CN103323699A

CN103323699A - 一种冷绝缘高温超导电缆的失超检测电路及其检测方法

Info

Publication number: CN103323699A
Application number: CN2013101987919A
Authority: CN
Inventors: 侯经洲; 魏斌; 赵勇青; 丘明
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Beijing Electric Power Corp
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Beijing Electric Power Corp
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明属于电力系统技术领域，公开了一种冷绝缘高温超导电缆的失超检测电路及其检测方法，其失超检测电路包括第一电流传感器、第二电流传感器、第一光耦隔离电路、第二光耦隔离电路、模拟除法电路和比较电路；第一电流传感器和第一光耦隔离电路连接构成第一采集隔离电路；第二电流传感器和第二光耦隔离电路连接构成第二采集隔离电路；第一采集隔离电路和第二采集隔离电路分别与模拟除法电路和比较电路依次连接。通过本发明的检测电路和检测方法，能快速检测出超导电缆的失超故障，并且检测的准确度高。

Description

一种冷绝缘高温超导电缆的失超检测电路及其检测方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种冷绝缘高温超导电缆的失超检测电路及其检测方法。

背景技术

1911年荷兰科学家H.Kamerlingh Onnes在4.2K的汞中首次发现了超导现象，自此以后，利用超导体的零电阻特性减小损耗便成为电力工作者的梦想。但直到近年来，随着超导应用研究的日益成熟，高温超导电缆输电技术才逐步进入了工程应用阶段。超导电缆传输技术具有传输容量大、损耗低、占地空间小、节能环保等显著优点，并逐渐成为当前电力传输技术的重要发展方向之一。

但高温超导电缆的零电阻特性，只在电缆运行于超导状态的前提下才能获得，一旦因承受短路大电流、不平衡电流的冲击，其中的运行电流超过带材的临界电流值，超导带材将失去零电阻特性而成为常导体（简称失超故障），此时若不能快速切除，不仅会由于带材过电流和发热对超导电缆本体造成严重损害，而且由于超导电缆线路的传输功率很大，会危及整个电力系统的安全、稳定运行。因此，高温超导电缆失超故障的检测是超导电缆设备在工程应用中需要迫切解决的问题，针对这一问题的研究具有着重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种冷绝缘高温超导电缆的失超检测电路及其检测方法，能快速检测出超导电缆是否出现失超故障。

本发明提出的一种冷绝缘高温超导电缆的失超检测电路，其改进之处在于，所述失超检测电路包括第一电流传感器、第二电流传感器、第一光耦隔离电路、第二光耦隔离电路、模拟除法电路和比较电路；

所述第一电流传感器和所述第一光耦隔离电路连接构成第一采集隔离电路；

所述第二电流传感器和所述第二光耦隔离电路连接构成第二采集隔离电路；

所述第一采集隔离电路和所述第二采集隔离电路分别与所述模拟除法电路和比较电路依次连接。

其中，所述失超检测电路包括滤波电路；所述滤波电路的输入端与所述模拟除法电路的输出端连接，所述滤波电路的输出端与所述比较电路的输入端连接。

其中，所述第一光耦隔离电路包括电阻R1、第一光电耦合器和电阻R2；

所述第一光电耦合器输入端通过所述电阻R1连接到所述第一电流传感器的输出端；其输出端与所述模拟除法电路的输入端连接，并通过所述电阻R2接高电压。

其中，所述第二光耦隔离电路包括电阻R3、第二光电耦合器和电阻R4；

所述第二光电耦合器输入端通过所述电阻R3连接到所述第二电流传感器的输出端；其输出端与所述模拟除法电路的输入端连接，并通过所述电阻R4接高电压。

其中，所述模拟除法电路包括依次连接的模拟乘法器、电流-电压转换电路和反函数运算电路。

其中，所述电流-电压转换电路包括第一运算放大器、电容C2、电容C3、电阻R5和电阻R7；

所述第一运算放大器的反相输入端与所述模拟乘法器的输出引脚连接，并通过所述电阻R7与所述第一运算放大器的输出端连接；

所述第一运算放大器的同相输入端通过所述电阻R5接地；

所述第一运算放大器的输出端与所述反函数运算电路连接；

所述第一运算放大器的正极电源和负极电源分别通过所述电容C3和所述电容C2接地。

其中，所述反函数运算电路包括第二运算放大器、电容C4、电容C5、电阻R8、电阻R9和电阻R10；

所述第二运算放大器的反相输入端通过所述电阻R8与所述第一运算放大器的输出端连接，并通过所述电阻R9与所述第一光耦隔离电路输出端连接；

所述第二运算放大器的同相输入端通过所述电阻R10接地；

所述第二运算放大器的输出端与所述滤波电路的输入端连接，并与所述模拟乘法器的输入引脚连接；

所述第二运算放大器的正极电源和负极电源分别通过所述电容C4和所述电容C5接地。

本发明基于另一目的提供的一种冷绝缘高温超导电缆的失超检测电路的检测方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

（1）第一电流传感器采集冷绝缘高温超导电缆的屏蔽层电流值，并将电流值通过第一光耦隔离电路转为模拟信号后传给模拟除法电路；第二电流传感器采集冷绝缘高温超导电缆的导体层电流值，并将电流值通过第二光耦隔离电路转为模拟信号后传给模拟除法电路；

（2）所述模拟除法电路将传来的两个电流值进行除法运算后传给比较电路；

（3）所述比较电路将所述模拟触发电路的输出值与设定的阈值电压进行比较，进而判断电缆是否发生失超故障。

其中，步骤（2）在比较电路接收信号之前，通过滤波电路先将信号进行滤波。

其中，步骤（3）通过输出值与设定的阈值电压进行比较，若所述输出值低于所述阈值，则判定电缆发生失超故障。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1、能快速检测出超导电缆的失超故障。本发明基于屏蔽电流失超检测法，并且阈值明确，判据灵敏，可以实现对超导电缆失超故障的快速检测，保证了电缆的正常运行。

2、检测的准确度高。本发明的电路中设置光耦隔离电路和二阶巴特沃思低通滤波电路，可以很好的消除干扰信号的影响，即使在复杂的电气环境中也能稳定工作。

3、电路结构简单，易于实现。本发明中所涉及的电路均由模拟器件组成，并且电路结构简单，较容易实现。

附图说明

图1为本发明提供的冷绝缘高温超导电缆的结构示意图。

图2为本发明提供的失超检测电路示意图。图中，1、2为电流传感器；3、4为光耦隔离电路；5为模拟除法电路；6为滤波电路；7为比较电路。

图3为本发明提供的第一光耦隔离电路示意图。

图4为本发明提供的第二光耦隔离电路示意图。

图5为本发明提供的模拟除法电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

冷绝缘高温超导电缆具有复杂的多层结构，如附图1所示。从里到外依次设有铜芯线圈架、高温超导导电层、绝缘介质层、高温超导屏蔽层、铜稳定层、液氮、内低温碧、绝热层、外低温壁和电缆外壳。在正常运行时，超导电缆屏蔽层电流与导体层电流的幅值相差很小，两者之间的比值通常大于等于95%。而当发生失超故障时，电缆的屏蔽层失超，其电阻大幅度增大，致使屏蔽层电流与导体层电流之间的幅值的比值大幅减小，本发明故可利用这一点来进行冷绝缘超导电缆的失超检测。

本实施例提出一种检测电路，检测超导电缆是否发生失超，从而快速、有效的发出切除信号，以避免电缆本体的损伤。

具体的，本实施例提出一种冷绝缘高温超导电缆的失超检测电路，其结构如图2所示，包括第一电流传感器、第二电流传感器、第一光耦隔离电路、第二光耦隔离电路、模拟除法电路和比较电路；第一电流传感器和第一光耦隔离电路连接构成第一采集隔离电路；第二电流传感器和第二光耦隔离电路连接构成第二采集隔离电路；第一采集隔离电路的输出和第二采集隔离电路的输出分别作为模拟除法电路的两个输入端，模拟除法电路的输出端再与比较电路连接。

优选的，本实施例为了得到更好的结果，在模拟除法电路和比较电路之间添加一个滤波电路，用于消除电路中的噪声干扰，其可采用二阶巴特沃思低通滤波电路实现。

如图3所示，本实施例的第一光耦隔离电路包括电阻R1、第一光电耦合器和电阻R2；第一光电耦合器输入端通过电阻R1连接到第一电流传感器的输出端；其输出端与模拟除法电路的输入端连接，并通过电阻R2接高电压。

如图4所示，本实施例的第二光耦隔离电路包括电阻R3、第二光电耦合器和电阻R4；第二光电耦合器输入端通过电阻R3连接到第二电流传感器的输出端；其输出端与模拟除法电路的输入端连接，并通过电阻R4接高电压。

图3和图4中，R1和R3作为保护电阻，U1和U2是光耦元件，该光耦元件采用高精度线性光耦元件，并可通过调节使线性光耦工作在最佳线性阶段，根据线性光耦的工作原理，在U1和U2的输出端Port1和Port2分别产生可反映超导电缆屏蔽层与导体层上的电流大小的输出信号，供模拟除法电路使用。

如图5所示，本实施例的模拟除法电路包括依次连接的模拟乘法器、电流-电压转换电路和反函数运算电路。其中：

一、模拟乘法器：

其采用RC4200实现，该芯片有三个输入端，分别为输入电流引脚1、输入电流引脚5和输入电流引脚8，输出端为输出电流引脚4。其中引脚1与反函数运算电路的输出端连接；引脚2接地；引脚3接-15V电压；引脚4与电流-电压转换电路的输入端连接；引脚5通过电阻R6接+5V电压，用于提供输入电流，并通过电容C1接地；引脚6和引脚7接地；引脚8输入为电缆导体层的电流值。

二、电流-电压转换电路：

其包括第一运算放大器、电容C2、电容C3、电阻R5和电阻R7；第一运算放大器的反相输入端与模拟乘法器的输出引脚4连接，并通过电阻R7与第一运算放大器的输出端连接；第一运算放大器的同相输入端通过电阻R5接地；第一运算放大器的输出端与反函数运算电路连接；第一运算放大器的正极电源通过电容C3接地，负极电源通过电容C2接地。

三、反函数运算电路：

其包括第二运算放大器、电容C4、电容C5、电阻R8、电阻R9和电阻R10；

第二运算放大器的反相输入端通过电阻R8与第一运算放大器的输出端连接，并通过电阻R9与第一光耦隔离电路输出端连接；第二运算放大器的同相输入端通过电阻R10接地；第二运算放大器的输出端与滤波电路的输入端连接，并与模拟乘法器的输入引脚连接；第二运算放大器的正极电源通过所述电容C4接地，负极电源通过电容C5接地。

由于RC4200的输出为电流信号，故将其输出通过高精度的运算放大器U₄搭建的电流—电压转换电路转换为电压信号，然后经由高精度的运算放大器U₅搭建的反函数运算电路一起构成模拟除法运算电路，实现超导电缆屏蔽层电流与导体层电流的除法运算。电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅均为滤波电容，一般取0.1u，电阻R₆为限流电阻，通过选取不同的R₈与R₉值，调整模拟除法电路的运算系数。模拟除法电路的输出端Port3是滤波电路的输入。

本实施例的比较电路7使用比较运算放大器LM393实现，并将电路设计成滞环比较器。将模拟除法电路输出与设定的参考阈值电压进行比较，若低于阈值，则判定电缆发生失超故障，立即输出一高电平或者低电平的保护动作驱动信号送入信号处理器触发保护电路，实现电缆保护的动作。

本实施例对应的检测方法为：

实时监测计算超导电缆的屏蔽层电流和导体层电流幅值的比值，正常情况下，比值大于95%；当发生失超故障时，比值明显小于95%。超导电缆导体层和屏蔽层上的电流经过电流传感器、光电耦合电路，由模拟除法运算电路计算二者的比值，并将计算结果通过二阶巴特沃斯低通滤波电路，与参考电压作比较，若低于设定的阈值，则电缆发生失超故障，立即输出一高电平或者低电平的保护动作驱动信号，电缆保护动作。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种冷绝缘高温超导电缆的失超检测电路，其特征在于，所述失超检测电路包括第一电流传感器、第二电流传感器、第一光耦隔离电路、第二光耦隔离电路、模拟除法电路和比较电路；

2.如权利要求1所述的失超检测电路，其特征在于，所述失超检测电路包括滤波电路；所述滤波电路的输入端与所述模拟除法电路的输出端连接，所述滤波电路的输出端与所述比较电路的输入端连接。

3.如权利要求2所述的失超检测电路，其特征在于，所述第一光耦隔离电路包括电阻R1、第一光电耦合器和电阻R2；

4.如权利要求2所述的失超检测电路，其特征在于，所述第二光耦隔离电路包括电阻R3、第二光电耦合器和电阻R4；

5.如权利要求3或4所述的失超检测电路，其特征在于，所述模拟除法电路包括依次连接的模拟乘法器、电流-电压转换电路和反函数运算电路。

6.如权利要求5所述的失超检测电路，其特征在于，所述电流-电压转换电路包括第一运算放大器、电容C2、电容C3、电阻R5和电阻R7；

所述第一运算放大器的同相输入端通过所述电阻R5接地；

所述第一运算放大器的输出端与所述反函数运算电路连接；

7.如权利要求6所述的失超检测电路，其特征在于，所述反函数运算电路包括第二运算放大器、电容C4、电容C5、电阻R8、电阻R9和电阻R10；

所述第二运算放大器的同相输入端通过所述电阻R10接地；

8.一种冷绝缘高温超导电缆的失超检测电路的检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，步骤（2）在比较电路接收信号之前，通过滤波电路先将信号进行滤波。

10.如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，步骤（3）通过输出值与设定的阈值电压进行比较，若所述输出值低于所述阈值，则判定电缆发生失超故障。