超导磁体失超检测中电压隔离校正电路的设计

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。

　　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。

　　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。

　　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