一种用于超导变压器绕组的失超检测电路及方法与流程

本发明涉及超导电工技术领域，尤其是涉及一种用于超导变压器绕组的失超检测电路。

背景技术：

超导变压器绕组只有在满足特定条件时才能体现超导特性，一旦条件被破坏，超导变压器绕组将会失超。超导变压器绕组失超伴随发生一系列问题，如发热、过电压和低温容器过压等问题。具体如下：

(1)超导变压器绕组失超的基本过程是电磁能转换为热能，如果该热能均匀分布在整个超导变压器绕组上，则一般不会出现什么异常问题。实际上超导变压器绕组失超后电磁能的传播是不均匀的，失超总是从某一点开始，然后向外扩散。开始失超的那一点要经受最高温升，因为它受到焦耳热作用的时间最长。如果超导变压器绕组储存的能量足够大，释放出来的能量将有可能将该部位的超导线或绝缘烧毁。

(2)当超导变压器绕组发生失超时，在绕组内部将突然出现电阻值，于是超导变压器绕组正常区两端将会出现很高的电压，电压值可能达到几百伏甚至几千伏，这可能导致绕组间的绝缘击穿，引起绕组某些匝短路，使变压器绕组遭到损坏。

(3)在超导变压器绕组转变为正常状态的过程中，产生的焦耳热会导致低温容器内的液氮挥发，使低温容器压力升高，对低温容器壁的强度提出了严峻的挑战，如不及时将挥发的氮气排走，可能造成严重的后果。

目前，国内外主要采用的超导变压器的失超检测方法可以大致通过温升、压力、超声波、流速、电压、桥式电路和有源功率等方式来检测。由于温升法、流量法、超声波检测法所涉及的温度、流速、压力或者超声波变化都与失超后超导磁体上产生的热量有关，存在时间上的延迟，最为直接、快速、准确的检测方法仍然是电测法，包括超导变压器匝间电压检测法、桥路法和有源功率检测法。桥式电路检测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。现有技术中用于失超检测的有源功率检测法以往主要是针对超导线圈在直流下的工作状态，例如超导储能磁体，供电电源是由变流器提供的；对于工作在交流状态下的超导变压器绕组、超导电抗器以及超导限流器等，缺乏较为系统的失超检测设计。有源功率检测法可以很好地解决上述问题，它对交流和直流电路同样适用，且不受噪声的影响。

现有技术中有源功率检测法原理如附图1所示。附图1中，从超导变压器单相绕组中间引出中间抽头，将绕组分为相同的两个绕组l1和l2，电感量为l1＝l2，r1和r2分别为超导变压器发生失超后绕组l1和绕组l2产生的电阻，一般情况下r1和r2不相等。

图1中，交流电压源ui与电阻r1、超导变压器绕组l1、超导变压器绕组l2和r2依次串联连接，所述电阻r1和超导变压器绕组l1串联电路两端的电压为v1,所述电阻r2和超导变压器绕组l2串联电路两端的电压为v2。当超导变压器绕组未发生失超时，超导变压器绕组的输出功率p按照公式p＝(v1-v2)i进行计算，此时r1和r2均为零，v1和v2也为零，故p值为零；当超导变压器绕组发生失超后，超导变压器绕组的输出功率p按照公式p＝(r1-r2)i²进行计算，此时r1和r2不为零，v1和v2也不为零，故p值不为零，因此超导变压器绕组的失超均可通过p值检测到，除r1＝r2外，一般情况下r1和r2不相等。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种用于超导变压器绕组的失超检测电路，该电路基于有源功率检测法，电路通过交流电流互感器、交流电压互感器对超导变压器的单相绕组的电流及电压进行实时检测，然后通过衰减电路、滤波电路、电压抬升电路将检测到的电压值进行调整并转换成dsp数字信号处理可接受的数字信号，然后通过dsp数字信息处理对电流及电压信号进行处理及运算，并根据运算结果进行超导变压器绕组的失超判断，当检测到变压器失超时，dsp数字信息处理发出驱动信号对超导变压器进行保护，从而有效的避免了超导变压器绕组受到失超时的损害。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于超导变压器绕组的失超检测电路，包括交流电压源、超导变压器单相绕组l1、超导变压器单相绕组l2、交流电流互感器ct、第一交流电压互感器pt1、第二交流电压互感器pt2、差分运算电路和dsp数字信号处理单元；

所述交流电压源与交流电流互感器ct、超导变压器单相绕组l1、超导变压器单相绕组l2依次串联连接形成闭环电路；

所述交流电流互感器ct的输出端与dsp数字信号处理的输入端相连接；

所述超导变压器单相绕组l1的两端与第一交流电压互感器pt1并联连接，所述第一交流电压互感器pt1的输出端与差分运算电路的第一输入端相连接；

所述超导变压器单相绕组l2的两端与第二交流电压互感器pt2并联连接，所述第二交流电压互感器pt2的输出端与差分运算电路的第二输入端相连接；

所述差分运算电路的输出端与dsp数字信号处理的输入端相连接；

所述dsp数字信号处理的输出端输出驱动信号。

本发明进一步的改进在于：还包括：第一电流衰减电路、第一滤波电路和第一电压抬升电路；

所述交流电流互感器ct的输出端依次与第一衰减电路、第一滤波电路、第一电压抬升电路串联连接，所述第一电压抬升电路的输出端与dsp数字信号处理的输入端相连接。

本发明进一步的改进在于：还包括：第二电压衰减电路、第三电压衰减电路；

所述第一交流电压互感器pt1的输出端与第二衰减电路串联连接，所述第二衰减电路的输出端与差分运算电路的第一输入端相连接；

所述第二交流电压互感器pt2的输出端与第三衰减电路串联连接，所述第三衰减电路的输出端与差分运算电路的第二输入端相连接。

本发明进一步的改进在于：还包括：第二滤波电路、第二电压抬升电路；

所述差分运算电路的输出端依次与第二滤波电路、第二电压抬升电路串联连接，所述第二电压抬升电路的输出端与dsp数字信号处理的输入端相连接。

一种用于超导变压器绕组的失超检测方法，包括以下步骤：

所述超导变压器单相绕组l1和超导变压器单相绕组l2上的电压通过第一交流电压互感器pt1和第二交流电压互感器pt2来检测，交流电压互感器用于电压变换和隔离；超导变压器绕组上的电流通过交流电流互感器ct来检测，交流电流互感器用于电流变换和隔离；

从交流电流互感器ct、第一交流电压互感器pt1和第二交流电压互感器pt2输出的电流和电压分别衰减到幅值为正负1.5v的交流电流值和交流电压值；

从第一交流电压互感器pt1和第二交流电压互感器pt2中输出的两路电压信号经过差分运算电路进行运算，得到超导变压器绕组l1和l2的电压差；然后再将衰减的电流信号和从差分运算电路出来的电压信号经过滤波，将干扰信号滤除掉，再将滤波后的信号经过电平抬升将交流信号转换成dsp数字信号处理能接受的直流信号；

然后将电平抬升转换出的直流信号送入dsp数字信号处理，由dsp数字信号处理内部进行信息处理及运算，最终计算出功率值p，并根据功率p值对超导变压器绕组的失超进行判断，当判定超导变压器绕组发生失超时，dsp数字信号处理向保护电路发出驱动信号用于启动保护电路进行保护。

本发明进一步的改进在于：从交流电流互感器ct、第一交流电压互感器pt1和第二交流电压互感器pt2输出的电流和电压分别经过第一衰减电路、第二衰减电路、第三衰减电路，将检测到的交流电流值和交流电压值衰减到幅值为正负1.5v的交流电流值和交流电压值；

从第一衰减电路处理的电流信号经过第一滤波电路和第一电平抬升电路将交流信号转换成dsp数字信号处理能接受的直流信号；

从差分运算电路出来的电压信号经过第二滤波电路进行滤波，将干扰信号滤除掉，再将滤波后的信号经过第二电平抬升电路将交流信号转换成dsp数字信号处理能接受的直流信号。

本发明进一步的改进在于：所述dsp数字信号处理单元的内部流程为：

所述从第一电压抬升电路转换出的电流i和第二电压抬升电路转换出的电压信号u进入dsp数字信号处理后，首先dsp数字信号进行ad采样，为了避免干扰信号的存在造成误判断，ad采样后的信号再经过数字滤波滤将干扰信号滤除，数字滤波处理后的电压和电流信号经过数据转换电路得到相应的有效值，然后根据p＝ui公式进行功率值p的计算，最后根据计算得到的功率值p进行判断，当p值超过系统设定的阈值p0时，则判定该超导变压器失超，dsp数字信号向保护电路发出驱动信号，用于驱动保护电路对系统进行保护，当p值小于或等于系统设定的阈值p0时，则判定该超导变压器未失超，dsp数字信号返回ad采样继续进行循环。

和现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明专利中采用的衰减电路、差分运算电路、滤波电路和电平抬升电路，可以精确地将交流互感器、电压互感器上得到的电流、电压信号进行处理及转换，得到dsp能接受的信号。

2、本发明专利中的dsp数字信号处理中对前级输入的电压电流信号进一步进行数字滤波、数字转换和有源功率计算，提高了电路的检测精度。

3、本发明专利中采用dsp数字信号处理对检测信号进行处理、功率计算及失超判定，使得信号处理更为灵活方便。

附图说明

图1现有技术中有源功率检测原理图

图2超导变压器失超检测电路框图

图3dsp数字信号处理失超判断流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1现有技术中有源功率检测原理图。如图1所示，有源功率检测是对超导变压器的单相绕组作为检测对象，一般采用线圈中间抽头的方法，将超导变压器绕组分为完全相等的两部分l1和l2，即电感量为l1＝l2，当超导变压器绕组发生超导时，超导变压器绕组l1和超导变压器绕组l2会产生电阻r1和r2。有源功率检测电路为：交流电压源ui与电阻r1、超导变压器绕组l1、超导变压器绕组l2和r2依次串联连接，所述电阻r1和超导变压器绕组l1串联电路两端的电压为v1,所述电阻r2和超导变压器绕组l2串联电路两端的电压为v2。

图2为超导变压器绕组失超检测电路框图。如图2所示，包括交流电压源、超导变压器单相绕组l1、超导变压器单相绕组l2、交流电流互感器、第一交流电压互感器、第二交流电压互感器、第一电流衰减电路、第二电压衰减电路、第三电压衰减电路、差分运算电路、第一滤波电路、第二滤波电路、第一电平抬升电路、第二电平抬升电路、dsp数字信号处理单元和驱动信号；

所述交流电压源与交流电流互感器ct、超导变压器单相绕组l1、超导变压器单相绕组l2依次串联连接形成闭环电路；所述交流电流互感器ct的输出端依次与第一衰减电路、第一滤波电路、第一电压抬升电路串联连接，所述第一电压抬升电路的输出端与dsp数字信号处理的输入端相连接；所述超导变压器单相绕组l1的两端与第一交流电压互感器pt1并联连接，所述第一交流电压互感器pt1的输出端与第二衰减电路串联连接，所述第二衰减电路的输出端与差分运算电路的第一输入端相连接；所述超导变压器单相绕组l2的两端与第二交流电压互感器pt2并联连接，所述第二交流电压互感器pt2的输出端与第三衰减电路串联连接，所述第三衰减电路的输出端与差分运算电路的第二输入端相连接；所述差分运算电路的输出端依次与第二滤波电路、第二电压抬升电路串联连接，所述第二电压抬升电路的输出端与dsp数字信号处理的输入端相连接；所述dsp数字信号处理的输出端与驱动信号相连接。

电路工作原理：超导变压器单相绕组l1和超导变压器单相绕组l2上的电压通过第一交流电压互感器pt1和第二交流电压互感器pt2来检测，交流电压互感器用于电压变换和隔离。超导变压器绕组上的电流通过交流电流互感器ct来检测，交流电流互感器用于电流变换和隔离。从交流电流互感器ct、第一交流电压互感器pt1和第二交流电压互感器pt2输出的电流和电压分别经过第一衰减电路、第二衰减电路、第三衰减电路，将检测到的交流电流值和交流电压值衰减到幅值为正负1.5v的交流电流值和交流电压值，以便于后级的dsp数字信号处理。从第一交流电压互感器pt1和第二交流电压互感器pt2中输出的两路电压信号经过差分运算电路进行运算，就可以得到超导变压器绕组l1和l2的电压差。然后再将从第一衰减电路处理的电流信号和从差分运算电路出来的电压信号经过滤波电路进行滤波，将干扰信号滤除掉，再将滤波后的信号经过电平抬升电路将交流信号转换成dsp数字信号处理能接受的直流信号。然后将电平抬升电路转换出的直流信号送入dsp数字信号处理，由dsp数字信号处理内部进行信息处理及运算，最终计算出功率值p,并根据功率p值对超导变压器绕组的失超进行判断，当判定超导变压器绕组发生失超时，dsp数字信号处理将会向保护电路发出驱动信号用于启动保护电路进行保护。

图3为dsp数字信号处理失超判断流程图。如图所示，所述从第一电压抬升电路转换出的电流i和第二电压抬升电路转换出的电压信号u进入dsp数字信号处理后，首先dsp数字信号进行ad采样，为了避免干扰信号的存在造成误判断，ad采样后的信号再经过数字滤波滤将干扰信号滤除，数字滤波处理后的电压和电流信号经过数据转换电路得到相应的有效值，然后根据p＝ui公式进行功率值p的计算，最后根据计算得到的功率值p进行判断，当p值超过系统设定的阈值p0时，则判定该超导变压器失超，dsp数字信号将会向保护电路发出驱动信号，用于驱动保护电路对系统进行保护，当p值小于或等于系统设定的阈值p0时，则判定该超导变压器未失超，dsp数字信号将会返回ad采样继续进行循环。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。