方 進 丘 明 范 瑜 魏 斌 逯文佳 王藝新 楊艷芳

（1. 北京交通大學電氣工程學院 北京 100044 2. 中國電力科學研究院 北京 100192）

1 引言

同時隨著電力消費的增長，社會對電力品質的要求也越來越高。而超導儲能系統(tǒng)對系統(tǒng)功率需求的快速響應特性為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供新的技術途徑，同時對改善電能質量、提高可靠性也有很好的技術優(yōu)勢。由于超導磁體只有在滿足特定條件下才能體現(xiàn)超導特性，一旦條件被破壞，超導磁體將發(fā)生失超。超導磁體失超的基本過程是儲存的電磁能轉變?yōu)闊崮艿倪^程，轉變的熱能主要被外接移能電阻和線圈內(nèi)的正常區(qū)吸收。超導磁體失超后，若不及時采取措施，產(chǎn)生的局部過熱可能會導致超導磁體被燒毀或引起絕緣擊穿，影響超導儲能系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定運行，因此必須快速而準確的檢測到超導磁體的失超。國內(nèi)外用到的失超檢測方法有溫升檢測[1,2]、壓力檢測[3]、超聲波檢測[4]、磁場檢測[5]和電壓檢測[6]，其中應用最為廣泛的是電壓檢測[7,8]，其余各種檢測方法在實際應用中并不多見。橋式電路檢測是匝間電壓檢測的改進，它較之匝間電壓檢測要方便且易實現(xiàn)，不需要安裝電壓傳感器。但是橋式電路同樣存在噪聲干擾的問題，而且，對于交流電路，外接電阻會消耗一部分能量。本文采用的有源功率檢測法[9-11]可以很好的解決噪聲干擾的問題。檢測時功率信號里常伴有噪聲，可附加低通濾波器（LPF）排除噪聲干擾。

超導儲能混合磁體由具有不同的電感值的超導線圈組成，我們研究的磁體連接方式為串聯(lián)方式連接, 本課題的研究對象為由高溫超導帶材在縱軸方向上串聯(lián)而成的混合超導磁體，根據(jù)混合磁體的特點設計了一套用于混合磁體的失超檢測方法，在電壓差測量環(huán)節(jié)進行了校正，設計與制作了失超檢測的硬件電路，并用實驗進行了驗證。

2 失超檢測系統(tǒng)

研究表明，超導磁體由超導態(tài)轉變?yōu)檎B(tài)，即所謂失超。繞組出現(xiàn)常態(tài)區(qū)的原因主要是超導磁體運行參數(shù)超過臨界值。只要超導磁體在運行過程中有一個基本參量超過臨界值（臨界磁場、臨界電流和臨界溫度），超導材料的超導性質就會消失，繞組就會出現(xiàn)常態(tài)區(qū)。

根據(jù)對現(xiàn)有有源功率檢測法的電壓差測量環(huán)節(jié)進行校正的原理框圖，設計一套用于混合磁體的失超信號檢測系統(tǒng)，將兩個超導線圈作為一組進行比較，來判斷失超的產(chǎn)生。

如圖1所示為超導儲能系統(tǒng)的失超檢測系統(tǒng)框圖，對失超檢測系統(tǒng)的各個部分進行功能研究和分析。

圖1 失超信號檢測系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic drawing of quench detection system

2.1 電壓隔離校正環(huán)節(jié)

由于超導儲能混合磁體中相比較的線圈1的電感 L1和線圈 2的電感 L2不同，當通入相同電流時兩個線圈的電壓是不同的。當其中一個線圈失超時，相比較的兩個線圈的電壓是不同的。必須經(jīng)過電壓隔離校正電路消除由于兩個線圈的電感的不同所帶來電壓不同。這樣才能判斷當兩個線圈的電壓不同是不是失超造成的。

超導線圈L1和L2上的電壓v1和v2經(jīng)過電壓隔離校正電路后，一方面隔離超導線圈端的干擾信號，另一方面調整光耦隔離放大電路的參數(shù)，使v2的值放大L1/L2倍，使得相比較的兩個線圈在差分運算環(huán)節(jié)的輸入值中含有相同的感應電壓分量，從而消除電感量帶來的差別；采取有源功率檢測法，并對電壓差測量環(huán)節(jié)進行了校正[12]，其原理框圖如圖2所示。

圖2 校正的電壓差測量環(huán)節(jié)框圖Fig.2 Schematic drawing of correction partial active power detecting method

L1、L2為兩個超導線圈的電感，r1和 r2為兩個超導線圈失超后產(chǎn)生的電阻。有源功率檢測法通過測量P = [(L1- L2)di/ (dt)+ (r1- r2)i]i = [(L1- L2)di/ (dt)]i +的值來檢測失超。在L1=L2情況下，未失超時，r1和r2均為零，檢測到P值也為零，故顯示超導線圈未失超。對于L1≠L2的情況，在未失超時，雖然 r1和 r2均為零，但是由于 L1≠L2，故P = (v1- v2)i = [(L1- L2)di/ (dt)]i ≠ 0， 即 始 終 存 在 一個不為零的P值，由此可能會造成誤判斷，因此，需要在電壓差測量環(huán)節(jié)進行校正。

由 于 誤判 斷是 由 于感 應 電 壓 差 (L1-L2)di/ (dt )引起的，則需消除感應電壓差。線圈1的感應電壓為 L1di/ (dt)，線圈2的感應電壓為 L2di/ (dt)，當超導線圈L2輸出電壓v2后，對v2進行L1/L2倍放大，即(L1/L2)v2，再經(jīng)過電壓差測量環(huán)節(jié)與v1進行比較，得v1- （L1 L 2）v2= 0，消除了感應電壓產(chǎn)生的影響，繼而根據(jù)有源功率檢測法來判斷失超的產(chǎn)生。采用此種方法，對于L1=L2情況，則放大系數(shù)(L1/L2)=1，同樣適用。

2.1.1 線圈電壓檢測電路

超導線圈上的電壓為差模信號，后續(xù)采用的線性光耦隔離電路的輸入信號是以電源地為參考電壓的單邊信號，故需將超導線圈上的差模信號調整為與檢測電路具有一致的參考電壓。選用低功耗、高精度的通用儀表放大器INA128。單個外部電阻R3可實現(xiàn)從1～10 000的任一增益選擇。R1和R2為限流電阻，R3為增益電阻，其輸出為(1+50kΩ/R3)(v1-v2)。調整比例，可實現(xiàn)線性輸出。圖3為INA128運用電路。

2.1.2 電壓隔離放大電路

需利用隔離器件將磁體與檢測電路以及 DSP隔離開，保護整個檢測系統(tǒng)。線性光耦 HCNR201可以較好地實現(xiàn)電路隔離，它具有很高的線性度和靈敏度，可在檢測系統(tǒng)中精確地傳送電壓信號。

對于圖4所示電路，其輸入 Uin= Ipd1R1，輸出端Uout= Ipd2R2，故有 Uout/Uin=K2R2/K1R1= R2/R1。

由此可見，其輸入與輸出呈一種線性關系，且其隔離放大器的增益可通過調整 R2與 R1的比值來實現(xiàn)

[13]。將單邊信號接入電壓隔離放大電路，通過圖3.6所示的電壓隔離放大電路，達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 U1A線性或放大輸出；在降流階段，電感感應電壓為負值，U1A不工作，則輸入電壓通過 U1B線性或放大輸出。當 HCNR201的第3、4端的光敏二極管受光后，其輸出信號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端輸出的信號經(jīng)運放放大后輸出。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，降低電路的輸出噪聲。調整 R5和 R1的值，可以對輸出值進行一定倍數(shù)的放大。

2.2 差分運算電路

差分運算為電壓差測量環(huán)節(jié)，實現(xiàn)線圈電壓差功能。通過上文所述電壓隔離校正電路，將線圈上的感應電壓分量調整為一致，在電壓差測量環(huán)節(jié)，取得由線圈失超電阻產(chǎn)生的電阻電壓差。同時，在電壓差測量環(huán)節(jié)之后加入絕對值電路，由于線圈的失超程度不同，那么輸出的電壓有正有負，絕對值處理電路可以使得輸出信號均為正電壓信號，這樣方便后續(xù)電路處理。如圖5所示，差分運算電路采用INA128儀表放大器。

圖3 線圈電壓檢測電路Fig.3 Voltage detection circuit

圖4 電壓隔離放大電路Fig.4 Voltage isolation and amplify circuit

2.3 絕對值運算電路

如圖5所示，兩個運算放大器組成絕對值電路。由于相比較的兩個線圈的失超情況不能確定，電壓差測量環(huán)節(jié)的輸出可能為正值也有可能為負值，絕對值運算對線圈電壓差取絕對值，使輸出信號均為正電壓信號，方便后續(xù)電路處理。

2.4 模擬乘法運算電路

模擬乘法電路實現(xiàn)有源功率檢測法中線圈電壓差和電流的相乘運算，輸出值與閾值相比較。模擬乘 法 器 實 現(xiàn) 有 源 功 率 P1= K[ V1- (L1/L2)V2]i 值 的 檢測。RC4200模擬乘法器的原理是輸出電流為兩個輸入電流的乘積，如圖6所示， I3= I1I2/I4，加入電流電壓轉換電路，將P1值以電壓的形式輸出。

2.5 濾波電路

圖5 差分運算電路Fig.5 Voltage difference measurement circuit

圖6 模擬乘法電路Fig.6 Analog multiplier circuit

圖7 濾波電路Fig.7 Filter circuit

附加低通濾波器，消除高頻干擾。濾波器采用兩級二階巴特沃斯低通濾波器相級聯(lián)，如圖7所示，巴特沃斯低通濾波器幅頻響應在低頻時它的幅值非常接近理想情況，在截止頻率附近具有較陡的幅頻特性，并且對大于 10Hz的高頻信號具有很好的衰減作用，而對低頻信號影響不大，由于信號經(jīng)過前級放大已具有較大幅度，故選擇低通濾波器增益k=1。選擇濾波器的截止頻率為7.5Hz，取C1=1μF，C2=2μF，可以求出 R1=R2=15kΩ。另外為了防止信號自激，在電阻R3兩端并上56pF的云母電容。

2.6 比較電路

根據(jù)失超三階段理論，失超開始時產(chǎn)生的電阻極小，為毫歐數(shù)量級，因此失超電壓也極小，但隨正常區(qū)的擴展，電阻值也要隨之增大。經(jīng)檢測電路得到 P1= K[ v1- (L1/L2)v2]i ，K的大小由電路中的具體參數(shù)所確定，檢測電路通過P1值與閾值的比較來判斷是否失超。

下面就相比較的兩個線圈的不同情況進行分析。

（1）相比較的兩個線圈都未失超

v1=L1di/ (dt )、 v2=L2di/ (dt )， 則 v1-(L1/L2)v2=0，得到

（2）單個線圈失超

v1=L1di/ (dt)+ r1i ，v2=L2di/ (dt )，則v1-(L1/L2)v2= r1i，得到

（3）兩個線圈都失超

v1= L1di/ (dt)+r1i ，v2=L2di/ (dt)+ r2i ， 則v1-(L1/L2)v2= [r1- (L1/L2)r2]i ， 得 到

從上述三種情況可以看出，P1值已不包含感應電壓差分量，則可通過有源功率檢測法測得 P1值與閾值Pm比較，來判斷是否失超。其中，比較電路中閾值的設定以超導磁體臨界電流與超導線圈失超時的電阻電壓差的乘積為參考。但是檢測電路中存在幾百毫伏的干擾信號，故在實際檢測電路中閾值的設定還應考慮干擾信號的影響。因此可以看出，功率閾值Pm由超導磁體臨界電流Ic、超導線圈失超時的電阻電壓差UΔ及外部干擾信號電壓Ur這 3個因素決定。Pm由 Pm= Ic(Δ U + Ur)計算而得。

比較器LM393適用于微弱信號檢測的場合，能保證輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài)。如圖8所示為比較電路圖。

圖8 比較電路Fig.8 Comparison circuit

設Uref為參考電壓，則

式中 UOL——輸出的低電平；

UOH——輸出的高電平。

則UT1為閾值下限，UT2為閾值上限，根據(jù)滯環(huán)比較器的電壓傳輸特性，輸入Uin從小于UT1的值逐漸增大到 UT1＜Uin＜UT2時，輸出 UOH；如果 Uin是從大于 UT2的值逐漸減小到 UT1＜Uin＜UT2，那么Uout應為UOL。ΔU=UT2-UT1，根據(jù)超導線圈的實際情況，閾值的范圍存在根據(jù)實際情況，設定一參考電壓，當超導線圈未失超時，低通濾波器的輸出信號小于參考電壓，比較器的輸出為高電平，當超導線圈失超時，低通濾波器的輸出大于參考電壓，比較器的輸出為低電平，這樣根據(jù)比較器的輸出就能夠判斷出超導線圈是否發(fā)生失超。

3 失超檢測系統(tǒng)裝置

由YBCO帶材繞制的超導儲能磁體，由十個超導線圈串聯(lián)而成，含有寬帶和窄帶，由于寬帶和窄帶的結構不同，兩者具有不同的電感量，窄帶的電感量略大于寬帶，臨界電流為 41.6A；一套失超檢測系統(tǒng)裝置中，制冷機為單級G-M制冷機（600W，77K）；超導電源為穩(wěn)定直流電源；真空機組為杜瓦提供減壓降溫環(huán)境，與散熱器配合工作；空壓機為真空機組提供高壓空氣；冷水機為系統(tǒng)提供冷卻水源，保證設備的長期工作；將超導線圈放置在裝有液氮的杜瓦瓶內(nèi)，使液氮溫度降低至65K并保持此低溫，進行失超檢測實驗。

根據(jù)實驗目的，設計如圖9所示的實驗電路，充電電源以某一速度為超導線圈充電。在超導儲能混合磁體中，將寬帶與窄帶作為一組、窄帶與窄帶作為一組進行驗證失超檢測系統(tǒng)的驗證。寬帶與窄帶相比較時，根據(jù)寬帶和窄帶電感值的比例為1.2，將寬帶線圈在電壓隔離校正環(huán)節(jié)調整比例為1.2，窄帶與窄帶電感值相同。將超導線圈上的電壓和電流信號輸入到失超檢測系統(tǒng)。

圖9 實驗系統(tǒng)構成示意圖Fig.9 Schematic diagram of experiment system

4 實驗結果及分析

4.1 窄帶線圈比較時失超前后電壓電流信號波形

圖10 兩個窄帶線圈電壓Fig.10 Voltage of two narrow tape coils

圖11 兩個窄帶線圈失超電壓Fig.11 Voltage of quench of two narrow tape coils

圖12 兩個窄帶線圈輸出電壓Fig.12 Output voltage of two narrow tape coils

圖13 兩個窄帶線圈驅動電流Fig.13 Drive voltage of two narrow tape coils

4.2 寬帶線圈與窄帶線圈比較試驗波形圖

圖14 一個窄帶和一個寬帶超導線圈電壓Fig.14 Voltage of a narrow tape coil and a wide tape coil

圖15 一個窄帶和一個寬帶超導線圈校正后電壓Fig.15 Voltage of correction voltage of a narrow tape coil and a wide tape coil

圖16 一個窄帶和一個寬帶超導線圈輸出電壓Fig.16 Output voltage of a narrow tape coil and a wide tape coil

圖17 一個窄帶和一個寬帶超導線圈充電電流Fig.17 Current of superconductor coils of a narrow tape coil and a wide tape coil

圖18 di/(dt)不同時的輸出電壓Fig.18 Output voltage at different di/(dt)

4.3 實驗結果分析

其中v1、v2為兩個超導線圈產(chǎn)生的電壓，v3為采用有源功率檢測法產(chǎn)生的失超電壓 P1= K( v1- v2)i ，加入電流電壓轉換電路，將 P1值以電壓的形式輸出。V4為失超檢測裝置的輸出電壓。

根據(jù)有源功率檢測法，比較電路中的閾值可設定為超導線圈上失超電壓差的閾值與臨界電流的乘積，檢測電路得到的P1值為超導線圈電壓差與線圈電流的乘積，由于超導線圈電壓差較小，故有源功率檢測法中主要考慮電流的影響。由示波器可以看出，超導磁體充電的過程中受各種干擾及誤差的影響，檢測電路中存在幅值200mV以內(nèi)的干擾信號，那么閾值的設定還需考慮干擾信號的影響，根據(jù)實驗取得測量值480mV，當失超電壓大于480mV時，輸出信號由高電平跳變到低電平，說明產(chǎn)生失超。

圖10～圖 13為窄帶磁體失超前后電壓電流信號波形，v1、v2為兩個窄帶磁體產(chǎn)生的電壓，當充電電流未達到臨界電流時，從圖10中可以看出超導線圈 L1和 L2具有相等的電壓值，失超電壓低于閾值電壓且?guī)捉诹?，輸出電壓為高電平表示未失超；當充電電流達到臨界電流時，超導線圈開始失超，由于各個線圈的失超程度不同，因此 v1≠v2，失超電壓開始上升至500mV左右時，輸出電壓由高電平轉換為低電平，表示產(chǎn)生失超。

圖14～圖 17為寬帶磁體與窄帶磁體失超前后電壓電流信號波形，其中 v11、v22分別為經(jīng)電壓隔離校正電路后窄帶磁體和寬帶磁體的電壓，從圖中可以看出在充電電流未達到臨界電流時，超導線圈上的電壓經(jīng)校正后超導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，表明失超檢測電路能夠消除感應電壓的影響，正確的反映線圈未失超；當充電電流達到臨界電流時，超導線圈開始失超，失超電壓開始上升，輸出電壓由高電平轉換為低電平，表示產(chǎn)生失超。

由表可見，給線圈分別以 0.5A/s、2A/s、4A/s和 8A/s的速度充電，實驗中閥值電壓 Ur均設為480mV，此時對應的線圈電流在臨界電流附近，為11.8A左右，輸出電壓發(fā)生跳變，說明閥值電壓的設定比較合理，而且不受充電速度的影響。從圖14～圖18中失超電壓的波形可以看出，充電速度對失超的起始時間有影響，但是失超電壓的最大值基本保持不變，都在500mV左右。從圖18a～18d可以看出，充電速度為 di(dt)=0.5A/s，2A/s，4A/s和8A/s情況下，失超時間開始分別是 17.3s、11.3s、7.5s和 7.4s?？梢钥闯龀潆娝俣仍娇?，失超越早發(fā)生。

表 充電速度與失超電壓的關系Tab. Quench voltage dependence of charge speed

由于線圈的臨界電流大約為10A左右，閥值應該設在失超電流達到臨界電流的 120%左右比較可靠，也就是11.7A，此時對應的失超電壓為500mV。

從以上實驗得知，失超檢測系統(tǒng)能及時、有效地檢測超導線圈的失超的產(chǎn)生，不僅使用于電感值相等的超導線圈之間的比較，也適用于不同電感值的超導線圈之間的比較，實現(xiàn)失超檢測的功能。

5 結論

通過比較多種失超檢測方法的優(yōu)缺點，選取了有源功率檢測法作為本課題的研究方法，對現(xiàn)有有源功率檢測法的電壓差測量環(huán)節(jié)進行了校正，設計了一套用于超導儲能混合磁體的失超檢測系統(tǒng)。闡述了失超檢測系統(tǒng)的各個功能模塊工作原理；并用超導儲能混合磁體進行實驗，驗證失超檢測系統(tǒng)的可靠性。實驗結果表明，失超檢測系統(tǒng)不僅適用于超導線圈電感值相等的情況，也適用于線圈電感值不等的情況，保證了在任何情況下失超檢測系統(tǒng)都能準確、及時的檢測到失超信號。實驗中發(fā)現(xiàn)，以不同充電速度對磁體充電時，充電速度越快，失超電壓的變化速度越快，失超越提前，但是失超電壓的最大值基本保持不變，線圈的臨界電流也基本不變，說明充電速度不影響失超閥值電壓的設定及對磁體失超的判斷。

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