引言
　　
　　超導儲能系統具有大功率、高靈敏度、小體積，低損耗等諸多優勢，在工業和科研領域得到廣泛的應用。尤其是在輸電電網中，能夠解決用電高峰和低谷期電網輸電的供求矛盾，提高電網的電能容量，增強系統的穩定性。因此，超導儲能因為其得天獨厚的優點，成為未來潛力的儲能裝置。超導儲能系統在運行時，內部線圈會因為瞬間高壓、局部高熱以及過載應力等電磁和機械擾動，使系統處在失超狀態，易受損且可靠性下降。故研究失超保護系統有助于延長超導儲能裝置的穩定性和壽命，是推廣超導儲能系統應用的重要一環。而設計研發高靈敏度的失超檢測裝置，預先監測超導系統運行指標，更是失超保護系統的焦點所在。
　　
　　本文在超導儲能混合磁體的失超檢測系統中，為該系統設計一套光耦隔離與校正電路，用于檢測串聯超導磁體線圈的失超電壓，同時將該電壓與干擾信號隔離，并相應地放大或縮小單線圈電壓，消除作為干擾因素的串聯線圈感生電壓分量。該電路有效提高失超保護系統的可靠性，滿足超導儲能系統失超保護的要求。
　　
　　1、失超檢測裝置的設計原理與分析
　　
　　失超檢測流程如圖1所示。　　
　　以下著重闡述電壓隔離矯正部分的機理：
　　
　　在電壓隔離校正環節中，超導線圈L1和L2上的電壓v1和v2經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，消除電感量帶來的差別。超導線圈在縱軸方向上串聯連接，故不考慮互感的影響。根據實際超導儲能混合磁體的特點，采取有源功率檢測法，并對電壓差測量環節進行了校正，如圖2所示。
　　
　　r1和r2，L1和L2分別為超導線圈的電感和失超電阻。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+（r1-r2）i2的值來檢測失超。由于誤判斷是由于感應電壓差（L1-L2）di／dt引起的，對v2進行L1／L2倍放大，得到（L1／L2）v2，再經過電壓差測量環節與v1進行比較，得v1-（L1／L2）v2=0，消除了感應電壓產生的影響。
　　
　　隨后由差分運算電路、值運算電路、電流傳感器電路、模擬乘法運算電路、濾波電路電路、低通濾波器、比較電路對信號進行處理，比較電路得出的信號送入數字信號處理器DSP中，判別超導線圈狀態，并進一步找出失超線圈的具體位置。
　　
　　進一步分析可得：　　
　　從上述3種情況看出，P1值已不包含感應電壓差分量，此時可通過有源功率檢測法測得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計與實現
　　
　　根據上述失超檢測系統的原理框圖，進行硬件電路設計。本文研究的電壓隔離校正電路有2部分功能，一是檢測超導磁體單個線圈的電壓；二是對電壓進行隔離并按比例放大。
　　
　　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。線性光耦HCNR201可以較好地實現電路隔離。該耦合器是一種由3個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光敏二極管中流過的電流。該電流的大小與If有關。　　
　　如果LED的輸出光強發生改變，那么，光耦的前端運放N1就會調節If以進行補償，并且在PD1，PD2上保持一個穩定的電流。將第3，4輸出端與第1，2輸入端一起接入前端運放N1回路，其中第3，4端的光敏二極管起反饋作用，它可將產生的輸出電流再反饋到第1，2端的LED上，以對輸入信號進行反饋控制。Ipd1，Ipd2的大小與If的關系如下：Ipd1=K1If，Ipd2=K2If，K1和K2分別為Ipd1和Ipd2隨If的變化參數。對于圖3所示電路，其輸入Uin=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調整R2與R1的比值來實現。
　　
　　根據HCNR201的運行特性選定前置運放的類型和阻值。本設計電路采用雙電源供電的LM358集成運算放大器，其輸出電流可達40mA。R2可以根據所需要的放大倍數確定，另外由于光耦會產生一些高頻的噪聲，通常在R2處并聯電容，構成低通濾波器。　　
　　將單邊信號接入電壓隔離放大電路，通過圖4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的放大。
　　
　　3、失超檢測系統校正電路實驗
　　
　　實驗采用不同電感值的超導線圈YBCO與Bi2223。
　　
　　3．1實驗裝置
　　
　　其主要實驗裝置及作用如下：由YBCO帶材繞制的超導儲能磁體，由10個超導線圈串聯而成，分為寬帶和窄帶，兩者具有不同的電感量；制冷機為單級G-M制冷機（600W，77kHz）；超導電源為超導磁體提供高精度穩定直流電源；真空機組為杜瓦提供減壓降溫環境，與散熱器配合工作；空壓機為真空機組提供高壓空氣；冷水機為真空機組、超導電源和制冷機提供冷卻水源，保障設備的長期工作；液氮罐為儲存液氮容器。將超導線圈放置在裝有液氮的杜瓦瓶內，通過制冷機、冷水機以及真空機組的共同作用，使液氮溫度降低至65K并保持此低溫，進行失超保檢測實驗。
　　
　　3．2實驗連接
　　
　　根據實驗目的，設計如圖5所示的實驗電路，充電電源以某一速度為超導線圈充電，測試系統通過虛擬儀器軟件LabVIEW進行編程控制充電電流的速度并可以檢測超導磁體上電壓以及溫度的變化。將超導線圈上的電壓和電流信號輸入到失超檢測系統，通過示波器觀察實驗過程中的波形。
　　
　　3．3寬帶線圈與窄帶線圈比較試驗波形圖
　　
　　寬帶線圈與窄帶線圈比較試驗波形如圖6～圖10所示。　　
　　3．4實驗結果分析
　　
　　圖6～圖10為寬帶與窄帶比較時失超前后電壓電流信號波形，其中v3，v4為經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到臨界電流時，超導線圈上的電壓v1≠v2，經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幾近于零，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，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，v3≠v4，失超電壓開始上升，輸出電壓由高電平轉換為低電平，表示產生失超。
　　
　　根據有源功率檢測法，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，根據實驗取得經驗值2．2V，當失超電壓大于2．2V時，輸出信號由高電平跳變到低電平，說明產生失超。
　　
　　從實驗得知，失超檢測系統不僅使用于電感值不等的超導線圈之間的比較，也適用于相同電感值的超導線圈之間的比較，實現失超檢測的功能。
　　
　 　4、結語
　　
　　本文選取有源功率檢測法作為本課題的研究方法，對現有有源功率檢測法的電壓差測量環節進行了校正，設計了用于超導儲能混合磁體的電壓隔離校正系統。詳細闡述了該系統的工作原理；并用超導線圈進行實驗，驗證隔離校正的可靠性。結果表明，該系統不僅適用于超導線圈電感值不等的情況，在線圈電感值相等的情況下，也能準確、及時的檢測到失超信號，保證失超保護裝置及時準確的動作，進而維護超導儲能混合磁體的安全穩定運行。