CN104065037A - 一种适用于超导磁体的复合型失超保护电路 - Google Patents

一种适用于超导磁体的复合型失超保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于超导磁体的复合型失超保护电路，设计自动式失超保护回路、过压保护回路、灵敏型保护回路和自动式移能型释能回路对超导磁体进行失超保护。本发明提供的适用于超导磁体的复合型失超保护电路，各个回路物理介质独立，无互相干扰，并且能有效地结合在一起，形成多角度、多层次的复合型失超保护，具有响应快、稳定性强和灵敏度高等优点；其中，电磁型电压继电器和电流继电器的应用，将继电保护的技术与失超现象融合，提高了失超保护动作的灵敏性和准确度；释能回路，一次性地转移超导磁体中的电磁能，大大地缩减了释能时间，而且避免了以往设计的释能回路中电能量的振荡衰减的过程，有效地减少了对超导磁体的冲击，从原理上，解决了对超导磁体的冲击。

Description

一种适用于超导磁体的复合型失超保护电路
技术领域
本发明涉及一种适用于超导磁体的复合型失超保护电路，综合利用各种电路对超导磁体进行失超保护。
背景技术
随着超导技术的发展，特别是高温超导材料的发现，超导运行所需要的环境指标得到了技术性的提高，大大地促进了超导应用的发展。但是，温度、电流密度和电磁强度等超导运行需要的条件依然苛刻，是决定超导应用发展的关键因素。
正常运行的超导磁体由于其特殊的物理性质，不仅能够承载大量的电能，而且可以超导磁体形成强磁场，储存和瞬间释放大量的能量，实现电磁能的高品质转换。一旦失超，超导磁体中的能量必须释放，否则，绝缘损坏，线圈烧毁，甚至会诱发更为严重的事故。因此，研究失超检测与保护是超导应用的重要课题之一。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，进一步提高超导磁体运行的稳定性和安全性，本发明提供一种适用于超导磁体的复合型失超保护电路，综合利用各种回路对超导磁体进行失超保护。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于超导磁体的复合型失超保护电路，设计自动式失超保护回路、过压保护回路、灵敏型保护回路和自动式移能型释能回路对超导磁体进行失超保护：
所述自动式失超保护回路包括并联的压敏电阻RZ和稳压管ZD，自动式失超保护回路与超导磁体并联；压敏电阻RZ对超导磁体的端电压进行检测，当超导磁体的端电压超过压敏电阻RZ的阈值，自动式失超保护回路零延时自动投入，自动将超导磁体的电源短路，避免电能进一步流入超导磁体；稳压管ZD保持超导磁体两端电压恒定，当超导磁体失超，稳压管ZD两端电压突增，致使稳压管ZD击穿短路，对超导磁体进行保护；该回路充分利用了压敏电阻RZ和稳压管ZD的特性，在失超发生时瞬间自动投入使用，大大缩短了保护的响应时间；同时由于该回路是硬件回路，因此抗电磁干扰性强、稳定系数高；
所述过压保护回路包括电压继电器KV，过压保护回路与超导磁体并联；电压继电器KV对超导磁体的端电压进行检测，当超导磁体的端电压超过电压继电器KV的动作值，电压继电器KV动作，直接切断超导磁体的电源开关；该回路利用了电压继电器KV的特性，避免了脉冲电压的影响，除了检测失超过压现象外，还能够发出告警信号，同时还可以与外电路配合，以跳开超导磁体的电压开关；
所述灵敏型保护回路将超导磁体n等分，同时设计n个串联的同规格电阻和n-1个同规格的电流继电器KI；将超导磁体的两个端点和等分点依次记为S0、S1、S2、…、Sn-1、Sn，其中S0和Sn为超导磁体的两个端点，S1、S2、…、Sn-1为超导磁体的n等分点；将电阻依次记为R1、R2、…、Rn，电阻之间的连接点依次记为D0、D1、D2、…、Dn-1、Dn，其中D0为R1的一端，Dn为Rn的另一端，D1为R1的另一端和R2的一端连接点，以此类推D2、…、Dn-1；S0和D0之间直接通过导线连接，Sn和Dn之间直接通过导线连接，Si和Di之间通过一个电流继电器KI连接，其中1≤i≤n-1；超导磁体的等分线圈和相应的电阻通过电流继电器KI互联，形成桥式电路；电流继电器KI对电流幅值进行检测：正常运行时，桥式电路两边的等分线圈和相应的电阻之间无电势差，从理论上讲，电流继电器KI中无电流流过，即电流继电器KI不工作；当超导磁体发生局部失超或相变时，超导磁体等分线圈中的阻抗放生变化，而桥式电流的另一侧电阻无变化，在此情况下，电流继电器KI中就会有电流产生，当电流幅值超过动作值，电流继电器KI动作，直接切断超导磁体的电源开关；灵敏性不仅体现在电路的结构上，而且电流继电器KI的选型也是灵敏型的。
所述自动式移能型释能回路包括并联的电容C和释能电阻R，自动式移能型释能回路与超导磁体并联；失超保护动作后超导磁体中还有一定的剩余电磁能，根据电磁感应定律，这些剩余电磁能变成电能并保存在电容C中，电容C和释能电阻R组成的回路对这些能量进行消耗；该电路与传统的释能回路相比，只有一次能量的交换，大大地减少线路中电能在线圈中的振荡，减少了电能对超导磁体的冲击。
本发明结合了自动式失超保护回路、过压保护回路、灵敏型保护回路和自动式移能型释能回路对超导磁体进行失超保护，其中：自动式失超保护回路，可以在失超时刻自动地投入并保护超导磁体，无延时且电路独立，稳定性好；过压保护回路，电路独立、稳定性能高，可以独立地给出空节点和告警信号，功能完备；灵敏型保护回路，灵敏度好，能够实现局部失超保护，同时电路独立、稳定性能高，而且功能完备，能同时给出空接点和告警信号；自动式移能型释能回路在超导电源退出运行后，能够自动式地零时滞投入，一次性地转移超导磁体中的电磁能，大大地缩减了释能时间，而且避免了以往专利设计的释能回路中电能量的振荡衰减的过程，有效地减少了对超导磁体的冲击。
优选的，还包括告警装置；所述过压保护回路，当超导磁体的端电压超过电压继电器KV的动作值，电压继电器KV同时启动告警装置，并且电压继电器KV还能够输出空接点，该空接点可用于到控制回路中进行相关控制。
优选的，还包括告警装置；所述灵敏型保护回路，当电流幅值超过动作值，电流继电器KI同时启动告警装置，并且电流继电器KI还能够输出空接点，该空接点可用于到控制回路中进行相关控制。
优选的，所述自动式移能型释能回路，在电容C和释能电阻R构成的并联电路两端分别串联一个同向二极管D。
有益效果：本发明提供的适用于超导磁体的复合型失超保护电路，复合设计自动式失超保护回路、过压保护回路、灵敏型保护回路和自动式移能型释能回路对超导磁体进行失超保护，各个回路物理介质独立，不互相干扰，并且能有效地结合在一起，具有响应快、稳定性强和灵敏度高等优点；其中，电磁型电压继电器和电流继电器的使用，大大提高了失超保护动作的灵敏性和准确度(电磁型继电器，更具有效值动作，可有效地避免脉冲电压或电流的干扰)；释能回路，一次性地转移超导磁体中的电磁能，大大地缩减了释能时间，而且避免了以往设计的释能回路中电能量的振荡衰减的过程，有效地减少了对超导磁体的冲击，从原理上，解决了对超导磁体的冲击。另外，本发明所公示的电路可独立于控制系统运行，不仅具有上述的保护功能，而且可以输出空接点信号，直接控制电源开关等外围回路。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为自动式失超保护回路结构示意图；
图3为过压保护回路结构示意图；
图4为灵敏型保护回路结构示意图；
图5为直流电源用自动式移能型释能回路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种适用于超导磁体的复合型失超保护电路，设计自动式失超保护回路、过压保护回路、灵敏型保护回路、自动式移能型释能回路和告警装置对超导磁体进行失超保护，下面结合各个部分的电路示意图加以具体说明。
如图2所示，所述自动式失超保护回路包括并联的压敏电阻RZ和稳压管ZD，自动式失超保护回路与超导磁体并联；压敏电阻RZ对超导磁体的端电压进行检测，当超导磁体的端电压超过压敏电阻RZ的阈值，自动式失超保护回路零延时自动投入，自动将超导磁体的电源短路，避免电能进一步流入超导磁体；稳压管ZD保持超导磁体两端电压恒定，当超导磁体失超，稳压管ZD两端电压突增，致使稳压管ZD击穿短路，对超导磁体进行保护；该回路充分利用了压敏电阻RZ和稳压管ZD的特性，在失超发生时瞬间自动投入使用，大大缩短了保护的响应时间；同时由于该回路是硬件回路，因此抗电磁干扰性强、稳定系数高。
根据稳压管ZD具有保持两端的电压基本不变的特性，当把稳压管ZD接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，稳压管ZD两端的电压将基本保持不变，有效地保证了超导磁体在电源波动、外界扰动的情况下正常运行；压敏电阻RZ是一种限压型保护器件，利用压敏电阻RZ的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻RZ的两极间，压敏电阻RZ可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对超导的保护。
稳压管ZD和压敏电阻RZ并联连接，超导磁体正常运行时，稳压管ZD保证了超导磁体在电源波动、扰动等情况下的正常运行；压敏电阻RZ在失超的情况下自动投入使用，短路超导磁体，避免电能的进一步流入超导励磁线圈。压敏电阻RZ和稳压管ZD都是自动投入且投入时间短，尤其是压敏电阻RZ是纳秒级的响应时间。由于稳压管ZD和压敏电阻RZ所能消耗的能量或承载的功率有限，不能提供持续性的过电压保护，因此本保护只是一个后备级的保护。
自动式失超保护回路，在设计稳压管ZD和压敏电阻RZ时，已经预设了一定的超导磁体正常运行时候端电压的最大值Umax.s，选型稳压管ZD的电压为UZ＞Umax.s，压敏电阻RZ的电压为Uvaristor＞Umax.s。失超时刻，稳压管ZD和压敏电阻RZ的阈值被超过，二者自动投入，维持超导磁体的端电压，保护超导磁体。
如图3所示，所述过压保护回路包括电压继电器KV，过压保护回路与超导磁体并联；电压继电器KV对超导磁体的端电压进行检测，当超导磁体的端电压超过电压继电器KV的动作值，电压继电器KV动作，直接切断超导磁体的电源开关，同时启动告警装置；该回路利用了电压继电器KV的特性，避免了脉冲电压的影响，除了检测失超过压现象外，还能够发出告警信号，同时还可以与外电路配合，以跳开超导磁体的电压开关，该回路简单、独立，使用方便。
如图4所示，所述灵敏型保护回路将超导磁体n等分，同时设计n个串联的同规格电阻和n-1个同规格的电流继电器KI；将超导磁体的两个端点和等分点依次记为S0、S1、S2、…、Sn-1、Sn，其中S0和Sn为超导磁体的两个端点，S1、S2、…、Sn-1为超导磁体的n等分点；将电阻依次记为R1、R2、…、Rn，电阻之间的连接点依次记为D0、D1、D2、…、Dn-1、Dn，其中D0为R1的一端，Dn为Rn的另一端，D1为R1的另一端和R2的一端连接点，以此类推D2、…、Dn-1；S0和D0之间直接通过导线连接，Sn和Dn之间直接通过导线连接，Si和Di之间通过一个电流继电器KI连接，其中1≤i≤n-1；超导磁体的等分线圈和相应的电阻通过电流继电器KI互联，形成桥式电路；电流继电器KI对电流幅值进行检测：正常运行时，桥式电路两边的等分线圈和相应的电阻之间无电势差，从理论上讲，电流继电器KI中无电流流过，即电流继电器KI不工作；当超导磁体发生局部失超或相变时，超导磁体等分线圈中的阻抗放生变化，而桥式电流的另一侧电阻无变化，在此情况下，电流继电器KI中就会有电流产生，当电流幅值超过动作值，电流继电器KI动作，直接切断超导磁体的电源开关，同时启动告警装置。
桥型电路结构虽然简单，但是灵敏度较高，最为经典的桥型电路的检测方法是桥型电路中间连接电流表或者电压表，通过观察其幅值实现判断的方法；本案采用电流继电器KI和桥型检测法相结合的方法，即利用桥型电路的灵敏性，能够表征局部失超的现象，又能体现电流继电器的灵敏等功能。
如图5所示，所述自动式移能型释能回路包括并联的电容C和释能电阻R，且在电容C和释能电阻R构成的并联电路两端分别串联一个同向二极管D，自动式移能型释能回路与超导磁体并联；失超保护动作后超导磁体中还有一定的剩余电磁能，根据电磁感应定律，这些剩余电磁能变成电能并保存在电容C中，电容C和释能电阻R组成的回路对这些能量进行消耗；该电路与传统的释能回路相比，只有一次能量的交换，大大地减少线路中电能在线圈中的振荡过程，减少了电能对超导磁体的冲击。
另外，超导磁体已成为一个具有特定含义的专业词，不仅是指适用于用在加速器、磁聚变托马克装置等上的超导磁体，而且也是指超导电机，超导变压器，超导限流器等超导电力装备中超导线圈。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于超导磁体的复合型失超保护电路，其特征在于：设计自动式失超保护回路、过压保护回路、灵敏型保护回路和自动式移能型释能回路对超导磁体进行失超保护，具体为：
所述自动式失超保护回路包括并联的压敏电阻RZ和稳压管ZD，自动式失超保护回路与超导磁体并联；压敏电阻RZ对超导磁体的端电压进行检测，当超导磁体的端电压超过压敏电阻RZ的阈值，自动式失超保护回路零延时自动投入，自动将超导磁体的电源短路；稳压管ZD保持超导磁体两端电压恒定，当超导磁体失超，稳压管ZD两端电压突增，致使稳压管ZD击穿短路，对超导磁体进行保护；
所述过压保护回路包括电压继电器KV，过压保护回路与超导磁体并联；电压继电器KV对超导磁体的端电压进行检测，当超导磁体的端电压超过电压继电器KV的动作值，电压继电器KV动作，直接切断超导磁体的电源开关；
所述灵敏型保护回路将超导磁体n等分，同时设计n个串联的同规格电阻和n-1个同规格的电流继电器KI；将超导磁体的两个端点和等分点依次记为S0、S1、S2、…、Sn-1、Sn，其中S0和Sn为超导磁体的两个端点，S1、S2、…、Sn-1为超导磁体的n等分点；将电阻依次记为R1、R2、…、Rn，电阻之间的连接点依次记为D0、D1、D2、…、Dn-1、Dn，其中D0为R1的一端，Dn为Rn的另一端，D1为R1的另一端和R2的一端连接点，以此类推D2、…、Dn-1；S0和D0之间直接通过导线连接，Sn和Dn之间直接通过导线连接，Si和Di之间通过一个电流继电器KI连接，其中1≤i≤n-1；超导磁体的等分线圈和相应的电阻通过电流继电器KI互联，形成桥式电路；电流继电器KI对电流幅值进行检测，当电流幅值超过动作值，电流继电器KI动作，直接切断超导磁体的电源开关；
所述自动式移能型释能回路包括并联的电容C和释能电阻R，自动式移能型释能回路与超导磁体并联。
2.根据权利要求1所述的适用于超导磁体的复合型失超保护电路，其特征在于：还包括告警装置；所述过压保护回路，当超导磁体的端电压超过电压继电器KV的动作值，电压继电器KV同时启动告警装置。
3.根据权利要求1所述的适用于超导磁体的复合型失超保护电路，其特征在于：还包括告警装置；所述灵敏型保护回路，当电流幅值超过电流继电器动作值，电流继电器KI同时启动告警装置。
4.根据权利要求1所述的适用于超导磁体的复合型失超保护电路，其特征在于：所述自动式移能型释能回路，在电容C和释能电阻R构成的并联电路两端分别串联一个同向二极管D。
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