一种高温超导磁体的失超检测电路

摘要

本发明涉及一种高温超导磁体的失超检测电路，特别涉及一种用于检测出高温超导磁体是否发生失超(quench)的电路，该电路包括高温超导磁体、校正电路、光耦隔离电路、差分运算放大电路、绝对值电路、模拟乘法电路、电流-电压转换电路、滤波电路、比较电路和输出电路等，所述高温超导磁体由多个高温超导线圈串联而成，每两个高温超导线圈作为一组进行比较，将每组比较电路的输出端进行并联，输出失超信号，将失超信号输入到保护电路，从而使高温超导磁体免受损坏。

权利要求

1.一种高温超导磁体的失超检测电路，其特征在于该检测电路包括高温超导磁体(1)、校正电路(4)、光耦隔离电路(5)、差分运算放大电路(6)、绝对值电路(7)、模拟乘法电路(8)、电流-电压转换电路(9)、滤波电路(10)、比较电路(11)和输出电路(12)，所述高温超导磁体(1)由至少两个高温超导线圈串联构成，并具有与高温超导线圈相串联的精密可调电阻VR1和/或精密可调电阻VR2，所述精密可调电阻VR1和/或精密可调电阻VR2与功率电阻R1和/或功率电阻R2串联，所述高温超导线圈经过校正电路(4)和光耦隔离电路(5)后作为差分运算放大电路(6)的输入，绝对值电路(7)对差分运算放大电路(6)的输出取绝对值，绝对值电路(7)的输出作为模拟乘法电路(8)的输入，模拟乘法电路(8)同时检测每个高温超导线圈上的电压和电流的变化，模拟乘法电路(8)的输出为电流信号，经过电流-电压转换电路(9)转换为电压信号作为滤波电路(10)的输入，滤波电路(10)采用二阶巴特沃思低通滤波器，消除电路中的噪声干扰，滤波电路的输出信号在比较电路(11)中与设定的阀值电压比较后作为失超检测电路的输出。

说明书

一种高温超导磁体的失超检测电路

技术领域

[0001] 本发明涉及一种针对高温超导磁体的失超检测电路。更具体地，本发明涉及一种用于检测出高温超导磁体是否发生失超(quench)的电路。

背景技术

[0002] 电力系统中的超导电力装置必将遇到诸如系统短路故障等各种动态过程，承受短路大电流、不平衡电流的冲击，其中超导电力装置中的超导磁体可能因承受过大的短路电流作用而失超。超导磁体的失超不仅改变了超导电力装置的电气参数，对电力系统的安全、稳定、经济运行也将产生坏的影响。

[0003] 对于高温超导磁体自身，高温超导磁体只有在满足特定的条件时才能体现超导特性，一旦条件被破坏，高温超导磁体将会失超。失超的基本过程是将储存的电磁能转变为热能的过程，转变的热能主要被外接移能电阻和线圈内的正常区吸收。一方面由于失超总是从一点开始，然后通过欧姆热和热传导向外扩散，最早转变为正常态的区域处在欧姆加热状态的时间最长、温升最高，局部过热可能烧焦绝缘或烧断导体，同时失超也可能产生高电压引起绝缘击穿，高温超导磁体失超伴随着高温超导过电流和发热，若不及时采取措施将高温超导线圈中储存的能量转移，这些能量将通过高温超导线圈以热能的形式耗散，严重的局部温升可能会损坏高温超导磁体。

[0004] 超导磁体包括高温超导磁体和低温超导磁体，一般来说，高温超导磁体的失超传播速度比低温超导磁体慢两到三个数量级，正常区域传播速度太慢，很容易使高温超导磁体局部形成热点，热量只能在很小的范围内扩散，从而导致高温超导磁体永久性破坏。所以高温超导磁体的失超检测比低温超导磁体难度更大，要求更高。

[0005] 国内外用到的失超检测方法有温升检测、压力检测、超声波检测、流速检测和电压检测。其中应用最为广泛的是电压检测，桥式电路检测法是在电压检测法的基础上提出的，简单易于实现但存在噪声干扰的问题，而且外接电阻会消耗一部分能量，有源功率检测法可以解决噪声干扰的问题，也不用外接电阻，图1示出了有源功率法检测电路，超导线圈L1＝L2，电阻r1和r2为两段超导线圈失超后的电阻。定义功率P＝(v1-v2)i，其中v1和v2为超导线圈L1和超导线圈L2失超时的电压，i为超导线圈的电流。未失超时，电阻r1和电阻2
r2均为零，故功率P值也为零。失超后，功率P＝(r1-r2)i，即除了电阻r1＝r2的情况，失超均可通过功率P值检测到。电阻r1＝r2是一般不存在的特殊情况，通常可不予考虑。

[0006] 本发明所涉及的检测技术是对现已提出的有源功率检测法进行了改进，应用该检测电路可以较好的检测到高温超导磁体的失超信号，防止高温超导磁体被烧毁。

发明内容

[0007] 鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种针对高温超导磁体的失超检测电路。

[0008] 具体的检测方法是：将每两个高温超导线圈作为一组进行比较，正常情况下，输出电压信号为零，当任意一个高温超导线圈发生失超时，输出电压大于零。对输出信号用线性光耦进行隔离，经过差分运算放大器产生一个差分电压。其中任何一个高温超导线圈都有可能发生失超，产生的差分电压可能为正值也可能为负值，对负值取绝对值，将失超信号转化为正值，供后面电路使用。采用有源功率检测法，通过模拟乘法器产生功率P＝(v1-v2)i，其中v1和v2为高温超导线圈失超后的电压，可以同时检测到电流与电压的变化，检测结果更准确。经过二阶巴特沃思低通滤波电路，与参考电压作比较后产生输出信号，即失超信号，输出结果为一高电平或者低电平。当高温超导磁体失超时，将发出高电平信号给数字信号处理器，数字信号处理器动作从而保护电路，使磁体免受损坏。

[0009] 本发明所涉及的高温超导磁体由多个高温超导线圈串联而成，每两个高温超导线圈作为一组进行比较，将每组比较电路的输出端进行并联，输出失超信号，将失超信号输入到保护电路，从而使高温超导磁体免受损坏。

[0010] 因此，本发明提出了一种高温超导磁体的失超检测电路，其特征在于包括高温超导磁体、校正电路、光耦隔离电路、差分运算放大电路、绝对值电路、模拟乘法电路、电流-电压转换电路、滤波电路、比较电路和输出电路，所述高温超导磁体由至少两个高温超导线圈串联够成，并具有与高温超导线圈相串联的精密可调电阻VR1和/或精密可调电阻VR2，所述精密可调电阻VR1和/或精密可调电阻VR2与功率电阻R1和/或功率电阻R2串联，所述高温超导线圈经过校正电路和光耦隔离电路后作为差分运算放大电路的输入，绝对值电路对差分运算放大电路的输出取绝对值，绝对值电路的输出作为模拟乘法电路的输入，模拟乘法电路同时检测每个高温超导线圈上的电压和电流的变化，模拟乘法电路的输出为电流信号，经过电流-电压转换电路转换为电压信号作为滤波电路的输入，滤波电路采用二阶巴特沃思低通滤波器，消除电路中的噪声干扰，经过比较电路后作为失超检测电路的输出。

[0011] 本发明具有以下优点：

[0012] 1、可以很好的解决失超检测中噪声干扰的问题，提高检测的准确度。从高温超导磁体1上检测到的失超信号可能会受到干扰信号的影响，由于高温超导磁体1失超时产生的电压很小，通用判据为每厘米超导带材上的失超电压为uV，所以必须采取有效的措施将失超信号从干扰信号中鉴别出来。在本发明中，将两个外径相同的高温超导线圈2和高温超导线圈3上产生的电压作比较，经过光耦隔离电路5，差分运算放大电路6以及滤波电路10，可以很好的减小干扰信号的影响。

[0013] 2、电路结构简单，易于实现，本发明中所涉及的电路均由模拟器件组成，速度快，易于实现。

[0014] 3、本发明在高温超导磁体1与光耦隔离电路5之间加入了校正电路4，即串联精密可调电阻VR1和精密可调电阻VR2，这样可以减少高温超导线圈2和高温超导线圈3之间因绕制工艺或线材本身的差异导致输出电压的不同，使检测结果更准确。

附图说明

[0015] 图1是有源功率法检测电路的电路示意图；

[0016] 图2是本发明的针对高温超导磁体的失超检测流程示意图；

[0017] 图3示出了依据本发明的校正电路4、光耦隔离电路5以及差分运算放大电路6的示意图；

[0018] 图4示出了本发明的高温超导磁体的失超检测电路的模拟乘法电路8的示意图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明进一步说明。

[0020] 图2示出了针对高温超导磁体的失超检测示意图，由以下几部分构成：高温超导磁体1、高温超导线圈2、高温超导线圈3、校正电路4、光耦隔离电路5、差分运算放大电路6、绝对值电路7、模拟乘法电路8、电流-电压转换电路9、滤波电路10、比较电路11和输出电路12，其中高温超导磁体1由高温超导线圈2、高温超导线圈3等高温超导线圈串联组成。以高温超导线圈2和高温超导线圈3为例，具体的实施方式是：高温超导线圈2和高温超导线圈3经过校正电路4和光耦隔离电路5后作为差分运算放大电路6的输入，绝对值电路7对差分运算放大电路6的输出取绝对值，绝对值电路7的输出作为模拟乘法电路8的输入，模拟乘法电路8可以同时检测高温超导线圈2和高温超导线圈3上电压和电流的变化，模拟乘法电路8的输出为电流信号，经过电流-电压转换电路9转换为电压信号作为滤波电路10的输入，滤波电路10采用二阶巴特沃思低通滤波器，消除电路中的噪声干扰，经过比较电路11后作为失超检测电路的输出。其中绝对值电路7、电流-电压转换电路9、滤波电路10和比较电路11是常用的模拟电路，下面主要介绍校正电路4、光耦隔离电路5、差分运算放大电路6以及模拟乘法电路8。

[0021] 图3示出了校正电路4、光耦隔离电路5以及差分运算放大电路6。本电路的设计是为了检测高温超导线圈L1和高温超导线圈L2失超后产生的电压差。理想情况下高温超导线圈L1和高温超导线圈L2是两个外径完全相同的高温超导线圈，由于在绕制过程中可能会因为绕制工艺或超导线材线圈本身的原因使高温超导线圈L1和高温超导线圈L2的电气特性出现细微的差别，在测量时会产生测量电压的细微不同，加入校正电路后就可以很好的解决这个问题。当高温超导线圈L1和高温超导线圈L2处于失超状态且施加相同的电压时，调解精密可调电阻VR1和精密可调电阻VR2，使输出电压相同，这样可以消除绕制过程中产生的误差。其中精密可调电阻VR1和精密可调电阻VR2的功率一般在1W以下，功率电阻R1和功率电阻R2对精密可调电阻VR1和精密可调电阻VR2起保护作用，防止功率过大时精密可调电阻VR1和精密可调电阻VR2被烧毁。调节精密可调电阻VR1和精密可调电阻VR2使线性光耦元件U1和线性光耦元件U2工作在最佳线性阶段，从而反映高温超导线圈L1和高温超导线圈L2上的电压。R3和R4为线性光耦元件U1和线性光耦元件U2的负载电阻，根据线性光耦的工作原理，线性光耦元件U1和线性光耦元件U2的输出端就会产生相应的输出电压。U3采用是低功耗高精度的通用仪表放大器INA128，在INA128的引脚1与INA128的引脚8之间外接界阻R7可对其增益进行设置，增益的范围一般选择十倍以内。电阻R5和电阻R6为差分运算放大器INA128输入引脚2和输入引脚3的限流电阻，一般取10k，电容C1和电容C2为滤波电容，一般取0.1u，Port1端为差分元算放大电路的输出端。

[0022] 图4示出了模拟乘法电路8，Port2端为绝对值电路7的输出，模拟乘法器U4的型号为RC4200，其中RC4200有三个输入端，分别为输入电流引脚1、输入电流引脚5和输入电流引脚8，输出端为输出电流引脚4。其中输入电流引脚1的输入为绝对值电路7的输出，输入电流引脚8的输入为高温超导线圈电流i，+5伏直流电源为输入电流引脚5提供输入电流。电容C3和电容C4为滤波电容，一般取0.1u，电阻R8为限流电阻。模拟乘法器RC4200的输出为电流信号，经过电流-电压转换电路9将电流信号转换为电压信号，作为滤波电路10的输入。其中U5为运算放大器，电阻R9为转换电阻，电容C5和电容C6为滤波电容，Port
3端是滤波电路10的输入端。

[0023] 此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。