2經(jīng)過(guò)電壓隔離校正電路后，一方面隔離超導(dǎo)線圈端的干擾信號(hào)；另一方面調(diào)整光耦隔離放大電路的參數(shù)，消除電感量帶來(lái)的差別。超導(dǎo)線圈在縱軸方向上串聯(lián)連接，故不考慮互感的影響。根據(jù)實(shí)際超導(dǎo)儲(chǔ)能混合磁體的特點(diǎn)，采取有源功率檢測(cè)法，并對(duì)電壓差測(cè)量環(huán)節(jié)進(jìn)行了校正，如圖2所示。
    r1和r2，L1和L2分別為超導(dǎo)線圈的電感和失超電阻。有源功率檢測(cè)法通過(guò)測(cè)量P=[(L1-L2)di／dt+(r1-r2)i]i=[(L1-L2)di／dt]i+(r1-r2)i2的值來(lái)檢測(cè)失超。由于誤判斷是由于感應(yīng)電壓差(L1-L2)di／dt引起的，對(duì)v2進(jìn)行L1／L2倍放大，得到(L1／L2)v2，再經(jīng)過(guò)電壓差測(cè)量環(huán)節(jié)與v1進(jìn)行比較，得v1-(L1／L2)v2=0，消除了感應(yīng)電壓產(chǎn)生的影響。[!--empirenews.page--]
    隨后由差分運(yùn)算電路、絕對(duì)值運(yùn)算電路、電流傳感器電路、模擬乘法運(yùn)算電路、濾波電路電路、低通濾波器、比較電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，比較電路得出的信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理器DSP中，判別超導(dǎo)線圈狀態(tài)，并進(jìn)一步找出失超線圈的具體位置。

    進(jìn)一步分析可得：
 
    從上述3種情況看出，P1值已不包含感應(yīng)電壓差分量，此時(shí)可通過(guò)有源功率檢測(cè)法測(cè)得P1值與閾值比較判斷是否失超。

2 電壓隔離電路的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)上述失超檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖，進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。本文研究的電壓隔離校正電路有2部分功能，一是檢測(cè)超導(dǎo)磁體單個(gè)線圈的電壓；二是對(duì)電壓進(jìn)行隔離并按比例放大。
    利用隔離器件將磁體與檢測(cè)電路以及DSP隔離開，保護(hù)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)。線性光耦HCNR201可以較好地實(shí)現(xiàn)電路隔離。該耦合器是一種由3個(gè)光電元件組成的器件。圖3是HCNR201的外圍電路配置。其中Ipd1和Ipd2表示LED的輸入電流If和光敏二極管的反向電壓處在額定值時(shí)光敏二極管中流過(guò)的電流。該電流的大小與If有關(guān)。

    如果LED的輸出光強(qiáng)發(fā)生改變，那么，光耦的前端運(yùn)放N1就會(huì)調(diào)節(jié)If以進(jìn)行補(bǔ)償，并且在PD1，PD2上保持一個(gè)穩(wěn)定的電流。將第3，4輸出端與第1，2輸入端一起接入前端運(yùn)放N1回路，其中第3，4端的光敏二極管起反饋?zhàn)饔茫蓪a(chǎn)生的輸出電流再反饋到第1，2端的LED上，以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反饋控制。Ipd1，Ipd2的大小與If的關(guān)系如下：Ipd1=K1If，Ipd2=K2If，K1和K2分別為Ipd1和Ipd2隨If的變化參數(shù)。對(duì)于圖3所示電路，其輸入U(xiǎn)in=Ipd1R1，輸出端Uout=Ipd2R2，故有Uout／Uin=K2R2／K1R1=R2／R1。隔離放大器的增益可通過(guò)調(diào)整R2與R1的比值來(lái)實(shí)現(xiàn)。[!--empirenews.page--]
    根據(jù)HCNR201的運(yùn)行特性選定前置運(yùn)放的類型和阻值。本設(shè)計(jì)電路采用雙電源供電的LM358集成運(yùn)算放大器，其輸出電流可達(dá)40 mA。R2可以根據(jù)所需要的放大倍數(shù)確定，另外由于光耦會(huì)產(chǎn)生一些高頻的噪聲，通常在R2處并聯(lián)電容，構(gòu)成低通濾波器。

    將單邊信號(hào)接入電壓隔離放大電路，通過(guò)圖4所示的電壓隔離放大電路，達(dá)到線性輸出且隔離的目的。在升流階段，產(chǎn)生的電感電壓為正值，U1B不工作，則輸入電壓通過(guò)U1A線性或放大輸出；在降流階段，電感感應(yīng)電壓為負(fù)值，U1A不工作，則輸入電壓通過(guò)U1B線性或放大輸出。當(dāng)HCNR201的第3，4端的光敏二極管受光后，其輸出信號(hào)將反饋到放大器的輸入端，以提高光耦的線性并減少溫漂。第5，6端輸出的信號(hào)經(jīng)運(yùn)放放大后輸出。電容C1，C2為反饋電容，可用于提高電路的穩(wěn)定性，消除自激振蕩，濾除電路中的毛刺信號(hào)，降低電路的輸出噪聲。調(diào)整R5和R1的值，可以對(duì)輸出值進(jìn)行一定倍數(shù)的放大。

3 失超檢測(cè)系統(tǒng)校正電路實(shí)驗(yàn)
    實(shí)驗(yàn)采用不同電感值的超導(dǎo)線圈YBCO與Bi2223。
3．1 實(shí)驗(yàn)裝置
    其主要實(shí)驗(yàn)裝置及作用如下：由YBCO帶材繞制的超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體，由10個(gè)超導(dǎo)線圈串聯(lián)而成，分為寬帶和窄帶，兩者具有不同的電感量；制冷機(jī)為單級(jí)G-M制冷機(jī)(600 W，77 kHz)；超導(dǎo)電源為超導(dǎo)磁體提供高精度穩(wěn)定直流電源；真空機(jī)組為杜瓦提供減壓降溫環(huán)境，與散熱器配合工作；空壓機(jī)為真空機(jī)組提供高壓空氣；冷水機(jī)為真空機(jī)組、超導(dǎo)電源和制冷機(jī)提供冷卻水源，保障設(shè)備的長(zhǎng)期工作；液氮罐為儲(chǔ)存液氮容器。將超導(dǎo)線圈放置在裝有液氮的杜瓦瓶?jī)?nèi)，通過(guò)制冷機(jī)、冷水機(jī)以及真空機(jī)組的共同作用，使液氮溫度降低至65 K并保持此低溫，進(jìn)行失超保檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。
3．2 實(shí)驗(yàn)連接
    根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)如圖5所示的實(shí)驗(yàn)電路，充電電源以某一速度為超導(dǎo)線圈充電，測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)虛擬儀器軟件LabVIEW進(jìn)行編程控制充電電流的速度并可以檢測(cè)超導(dǎo)磁體上電壓以及溫度的變化。將超導(dǎo)線圈上的電壓和電流信號(hào)輸入到失超檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)示波器觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的波形。[!--empirenews.page--]
3．3 寬帶線圈與窄帶線圈比較試驗(yàn)波形圖
    寬帶線圈與窄帶線圈比較試驗(yàn)波形如圖6～圖10所示。

3．4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    圖6～圖10為寬帶與窄帶比較時(shí)失超前后電壓電流信號(hào)波形，其中v3，v4為經(jīng)電壓隔離校正電路后的電壓，從圖中可以看出在充電電流未達(dá)到臨界電流時(shí)，超導(dǎo)線圈上的電壓v1≠v2，經(jīng)校正后超導(dǎo)線圈具有接近相等的電壓值，失超電壓低于閾值電壓且?guī)捉诹?，輸出電壓為高電平，表明失超檢測(cè)電路能夠消除感應(yīng)電壓的影響，反映線圈未失超；當(dāng)充電電流達(dá)到臨界電流時(shí)，超導(dǎo)線圈開始失超，v3≠v4，失超電壓開始上升，輸出電壓由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，表示產(chǎn)生失超。
    根據(jù)有源功率檢測(cè)法，比較電路中的閾值可設(shè)定為超導(dǎo)線圈上失超電壓差的閾值與臨界電流的乘積，檢測(cè)電路得到的P1值為超導(dǎo)線圈電壓差與線圈電流的乘積。由示波器可以看出，超導(dǎo)磁體充電的過(guò)程中受各種干擾及誤差的影響，檢測(cè)電路中存在幅值200 mV以內(nèi)的干擾信號(hào)，那么閾值的設(shè)定還需考慮干擾信號(hào)的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)取得經(jīng)驗(yàn)值2．2 V，當(dāng)失超電壓大于2．2 V時(shí)，輸出信號(hào)由高電平跳變到低電平，說(shuō)明產(chǎn)生失超。
    從實(shí)驗(yàn)得知，失超檢測(cè)系統(tǒng)不僅使用于電感值不等的超導(dǎo)線圈之間的比較，也適用于相同電感值的超導(dǎo)線圈之間的比較，實(shí)現(xiàn)失超檢測(cè)的功能。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文選取有源功率檢測(cè)法作為本課題的研究方法，對(duì)現(xiàn)有有源功率檢測(cè)法的電壓差測(cè)量環(huán)節(jié)進(jìn)行了校正，設(shè)計(jì)了用于超導(dǎo)儲(chǔ)能混合磁體的電壓隔離校正系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的工作原理；并用超導(dǎo)線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證隔離校正的可靠性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅適用于超導(dǎo)線圈電感值不等的情況，在線圈電感值相等的情況下，也能準(zhǔn)確、及時(shí)的檢測(cè)到失超信號(hào)，保證失超保護(hù)裝置及時(shí)準(zhǔn)確的動(dòng)作，進(jìn)而維護(hù)超導(dǎo)儲(chǔ)能混合磁體的安全穩(wěn)定運(yùn)行。