超导磁体失超检测电路的设计

方 进 丘 明 范 瑜 魏 斌 逯文佳 王艺新 杨艳芳

（1. 北京交通大学电气工程学院 北京 100044 2. 中国电力科学研究院 北京 100192）

1 引言

同时随着电力消费的增长，社会对电力品质的要求也越来越高。而超导储能系统对系统功率需求的快速响应特性为提高电力系统的稳定性提供新的技术途径，同时对改善电能质量、提高可靠性也有很好的技术优势。由于超导磁体只有在满足特定条件下才能体现超导特性，一旦条件被破坏，超导磁体将发生失超。超导磁体失超的基本过程是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。超导磁体失超后，若不及时采取措施，产生的局部过热可能会导致超导磁体被烧毁或引起绝缘击穿，影响超导储能系统的安全及稳定运行，因此必须快速而准确的检测到超导磁体的失超。国内外用到的失超检测方法有温升检测[1,2]、压力检测[3]、超声波检测[4]、磁场检测[5]和电压检测[6]，其中应用最为广泛的是电压检测[7,8]，其余各种检测方法在实际应用中并不多见。桥式电路检测是匝间电压检测的改进，它较之匝间电压检测要方便且易实现，不需要安装电压传感器。但是桥式电路同样存在噪声干扰的问题，而且，对于交流电路，外接电阻会消耗一部分能量。本文采用的有源功率检测法[9-11]可以很好的解决噪声干扰的问题。检测时功率信号里常伴有噪声，可附加低通滤波器（LPF）排除噪声干扰。

超导储能混合磁体由具有不同的电感值的超导线圈组成，我们研究的磁体连接方式为串联方式连接, 本课题的研究对象为由高温超导带材在纵轴方向上串联而成的混合超导磁体，根据混合磁体的特点设计了一套用于混合磁体的失超检测方法，在电压差测量环节进行了校正，设计与制作了失超检测的硬件电路，并用实验进行了验证。

2 失超检测系统

研究表明，超导磁体由超导态转变为正常态，即所谓失超。绕组出现常态区的原因主要是超导磁体运行参数超过临界值。只要超导磁体在运行过程中有一个基本参量超过临界值（临界磁场、临界电流和临界温度），超导材料的超导性质就会消失，绕组就会出现常态区。

根据对现有有源功率检测法的电压差测量环节进行校正的原理框图，设计一套用于混合磁体的失超信号检测系统，将两个超导线圈作为一组进行比较，来判断失超的产生。

如图1所示为超导储能系统的失超检测系统框图，对失超检测系统的各个部分进行功能研究和分析。

图1 失超信号检测系统框图Fig.1 Schematic drawing of quench detection system

2.1 电压隔离校正环节

由于超导储能混合磁体中相比较的线圈1的电感 L1和线圈 2的电感 L2不同，当通入相同电流时两个线圈的电压是不同的。当其中一个线圈失超时，相比较的两个线圈的电压是不同的。必须经过电压隔离校正电路消除由于两个线圈的电感的不同所带来电压不同。这样才能判断当两个线圈的电压不同是不是失超造成的。

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，使v2的值放大L1/L2倍，使得相比较的两个线圈在差分运算环节的输入值中含有相同的感应电压分量，从而消除电感量带来的差别；采取有源功率检测法，并对电压差测量环节进行了校正[12]，其原理框图如图2所示。

图2 校正的电压差测量环节框图Fig.2 Schematic drawing of correction partial active power detecting method

L1、L2为两个超导线圈的电感，r1和 r2为两个超导线圈失超后产生的电阻。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 +的值来检测失超。在L1=L2情况下，未失超时，r1和r2均为零，检测到P值也为零，故显示超导线圈未失超。对于L1≠L2的情况，在未失超时，虽然 r1和 r2均为零，但是由于 L1≠L2，故P = (v1- v2)i = [(L1- L2)di/ (dt)]i ≠ 0， 即 始 终 存 在 一个不为零的P值，由此可能会造成误判断，因此，需要在电压差测量环节进行校正。

由 于 误判 断是 由 于感 应 电 压 差 (L1-L2)di/ (dt )引起的，则需消除感应电压差。线圈1的感应电压为 L1di/ (dt)，线圈2的感应电压为 L2di/ (dt)，当超导线圈L2输出电压v2后，对v2进行L1/L2倍放大，即(L1/L2)v2，再经过电压差测量环节与v1进行比较，得v1- （L1 L 2）v2= 0，消除了感应电压产生的影响，继而根据有源功率检测法来判断失超的产生。采用此种方法，对于L1=L2情况，则放大系数(L1/L2)=1，同样适用。

2.1.1 线圈电压检测电路

超导线圈上的电压为差模信号，后续采用的线性光耦隔离电路的输入信号是以电源地为参考电压的单边信号，故需将超导线圈上的差模信号调整为与检测电路具有一致的参考电压。选用低功耗、高精度的通用仪表放大器INA128。单个外部电阻R3可实现从1～10 000的任一增益选择。R1和R2为限流电阻，R3为增益电阻，其输出为(1+50kΩ/R3)(v1-v2)。调整比例，可实现线性输出。图3为INA128运用电路。

2.1.2 电压隔离放大电路

需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，它具有很高的线性度和灵敏度，可在检测系统中精确地传送电压信号。

对于图4所示电路，其输入 Uin= Ipd1R1，输出端Uout= Ipd2R2，故有 Uout/Uin=K2R2/K1R1= R2/R1。

由此可见，其输入与输出呈一种线性关系，且其隔离放大器的增益可通过调整 R2与 R1的比值来实现

[13]。将单边信号接入电压隔离放大电路，通过图3.6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。

2.2 差分运算电路

差分运算为电压差测量环节，实现线圈电压差功能。通过上文所述电压隔离校正电路，将线圈上的感应电压分量调整为一致，在电压差测量环节，取得由线圈失超电阻产生的电阻电压差。同时，在电压差测量环节之后加入绝对值电路，由于线圈的失超程度不同，那么输出的电压有正有负，绝对值处理电路可以使得输出信号均为正电压信号，这样方便后续电路处理。如图5所示，差分运算电路采用INA128仪表放大器。

图3 线圈电压检测电路Fig.3 Voltage detection circuit

图4 电压隔离放大电路Fig.4 Voltage isolation and amplify circuit

2.3 绝对值运算电路

如图5所示，两个运算放大器组成绝对值电路。由于相比较的两个线圈的失超情况不能确定，电压差测量环节的输出可能为正值也有可能为负值，绝对值运算对线圈电压差取绝对值，使输出信号均为正电压信号，方便后续电路处理。

2.4 模拟乘法运算电路

模拟乘法电路实现有源功率检测法中线圈电压差和电流的相乘运算，输出值与阈值相比较。模拟乘 法 器 实 现 有 源 功 率 P1= K[ V1- (L1/L2)V2]i 值 的 检测。RC4200模拟乘法器的原理是输出电流为两个输入电流的乘积，如图6所示， I3= I1I2/I4，加入电流电压转换电路，将P1值以电压的形式输出。

2.5 滤波电路

图5 差分运算电路Fig.5 Voltage difference measurement circuit

图6 模拟乘法电路Fig.6 Analog multiplier circuit

图7 滤波电路Fig.7 Filter circuit

附加低通滤波器，消除高频干扰。滤波器采用两级二阶巴特沃斯低通滤波器相级联，如图7所示，巴特沃斯低通滤波器幅频响应在低频时它的幅值非常接近理想情况，在截止频率附近具有较陡的幅频特性，并且对大于 10Hz的高频信号具有很好的衰减作用，而对低频信号影响不大，由于信号经过前级放大已具有较大幅度，故选择低通滤波器增益k=1。选择滤波器的截止频率为7.5Hz，取C1=1μF，C2=2μF，可以求出 R1=R2=15kΩ。另外为了防止信号自激，在电阻R3两端并上56pF的云母电容。

2.6 比较电路

根据失超三阶段理论，失超开始时产生的电阻极小，为毫欧数量级，因此失超电压也极小，但随正常区的扩展，电阻值也要随之增大。经检测电路得到 P1= K[ v1- (L1/L2)v2]i ，K的大小由电路中的具体参数所确定，检测电路通过P1值与阈值的比较来判断是否失超。

下面就相比较的两个线圈的不同情况进行分析。

（1）相比较的两个线圈都未失超

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

（2）单个线圈失超

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

（3）两个线圈都失超

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

从上述三种情况可以看出，P1值已不包含感应电压差分量，则可通过有源功率检测法测得 P1值与阈值Pm比较，来判断是否失超。其中，比较电路中阈值的设定以超导磁体临界电流与超导线圈失超时的电阻电压差的乘积为参考。但是检测电路中存在几百毫伏的干扰信号，故在实际检测电路中阈值的设定还应考虑干扰信号的影响。因此可以看出，功率阈值Pm由超导磁体临界电流Ic、超导线圈失超时的电阻电压差UΔ及外部干扰信号电压Ur这 3个因素决定。Pm由 Pm= Ic(Δ U + Ur)计算而得。

比较器LM393适用于微弱信号检测的场合，能保证输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态。如图8所示为比较电路图。

图8 比较电路Fig.8 Comparison circuit

设Uref为参考电压，则

式中 UOL——输出的低电平；

UOH——输出的高电平。

则UT1为阈值下限，UT2为阈值上限，根据滞环比较器的电压传输特性，输入Uin从小于UT1的值逐渐增大到 UT1＜Uin＜UT2时，输出 UOH；如果 Uin是从大于 UT2的值逐渐减小到 UT1＜Uin＜UT2，那么Uout应为UOL。ΔU=UT2-UT1，根据超导线圈的实际情况，阈值的范围存在根据实际情况，设定一参考电压，当超导线圈未失超时，低通滤波器的输出信号小于参考电压，比较器的输出为高电平，当超导线圈失超时，低通滤波器的输出大于参考电压，比较器的输出为低电平，这样根据比较器的输出就能够判断出超导线圈是否发生失超。

3 失超检测系统装置

由YBCO带材绕制的超导储能磁体，由十个超导线圈串联而成，含有宽带和窄带，由于宽带和窄带的结构不同，两者具有不同的电感量，窄带的电感量略大于宽带，临界电流为 41.6A；一套失超检测系统装置中，制冷机为单级G-M制冷机（600W，77K）；超导电源为稳定直流电源；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；冷水机为系统提供冷却水源，保证设备的长期工作；将超导线圈放置在装有液氮的杜瓦瓶内，使液氮温度降低至65K并保持此低温，进行失超检测实验。

根据实验目的，设计如图9所示的实验电路，充电电源以某一速度为超导线圈充电。在超导储能混合磁体中，将宽带与窄带作为一组、窄带与窄带作为一组进行验证失超检测系统的验证。宽带与窄带相比较时，根据宽带和窄带电感值的比例为1.2，将宽带线圈在电压隔离校正环节调整比例为1.2，窄带与窄带电感值相同。将超导线圈上的电压和电流信号输入到失超检测系统。

图9 实验系统构成示意图Fig.9 Schematic diagram of experiment system

4 实验结果及分析

4.1 窄带线圈比较时失超前后电压电流信号波形

图10 两个窄带线圈电压Fig.10 Voltage of two narrow tape coils

图11 两个窄带线圈失超电压Fig.11 Voltage of quench of two narrow tape coils

图12 两个窄带线圈输出电压Fig.12 Output voltage of two narrow tape coils

图13 两个窄带线圈驱动电流Fig.13 Drive voltage of two narrow tape coils

4.2 宽带线圈与窄带线圈比较试验波形图

图14 一个窄带和一个宽带超导线圈电压Fig.14 Voltage of a narrow tape coil and a wide tape coil

图15 一个窄带和一个宽带超导线圈校正后电压Fig.15 Voltage of correction voltage of a narrow tape coil and a wide tape coil

图16 一个窄带和一个宽带超导线圈输出电压Fig.16 Output voltage of a narrow tape coil and a wide tape coil

图17 一个窄带和一个宽带超导线圈充电电流Fig.17 Current of superconductor coils of a narrow tape coil and a wide tape coil

图18 di/(dt)不同时的输出电压Fig.18 Output voltage at different di/(dt)

4.3 实验结果分析

其中v1、v2为两个超导线圈产生的电压，v3为采用有源功率检测法产生的失超电压 P1= K( v1- v2)i ，加入电流电压转换电路，将 P1值以电压的形式输出。V4为失超检测装置的输出电压。

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，由于超导线圈电压差较小，故有源功率检测法中主要考虑电流的影响。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200mV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，根据实验取得测量值480mV，当失超电压大于480mV时，输出信号由高电平跳变到低电平，说明产生失超。

图10～图 13为窄带磁体失超前后电压电流信号波形，v1、v2为两个窄带磁体产生的电压，当充电电流未达到临界电流时，从图10中可以看出超导线圈 L1和 L2具有相等的电压值，失超电压低于阈值电压且几近于零，输出电压为高电平表示未失超；当充电电流达到临界电流时，超导线圈开始失超，由于各个线圈的失超程度不同，因此 v1≠v2，失超电压开始上升至500mV左右时，输出电压由高电平转换为低电平，表示产生失超。

图14～图 17为宽带磁体与窄带磁体失超前后电压电流信号波形，其中 v11、v22分别为经电压隔离校正电路后窄带磁体和宽带磁体的电压，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，正确的反映线圈未失超；当充电电流达到临界电流时，超导线圈开始失超，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。

由表可见，给线圈分别以 0.5A/s、2A/s、4A/s和 8A/s的速度充电，实验中阀值电压 Ur均设为480mV，此时对应的线圈电流在临界电流附近，为11.8A左右，输出电压发生跳变，说明阀值电压的设定比较合理，而且不受充电速度的影响。从图14～图18中失超电压的波形可以看出，充电速度对失超的起始时间有影响，但是失超电压的最大值基本保持不变，都在500mV左右。从图18a～18d可以看出，充电速度为 di(dt)=0.5A/s，2A/s，4A/s和8A/s情况下，失超时间开始分别是 17.3s、11.3s、7.5s和 7.4s。可以看出充电速度越快，失超越早发生。

表 充电速度与失超电压的关系Tab. Quench voltage dependence of charge speed

由于线圈的临界电流大约为10A左右，阀值应该设在失超电流达到临界电流的 120%左右比较可靠，也就是11.7A，此时对应的失超电压为500mV。

从以上实验得知，失超检测系统能及时、有效地检测超导线圈的失超的产生，不仅使用于电感值相等的超导线圈之间的比较，也适用于不同电感值的超导线圈之间的比较，实现失超检测的功能。

5 结论

通过比较多种失超检测方法的优缺点，选取了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，设计了一套用于超导储能混合磁体的失超检测系统。阐述了失超检测系统的各个功能模块工作原理；并用超导储能混合磁体进行实验，验证失超检测系统的可靠性。实验结果表明，失超检测系统不仅适用于超导线圈电感值相等的情况，也适用于线圈电感值不等的情况，保证了在任何情况下失超检测系统都能准确、及时的检测到失超信号。实验中发现，以不同充电速度对磁体充电时，充电速度越快，失超电压的变化速度越快，失超越提前，但是失超电压的最大值基本保持不变，线圈的临界电流也基本不变，说明充电速度不影响失超阀值电压的设定及对磁体失超的判断。

[1]Jin Hong Joo, Hayato Sano, Seok Beom Kim, et al.Development of quench detection method based on normal transition behaviors for HTS coils[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2009,19(3)∶ 2415-2418.

[2]Joo J H, Sano H, Kadota T, et al. Study on quench protection method with regards to normal transition behavior for HTS coil[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010, 20(3)∶ 2027-2030.

[3]Frederic Trillaud, Ing Chea Ang, Woo Seok Kim, et al.Protection and quench detection of YBCO coils results with small test coil assemblies[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007,17(2)∶ 2450-2453.

[4]Ninomiya A, Sakaniwa K, Kado Hetal. Quench detection of superconducting magnets using ultrasonic wave[J]. IEEE Transactions on Magnet, 1989, 25(2)∶1520-1523.

[5]Habu K, Kaminohara S, Kimoto T, et al. The contactless detection of local normal transitions in superconducting coils by using Poynting’s vector method[J]. Physica C, 2010, 470(20)∶ 1860-1864.

[6]Loyd R J, Bule A M, Chang C L. Coil protection for the 20. 4 MWh SMES/ETM[J]. IEEE Transactions on Magnet, 1991, 27(2)∶ 1716-1719.

[7]Mohamed A Hilal, George VCscey, John M Pfotenhauer, et al. Quench detection of multiple magnet system[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1994, 4(3)∶ 109-114.

[8]Chen Shunzhong, Wang Qiuliang, Dai Yinming, et al.Development of a digital quench detection and dumping circuit with constant voltage system for SMES[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010, 20(3)∶ 2070-2073.

[9]Nanato N, Yanagishita M, Nakamura K. Quench detection of Bi-2223 HTS coil by partial active power detecting method[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2001, 11(1)∶ 2391-2393

[10]Inoue T, Nanato N, Sasaki K, et al. Quench protection system for two-layer superconducting coils by an active power method[J]. Physica C, 2010, 470(20)∶1870-1873.

[11]Wei Bin, Yang Yanfang, Qiu Ming, et al. The quench detection system for YBCO superconducting magnets[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2010, 20(3)∶ 1369-1372.

[12]Mohamed A Hilal, George Vcscey, John M Pfotenhauer, et al. Quench detection of multiple magnet system[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1994, 4(3)∶ 109-114.

[13]张涛, 马游春, 张文栋. 线性光耦HCNR201在正负电压测量上的应用[J]. 电子设计, 2007, 23(5)∶297-298.Zhang Tao, Ma Chunyu, Zhang Wendong. The application of linear optocoupler HCNR201 in positive and negative voltage measurement[J]. Electronic Design, 2007, 23(5)∶ 297-298.