CN101414181A - 超导磁铁失超保护综合控制接口单元 - Google Patents

超导磁铁失超保护综合控制接口单元 Download PDF

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Abstract

本发明是一种超导磁铁失超保护综合控制接口单元，属于超导电工技术和电子技术领域，涉及一种电子线路，包括：接口电路12、逻辑门电路阵列8、PLC系统10、与门电路阵列16、监控计算机4、对地泄漏电流信号地电流检测单元6、用于给整个系统供电的UPS供电系统2。本发明更适合要求对多个超导线圈同时进行保护的场合，可控制指挥多个失超保护器、多台电源协调工作，实现对多个超导线圈的可靠保护。对故障信号根据其紧急情况进行分级保护、失超保护响应时间短，同步误差小、通讯可靠、数据可实时监控和存储、使用方便。

Description

超导磁铁失超保护综合控制接口单元
技术领域
本发明属于超导电工技术和电子技术领域，涉及一种电子线路，可用来保护超导磁铁免受失超可能导致的毁坏，具体说是一种超导磁铁失超保护综合控制接口单元。
背景技术
随着超导技术和超导材料的蓬勃发展，超导磁铁有着广阔的应用前景。由于超导磁铁体积小、电流密度高、能耗低、场强高等优点，近年来在基础科学研究、医疗卫生、交通运输、国防工业等重要领域被越来越多的采用。失超(Quench)，失超是指超导体从超导态进入常导态，超导线从没有电阻变为有电阻，电流经过该区域时就会产生热量，当用于超导磁铁的超导体回复到电阻状态时，就称之为失超(Quench)。这可能是由于温度、外界磁场的强度或承载电流的密度等某个参数超出其临界值而引起的。超导体的一小部分不再是超导的，而是进入电阻状态，任何流经该电阻部分的电流都会导致局部焦耳发热。这将导致该超导体的邻近部分失超，结果形成更大的电阻态体积，这又导致进一步地焦耳发热。很快地，超导体进入电阻状态，这时如果还有较大的电流仍在流经该超导体，那是非常危险的，会在一瞬间毁坏超导体。
实际应用中，在失超之前，超导磁铁一般会带有可能为兆焦耳数量级的储存能量。在失超之后，储能将在导体的电阻态体积中被消耗掉。如果不适当地控制失超过程，就会在有限的区域内消耗该储能，从而导致局部温度上升，该局部温度上升会损坏失超开始的部分或附近的线圈区域。已知可以通过扩展失超过程或转移储能来避免有害的热量集中，这就需要恰当地控制失超过程，也称为对超导磁铁进行失超保护。
超导磁铁失超保护的作用主要是在磁铁发生失超时，将线圈的热点温度控制在安全范围内。控制热点温度的实质就是控制储能在热点的沉积，失超保护处理储能的方式有两种：一种是将储能转移到磁铁外面的泄能电阻上；一种是通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，以便在尽可能多的可用超导体上均匀的耗散所产生的热量，这将导致基本上涉及整个超导体的失超，意味着任一部分都不应达到危险的温度。该方式一般是为每个超导线圈配备发热器，该发热器与线圈有紧密的热接触，通过向发热器施加电流来实现故意的失超。
失超保护有被动保护和主动保护两类。被动保护在失超发生时会自动启动，一般是通过与超导磁铁耦合的线圈，将磁铁线圈的能量转移到磁铁外面的泄能电阻上，或者通过与线圈并联的电阻，将线圈分为多个单元，使失超时能量的分布比较均匀，从而达到保护的目的。主动保护则复杂的多，需要准确的探测到失超的发生，再通过保护电路实施预定的保护动作。因为被动保护系统转移的能量有限，所以多适应于铜超比较大的、无源的超导线圈，对于加速器上使用的超导磁铁，由于其储能大，铜超比小，超导线截面小，所以需要使用主动保护系统，以便将绝大部分能量转移到外部的泄能电阻上，控制失超后的热点温度。
主动失超保护系统需要及时准确的探测到失超的发生，然后通过控制电路完成切断电源、接入卸能电阻创建卸能回路、协调指挥全部相关部件执行预定动作、记录储存实时数据等。由主动失超保护系统的保护过程可以看出，主动失超保护系统主要包括几个部分：失超探测器、失超保护器和失超保护综合控制接口单元。
失超探测器的主要功能是监测各种状态信号，在失超发生时能迅速准确的做出判断，并向相关系统发送触发信号。
失超探测器是失超保护系统的关键部件之一，它能否对磁铁的失超作出迅速准确的判断是整个失超保护系统正常工作的先决条件。失超后超导磁铁以及各辅助系统的状态都会发生变化，线圈上的电压、电流会发生变化，整个冷却回路中液氦的压强以及流量也会发生变化。这些状态的变化就是判断失超的依据，相应的就有多种探测失超的方法。工程实践证明，电压抽头是最合适的探测方法，其探测时间短，准确性高，受系统干扰和随机干扰的影响小。因而电压抽头的探测方法目前被广泛采用，从初期的模拟电路失超探测到后来的模拟加数字失超探测，再到近几年开始开发应用的全数字失超探测，失超探测的可靠性和灵敏度都得到了大幅度的提高。
如果说失超探测器是失超保护系统的眼睛，失超保护器是手，那么失超保护综合控制接口单元(QPAIC)就是大脑，其作用十分重要。QPAIC的主要功能是失超保护逻辑的处理和控制指挥失超保护器实施保护动作，同时，它还负责对失超保护器的各种故障、电源故障和对地泄漏电流的变化进行监控记录，实现各部分间信号的交换并将相关的信息存储在计算机中。
已知目前国内外失超保护系统还没有专门设计的失超保护综合控制接口单元(QPAIC)，普遍具有明显的缺点：一是多台超导磁铁的失超保护系统非常庞大和杂乱，信号交换量大、可靠性差。二是对于需要多台超导磁铁同时进行失超保护的场合，由于同步性太差而难以胜任。三是没有对故障信号根据其紧急情况进行分级，这样会导致超导线圈频繁失超。四是不利于信号的显示、实时监控和存储。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是消除上述的缺点和不足，设计一种能连接多台需要同时进行失超保护的超导磁铁、对故障信号根据其紧急情况进行分级保护、同步性好、动作可靠、信号监控和存储便捷的超导磁铁失超保护综合控制接口单元。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种超导磁铁失超保护综合控制接口单元，包括：
用于接收来自失超探测器、失超保护器以及电源、低温系统、中央控制室的与失超保护有关的全部信号的接口电路12；
用于对接口电路12输出的全部信号进行逻辑处理的逻辑门电路阵列8；
用于对接口电路12输出的全部信号进行逻辑处理的PLC系统10；
用于接收逻辑门电路阵列8的输出信号和PLC系统10的输出信号并对所接收信号进行逻辑与运算的与门电路阵列16：
用于完成PC和PLC之间的数据交换，并由监控计算机4进行信号的监控和存储的监控计算机4；
用于采集多台超导磁铁及其电源的对地泄漏电流信号，该对地泄漏电流信号被送入监控计算机4的地电流检测单元6；
用于给整个系统供电的UPS供电系统2。
所述监控计算机4中装有多路差分模拟量输入卡及通讯卡。
所述UPS供电系统2的输出和监控计算机4、逻辑门电路阵列8、PLC系统10、与门电路阵列16的电源端联接，地电流检测单元6的输出和监控计算机4中的多路差分模拟量输入卡联接，PLC系统10通过多点接口总线14和监控计算机4中的通讯卡联接；逻辑门电路阵列8的输出信号和PLC系统10的输出信号都联接在与门电路阵列16的输入端，与门电路阵列16的输出端和接口电路12联接。
本发明的优点是更适合要求对多个超导线圈同时进行保护的场合，可控制指挥多个失超保护器、多台电源协调工作，实现对多个超导线圈的可靠保护。对故障信号根据其紧急情况进行分级保护、失超保护响应时间短，同步误差小、通讯可靠、数据可实时监控和存储、使用方便。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本失超保护逻辑联锁方框图。
图中：1——来自失超探测器的信号×多台
3——来自失超保护器的信号×多台
5——来自电源的信号×多台
7——来自低温系统的信号×多台
9——来自中央控制室的信号×多台
11——送往失超探测器的信号×多台
13——送往失超保护器的信号×多台
15——送往电源的信号×多台
17——送往低温系统的信号×多台
19——送往中央控制室的信号×多台
具体实施方式
本发明是一种超导磁铁失超保护综合控制接口单元，包括：用于接收来自失超探测器、失超保护器以及电源、低温系统、中央控制室的与失超保护有关的全部信号的接口电路12；用于对接口电路12输出的全部信号进行逻辑处理的逻辑门电路阵列8；用于对接口电路12输出的全部信号进行逻辑处理的PLC系统10；用于接收逻辑门电路阵列8的输出信号和PLC系统10的输出信号并对所接收信号进行逻辑与运算的与门电路阵列16：用于完成PC和PLC之间的数据交换，并由监控计算机4进行信号的监控和存储的监控计算机4；用于采集多台超导磁铁及其电源的对地泄漏电流信号，该对地泄漏电流信号被送入监控计算机4的地电流检测单元6；用于给整个系统供电的UPS供电系统2。
UPS供电系统2的输出和监控计算机4、逻辑门电路阵列8、PLC系统10、与门电路阵列16的电源端联接，地电流检测单元6的输出和监控计算机4中的多路差分模拟量输入卡PCI-1713联接。PLC系统10通过多点接口总线(MPI)接口和监控计算机4中的通讯卡CP5611联接，组成MPI网。逻辑门电路阵列8的输出信号和PLC系统10的输出信号都联接在与门电路阵列16的输入端，与门电路阵列16的输出端和接口电路12联接。
其工作原理是：接口电路12接收来自失超探测器的信号1、来自失超保护器的信号3以及来自电源的信号5、来自低温系统的信号7、来自中央控制室的信号9等与失超保护有关的全部信号，将该全部信号用通讯电缆同时送入逻辑门电路阵列8和PLC系统10，如图2所示。逻辑门电路阵列8和PLC系统10分别对该全部信号进行故障分级和逻辑处理，逻辑门电路阵列8的输出信号和PLC系统10的输出信号都送入与门电路阵列16进行逻辑与运算，运算结果用通讯电缆送回接口电路12，由接口电路12向与故障相关的部件发送运算结果信号：送往失超探测器的信号11、送往失超保护器的信号13以及送往电源的信号15、送往低温系统的信号17、送往中央控制室的信号19等，触发相应的保护动作。
其中，来自失超探测器的信号1包括失超，来自失超保护器的信号3包括熔断器故障、IGBT故障、过热、冷却系统故障、短路器故障，来自电源的信号5包括电源故障、电源主回路合，来自低温系统的信号7包括低温系统就绪，来自中央控制室的信号9包括磁铁故障，送往失超探测器的信号11包括系统就绪，送往失超保护器的信号13包括一级故障，送往电源的信号15包括一级故障、二级故障，送往低温系统的信号17包括失超，送往中央控制室的信号19包括系统就绪。
地电流检测单元6采集多台超导磁铁及其电源的对地泄漏电流信号，该对地泄漏电流信号被送入监控计算机4中的多路差分模拟量输入卡PCI-1713，由基于NI LabView软件开发的监控程序进行多台电源和超导线圈接地状况的连续监控，以精确反映对地泄漏电流的变化情况。地电流过流报警的阈值调节在2～200mA范围内连续可调，地电流记录监控页面能够显示15分钟之内的地电流数据曲线，该数据被实时存储在监控计算机4中，以便于历史查询。
PLC系统10中的全部信号还通过MPI接口传送到监控计算机4中，由通讯卡CP5611和MPI网14一起完成PC和PLC之间的数据交换。监控计算机4中开发了基于西门子工业组态控制软件SIMATIC WinCC开发的超导磁铁失超保护系统状态实时监控程序，清楚的显示并连续记录所有接收到的信号及其发生的时刻，完成对接收到的信号的监控和存储。这对分析导致失超的原因和研究失超保护系统的响应情况十分有利。
UPS供电系统2的输出和监控计算机4、逻辑门电路阵列8、PLC系统10、与门电路阵列16的电源端相连，为整个系统供电。当市电突然掉电时，将由UPS供电系统2为整个系统的正常工作提供电源支撑，避免失超保护过程因市电故障而间断或中止，确保失超保护预定动作的全部完成，确保超导磁铁的安全。
具体的故障分级如下：
根据工艺要求，所有与失超保护相关的故障按其紧急情况分为两级。将失超、地电流过流、熔断器故障和IGBT故障等四个信号定义为一级故障。将电源故障、过热、冷却系统故障、短路器故障和低温系统故障等五个信号定义为二级故障。
具体的逻辑处理如下：
逻辑门电路阵列8和PLC系统10分别将从接口电路12传来的熔断器故障、IGBT故障、地电流过流和失超等四个信号进行综合，分别形成一级故障信号输入给与门电路阵列16，与门电路阵列16将来自逻辑门电路阵列8的一级故障信号和来自PLC系统10的一级故障信号进行逻辑与运算，运算结果一级故障信号参与系统就绪联锁，并被送往接口电路12。通过接口电路12发送到中央控制系统，与此同时向所有正在工作的电源和失超保护器发送一级故障联锁保护信号。向电源和失超保护器发送的一级故障信号分为两路：一路不经过电源内部的PLC，直接切断电源的PWM信号和失超保护器中IGBT的触发信号；另一路进入电源内部的PLC，关断电源主回路并再次实施关断失超保护器的IGBT。PLC系统处理的和一级故障相关的信号同时被通过多点接口总线(MPI)送入监控计算机4中，在监控计算机4上显示并记录。
逻辑门电路阵列8和PLC系统10分别将从接口电路12传来的过热、冷却系统故障、电源故障等三个信号进行综合，分别形成二级故障信号输入给与门电路阵列16，与门电路阵列16将来自逻辑门电路阵列8的二级故障信号和来自PLC系统10的二级故障信号进行逻辑与运算，运算结果二级故障信号参与系统就绪联锁，并被送往接口电路12。通过接口电路12发送到中央控制系统，与此同时向所有正在工作的电源和失超保护器发送二级故障联锁保护信号。一级故障的优先级高于二级故障，即处理二级故障过程中，一旦出现一级故障，QPAIC立刻按一级故障的保护逻辑处理，实施联锁功能。PLC系统处理的和二级故障相关的信号同时被通过多点接口总线(MPI)送入监控计算机4中，在监控计算机4上显示并记录。
PLC系统10将从接口电路12传来的磁铁故障信号进行锁存后送入监控计算机4中，在监控计算机4上显示并记录。PLC系统10将从接口电路12传来的低温系统就绪信号进行锁存，该锁存信号参与系统就绪联锁，同时送入监控计算机4中，在监控计算机4上显示并记录。PLC系统10就从接口电路12传来的失超信号进行锁存，该锁存信号参与系统就绪联锁，并被送往接口电路12，通过接口电路12发送给低温系统。同时PLC系统将该失超信号送入监控计算机4中，在监控计算机4上显示并记录。
PLC系统10综合所有无一级故障、无二级故障、电源主回路合和低温系统就绪等信号，形成系统就绪信号，该系统就绪信号被送往接口电路12，通过接口电路12发送给中央控制室。
为了充分保证工作的可靠性，本发明由PLC构成一套保护逻辑，逻辑门阵列构成一套保护逻辑，两套逻辑相互冗余。逻辑门电路阵列8处理信号的时间延迟纳秒级，远远小于PLC系统10处理信号的时间延迟毫秒级，所以逻辑门电路阵列8作为主控，PLC系统10作为后备，这样构成的系统其失超保护响应时间很短微秒级。与门电路阵列输出的信号被同时送往多台失超保护器触发实施保护动作，所以具有良好的同步性(工程实践证明同步误差小于10μs)和可靠性。

Claims (3)

1、一种超导磁铁失超保护综合控制接口单元，其特征在于，所述超导磁铁失超保护综合控制接口单元包括：
用于接收来自失超探测器、失超保护器以及电源、低温系统、中央控制室的与失超保护有关的全部信号的接口电路(12)；
用于对接口电路(12)输出的全部信号进行逻辑处理的逻辑门电路阵列(8)；
用于对接口电路(12)输出的全部信号进行逻辑处理的PLC系统(10)；
用于接收逻辑门电路阵列8的输出信号和PLC系统(10)的输出信号并对所接收信号进行逻辑与运算的与门电路阵列(16)：
用于完成PC和PLC之间的数据交换，并由监控计算机(4)进行信号的监控和存储的监控计算机(4)；
用于采集多台超导磁铁及其电源的对地泄漏电流信号，该对地泄漏电流信号被送入监控计算机(4)的地电流检测单元(6)；
用于给整个系统供电的UPS供电系统(2)。
2、根据权利要求1所述的超导磁铁失超保护综合控制接口单元，其特征在于所述监控计算机(4)中装有多路差分模拟量输入卡及通讯卡。
3、根据权利要求1或2所述的超导磁铁失超保护综合控制接口单元，其特征在于：所述UPS供电系统(2)的输出和监控计算机(4)、逻辑门电路阵列(8)、PLC系统(10)、与门电路阵列(16)的电源端联接，地电流检测单元(6)的输出和监控计算机(4)中的多路差分模拟量输入卡联接，PLC系统(10)通过多点接口总线(14)和监控计算机(4)中的通讯卡联接；逻辑门电路阵列(8)的输出信号和PLC系统(10)的输出信号都联接在与门电路阵列(16)的输入端，与门电路阵列(16)的输出端和接口电路(12)联接。
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