CN106898998A - 一种高压信号隔离的快速保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压信号隔离的快速保护装置，包括阈值发送模块，用于发送阈值通信信号至光纤电平转化模块，阈值通信信号由光纤电平转化模块转化为阈值光信号在光纤中传输。当传输至ECRH系统时转化为阈值通信信号，阈值通信信号由信号解码模块解码为阈值数字信号，并由数模转化模块将阈值数字信号转化为阈值模拟信号，通过电压比较模块将保护信号与阈值模拟信号比较输出故障判断信号，电光转化模块根据故障判断信号确定是否输出光束，由光束有无决定控制系统是否切断ECRH系统的电源。由于光纤电平转化模块和电光转化模块，实现ECRH系统与阈值发送模块、控制系统隔离，能够保护二者，且能够实现快速、安全、精确地在线改变多个保护信号的阈值。

Description

一种高压信号隔离的快速保护装置

技术领域

本发明涉及高压隔离及远程通信领域，更具体地，涉及一种高压信号隔离的快速保护装置。

背景技术

电子回旋共振加热(electron cyclotron resonance heating，ECRH)系统是磁约束核聚变装置上一种重要的辅助加热手段，对等离子体局域加热和电流驱动有显著效果，能提高磁约束核聚变装置的运行参数，有利于磁约束核聚变物理实验研究。ECRH的工作电压达80kV，由两个主高压电源供电，主高压电源一旦出现故障将会对整个ECRH系统造成极大的损坏，主高压电源给ECRH的核心部件回旋管供电，一旦过压过流将会对回旋管造成损坏，回旋管是极易损坏的器件且造价昂贵，此外制作回旋管的技术难度很大，只有极少数的国家有能力制作，故对主高压电源的电压电流进行监测和保护很重要，快速保护系统可以检测到过压过流情况并将故障信号传输给控制系统，系统要求一旦有故障整个保护过程要在5μs时间内做出响应并关断主高压电源，根据保护时间的需求，要求快速保护系统应在1μs之内响应并给出故障信号。此外，因系统涉及-80kV高压，正常工作时，快速保护系统的地和阳极的悬浮地-80kV接在一起，故光电隔离的模块必不可少。

传统的快速保护系统采用的是手动调节阈值，光耦隔离方式，存在以下不足：手动调节的精度低，一次转动的阈值都会在几百毫伏左右，不能精细调节，且因ECRH现场环境恶劣，快保信号较多，恶劣的现场环境经常造成系统误动作，需要经常逐个调节阈值以减少故障保护的误动作使系统有序运行，手动操作将会很繁琐且在高压环境下手动操作安全系数低。此外，光耦隔离强度不高，只有几千伏左右，响应时间超过1μs，一般只适用于低压小型装置。综上所述，不太满足ECRH高压隔离，快速保护的需求。

发明内容

本发明目的在于克服传统的手动调节隔离度不够的缺陷，调节精度低，操作繁琐以及安全系数低的问题，提供一种高压信号隔离的快速保护装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种高压信号隔离快速保护系统，包括：阈值发送模块，用于发送阈值通信信号；以及保护单元；

保护单元包括：

光纤电平转化模块，其输入端与阈值发送模块的输出端连接，用于将阈值通信信号转化为阈值光信号，当阈值光信号传输至ECRH系统后转化为阈值通信信号；

信号解码模块，其输入端与光纤电平转化模块的输出端连接，用于对阈值通信信号解码，输出阈值数字信号；

数模转化模块，其输入端与信号解码模块输出端连接，用于将阈值数字信号转化为阈值模拟信号；

电压比较模块，其第一输入端与数模转化模块输出端连接，第二输入端用于接收ECRH系统中保护信号，根据ECRH系统中保护信号与阈值模拟信号比较获得故障判断信号；以及

电光转化模块，其输入端与电压比较模块的输出端连接，根据故障判断信号确定是否输出光信号，光信号的有无用于控制系统是否输出切断高压电源信号。

由阈值发送模块输出阈值通信信号，阈值通信信号中包含有保护信号的阈值信号，阈值通信信号经由光纤电平转化模块传输至ECRH现场，光纤电平转化模块将阈值通信信号转化阈值通信光信号，阈值通信光信号通过光纤传输至ECRH现场，在由阈值通信光信号转化为阈值通信电信号，能够防止高压信号窜到阈值发送模块，保护阈值发送模块的安全，经由信号解码模块对阈值通信信号进行解码，获得阈值数字信号，阈值数字信号经数模转换模块之后变为阈值模拟信号，保护信号与阈值模拟信号由电压比较模块比较，当保护信号的值超过阈值模拟信号时，其输出低电平，将象征故障的低电平接入电光转化模块中，光路消失，控制系统未接收到光信号，将进行快速关断主高压电源，保护ECRH系统的安全，否则，光路不消失。

进一步地，还包括信号复制模块和N-1个所述保护单元，N＞1；

信号幅值模块有N个输出端，其输入端与阈值发送模块的输出端连接，其每个输出端与光纤电平转化模块的输入端连接，用于将阈值通信信号分为多路阈值通信信号输出。

进一步地，保护单元还包括信号滤波模块，其输入端与数模转化模块的输出端连接，用于滤除阈值模拟信号中噪声信号，输出滤波后阈值模拟信号。

进一步地，光纤电平转化模块为485光纤转换器。

本发明提供的技术方案，与现有技术相比，有以下技术效果：

1、由阈值发送模块发送阈值通信信号，由光纤电平转化模块将阈值通信信号转化为阈值光信号，在阈值光信号传输至ECRH系统后，将阈值光信号转化为阈值通信信号，通过光纤电平转化模块实现ECRH系统与阈值发送模块的隔离，同时由于电光转化模块本发明提供的快速保护装置与ECRH系统中控制子系统的隔离，能够防止高压信号窜到阈值发送模块和ECRH系统中控制子系统中，保护二者安全。

2、通过调整阈值发送模块的阈值通信信号，可以实现高精度调节各快速保护信号的阈值。光纤电平转化模块中通过光纤传输阈值通信信号，可极大的防止来自ECRH现场的强磁噪声干扰，减小误码率，能够实现准确调整快速保护信号的阈值。

3、通过485集线器，本发明能够实现对任意一台接到集线器上的快速保护信号的阈值进行远程在线更改，操作简单、安全，结构简单，工作稳定，成本低，可大大减小设计的成本和程序设计复杂度。且可拓展性强，适用于多信号，高压，强磁等较恶劣环境，响应速度要求高的大型装置，有较大的应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的高压信号隔离的快速保护装置的结构原理图；

图2为本发明提供的信号解码模块的具体电路图；

图3为本发明提供的模数转化模块的具体电路图；

图4为本发明提供的信号滤波模块的具体电路图；

图5为本发明提供的电压比较模块的具体电路图；

图6为本发明提供的电光转化模块的具体电路图；

图7为本发明提供的快速保护装置在实验室测量的延时结果；其中，(a)为在电压比较模块的施加的保护信号为方波时延时结果，(b)为在电压比较模块的施加的保护信号为三角波时延时结果；

图8为本发明提供的快速保护装置在现场测量结果。

具体实施方式

为了使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，高压信号隔离的快速保护装置包括阈值发送模块1，用于发送阈值通信信号，阈值通信信号中包含多个保护信号的阈值信息，阈值发送模块1的输出端与信号复制模块2的输入端连接。信号复制模块2用于将阈值通信信号分为N路阈值通信信号输出，信号复制模块2的每个输出端与保护单元3的输入端连接，保护单元3包括光纤电平转化模块301，光纤电平转化模块301的输入端与信号复制模块2的输出端连接，光纤电平转化模块301用于将阈值通信信号转化为阈值光信号，当阈值光信号在光纤中传输至ECRH现场时，将阈值光信号转化为阈值通信信号，可以将阈值发送模块与ECRH现场隔离，防止ECRH现场信号干扰，光纤电平转化模块301的输出端与信号解码模块302的输入端连接。信号解码模块302用于接收阈值通信信号并将阈值通信信号解码，输出阈值数字信号，信号解码模块302的输出端与数模转化模块303的输入端连接。由数模转化模块303用于将阈值数字信号转化为阈值模拟信号，数模转化模块303的输出端与信号滤波模块304的输入端连接。信号滤波模块304用于过滤由阈值数字信号转化为阈值模拟信号时附加在阈值模拟信号中的阶梯噪声，信号滤波模块304的输出端与电压比较模块305的输入端连接。电压比较模块305用于将滤波后的阈值模拟信号与主高压快速保护信号比较，并输出故障判断信号，电压比较模块305的输出端与电光转化模块306的输入端连接。电光转化模块306用于根据故障判断信号确定是否输出光信号。当保护信号的值超过阈值模拟信号时，其输出低电平，将象征故障的低电平接入电光转化模块中，光路消失，控制系统未接收到光信号，将进行快速关断主高压电源，保护ECRH系统的安全，否则，光路不消失。

本发明提供的一个案例中，阈值发送模块与信号解码模块之间以Modbus协议通信和485总线传输信号，信号复制模块选用485集线器，485信号是差分信号，抗干扰能力强，能够精确地传输阈值通信信号，其中，485集线器构成分布式系统可以同时对16及以上保护信号的阈值进行调节，485电平传输到信号解码模块前需要用485光纤转换器进行光纤隔离，防止高压信号窜到上位机上面，保护上位机的安全，同时光纤传输可极大的防止来自ECRH现场的强磁噪声干扰，减小误码率。

图2为信号解码模块的具体电路图，信号解码模块由RS485转换芯片U6、外围电路构成以及单片机U1构成，RS485转换芯片很多，这里选用MAX485芯片，MAX485芯片将485电平转为单片机的TTL电平，用于兼容单片机U1的TTL电平，单片机U1将接收到来自阈值发送模块的数据帧解码后通过P0口发送给数模转化模块。

MAX485芯片的1脚和4脚分别接单片机的RXD和TXD引脚，直接使用单片机UART串口进行数据接收和发送数据，此外阈值通信信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，阈值通信信号在这个地方就会引起反射。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端跨接了一个同样大小的终端电阻R19,这里选用了120Ω。

单片机接收到由阈值发送模块发送的一串数据帧后进行解码，解码程序主要由以下几部分组成：

a.等待接收Modbus数据帧，一帧Modbus数据主要由8个字符组成，一个字符10位，包括开始和结束位。

b.当单片机串口接收到第一个字符的结束位后会进入中断，在中断中主要是将接收到的第一个字符进行存储在寄存器中，然后继续接收第二个字符，Modbus协议规定，第一个字符与第二个字符之间的时间间隔是1.5个字符，超过这个时间就将这帧数据丢弃。

c.当接收完整数据帧后，首先对阈值通信信号的地址字符进行判断比较，如果与单片机的地址不同，则单片机对这帧数据直接不予理会，如果与单片机的地址相同，相应单片机就要对这帧数据进行解析同时发送回应消息，发回去的是单片机地址消息，告知阈值发送模块哪个单片机接收到了该帧数据。

d.按照功能码解析相应的功能，功能代码就是告诉设备需要执行哪些行为，在这里主要使用到1种功能码：06H，写寄存器数据，即将值写入到单片机的寄存器里面；功能码之后就是解析数据位，代表要写入的数据寄存器地址及具体的数值；最后字符是CRC校验，CRC校验是一种数据算法，是用来校验数据对错的。接收方接收到数据后，把一帧数据除最后一个字符外的字符进行CRC计算，计算完了再和该帧数据最后一位字符进行比较。最后一位字符是将该帧数据除最后一个字符外的字符进行特定的算法计算，计算完后生成了一个16bit的数据，作为CRC校验码，添加在一帧数据的最后。如果比较结果相同则认为数据正常，将数据附给P0口，将P0作为与数模转化模块的输入端连接的接口，如果比较不相同，则说明数据在传输中发生了错误，这帧数据将被丢弃，而阈值发送模块会在得不到回应后做相应的处理错误处理。

e.等待下一帧数据。

图3为模数转化模块的具体电路图，数模转换模块由数模转化芯片U4、外围电路以及运放芯片U3组成，数模转化芯片可以选择为DAC0832芯片，DAC0832芯片是8分辨率的D/A转换集成芯片，与单片机完全兼容。数模芯片可选用比DAC0832芯片更高分辨率的，按实际情况可选择8位或者16位类型，以保证有足够高的远程调节精度，因DAC0832芯片的默认是以电流形式输出，为获得电压，需在数模转化芯片外围加运放芯片，DAC0832芯片内置了反馈电阻，用于输出电压信号。运放芯片U3的反馈电阻可通过R_FB端引用片内固有电阻，也可外接。I_OUT1、I_OUT2为DAC0832电流输出端，两个都可作为输出。V_REF为基准电压输入线，对应相应的电压输出范围，V_REF输出电压为-15V～+15V，若R_FB选用片内固有电阻，则电压输出范围为±15V。外接运放芯片的输入电阻高，输出电阻低，需要的输入电流小，而它的驱动能力非常大，起到阻抗匹配的作用。

图4为信号滤波模块的具体电路图，信号滤波模块为二阶有源巴斯沃特低通滤波电路，恰当的品质因数Q保证了信号滤波模块通频带末端增益平坦，合适的截止频率保证了信号滤波模块输出电压既不会被衰减又有效的滤掉了由将阈值数字信号转换阈值模拟信号而带来的纹波，电阻R7和电阻R8均选用15kΩ，电容C7和电容C8均选用0.1μF，用于保证合适的截止频率。品质因素Q选择为0.7，可以通过滤波将阈值数字信号转换阈值模拟信号时产生的锯齿纹波滤掉，衰减可达40dB以上。

图5为电压比较模块的具体电路图，电压比较模块由专用比较器及外围电路构成。专用比较器的延时短且驱动能力强，专用比较器选择型号为LM311的比较器，滤波后的阈值模拟信号通过R9送入比较器LM311的同相端，保护信号经由P3端口进入比较器LM311，将滤波后的阈值模拟信号与要保护的信号做比较，当保护信号小于阈值时，比较器输出高电平，经电光转化模块变为光信号，有光代表此时无故障产生，若输出为低电平，经光电模块转换后无光信号产生，控制系统收不到光信号将立即进行快速保护，同时在专用比较器的输入端并接了一个大电阻R10，用于提供专用比较器U5内部偏置电流的通道，通常取值在兆欧以上。电阻R9和电阻R1为匹配电阻，R9和R1阻值要考虑到阻抗匹配的问题，考虑给专用比较器U5提供内部偏置电流的通道，同时应考虑前后级的阻抗匹配问题，一般阻值相同，R16为上拉电阻，通常可选范围为1kΩ-15kΩ，专用比较器的输出高电平为15V，需接稳压管稳压到5V左右输入到光电转化模块中。

图6为电光转化模块的具体电路图，电光转换电路由门电路和光发射芯片U9构成。电光转化模块用于高压隔离，门电路的选择应考虑电路的逻辑以及后级器件的驱动问题，光发射器应选择较容易封装的芯片，同时应考虑数据的传输速率。门电路由芯片7402和芯片SN75451B构成，芯片7402为4个或非门逻辑电路，芯片SN75451B为双与门逻辑电路，使用芯片7402中一个或非门和芯片SN75451B中一个与门组成门电路，门电路用于驱动光发射芯片。光发射芯片U9可以采用型号为HFBR-1414的光发射器，驱动电流为43mA，其内嵌了发光二极管，电压降为1.6V，采用5V供电，故R3应为75～80Ω左右。

图7为快速保护装置在实验室测量的延时结果，通过模拟现场ECRH信号，如图7(a)所示在电压比较模块的施加的保护信号分别为方波时，装置的延时时间分别为550ns，如图7(b)所示在电压比较模块的施加的保护信号为三角波时，装置的延时时间分别为200ns。由此可知，快速保护装置在不到1μs的时间内进行了响应，满足J-TEXT ECRH快速保护的要求。

图8为阴极电压为-70kV时快速保护装置的实际测量结果，图中Vc为阴极电压，右侧纵坐标为远程设定的阈值，阴极电压输出后先经过了20000:1的分压再进入快速保护装置，阈值-4V对应着-80kV，以此类推，当阴极电压开到-70kV时，经分压器电压输出为-3.5V，此时保护信号阈值设定在-3V(-60kV)左右，其对应上位机远程设定的参数为0x34，从图8中实线可以看出，由于-3V大于-3.5V，阴极电压并没有上升到-70kV(图中虚线部分),阴极电压在-60kV左右经T_C时间降为0，T_C为阴极的关断时间，阴极关断时间为20μs。上述结果表明快速保护系统检测到了故障，将故障信号传给了控制系统使其及时的关断了阴极电源。

本发明基于485总线和光纤结构，可以对超过16个信号的ECRH系统进行远程设定阈值及高压隔离快速保护，更有调节精度高，安全性高，隔离度高，调试方便，易扩展等特点，实际测试中表现出色，保障了ECRH系统的安全。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高压信号隔离的快速保护装置，其特征在于，包括：阈值发送模块(1)，用于发送阈值通信信号；以及保护单元(3)；

所述保护单元(3)包括：

光纤电平转化模块(301)，其输入端与所述阈值发送模块(1)的输出端连接，用于将所述阈值通信信号转化为阈值光信号，当所述阈值光信号传输至ECRH系统后转化为阈值通信信号；

信号解码模块(302)，其输入端与所述光纤电平转化模块(302)的输出端连接，用于对阈值通信信号解码，输出阈值数字信号；

数模转化模块(303)，其输入端与所述信号解码模块(302)的输出端连接，用于将阈值数字信号转化为阈值模拟信号；

电压比较模块(305)，其第一输入端与所述数模转化模块(303)的输出端连接，第二输入端用于接收ECRH系统中保护信号，根据ECRH系统中保护信号与阈值模拟信号比较获得故障判断信号；以及

电光转化模块(306)，其输入端与所述电压比较模块(305)的输出端连接，根据所述故障判断信号确定是否输出光信号，所述光信号的有无用于控制系统是否输出切断高压电源信号。

2.如权利要求1所述的快速保护装置，其特征在于，还包括信号复制模块(2)和N-1个所述保护单元(3)，N＞1；

所述信号幅值模块(2)有N个输出端，其输入端与所述阈值发送模块(1)的输出端连接，其每个输出端与光纤电平转化模块(301)的输入端连接，用于将所述阈值通信信号分为多路阈值通信信号输出。

3.如权利要求1所述的快速保护装置，其特征在于，所述保护单元(3)还包括信号滤波模块(304)，其输入端与所述数模转化模块(303)的输出端连接，用于滤除阈值模拟信号中噪声信号，输出滤波后阈值模拟信号。

4.如权利要求1至3任一项所述的快速保护装置，其特征在于，所述光纤电平转化模块为485光纤转换器。