CN103630775A - 一种交流大电流冲击测试装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

一种交流大电流冲击测试装置，包括调压器（Uac）、超导磁体电源（Udc）、调压变压器（Tr1）、变压器（Tr2）、断路器（SW1）、第一单刀双掷开关（S1）、第二单刀双掷开关（S2）、第一电流传感器（A1）、第二电流传感器（A2）、电压传感器（V1）、第一晶闸管组（G1）、第二晶闸管组（G2）和电阻（R）。采用本发测试装置的交流大电流冲击测试方法在控制冲击电流大小、冲击时间和初始相位角的情况下，实现对超导带材和磁体的交流大电流冲击，同时，配合了超导带材和磁体的临界电流测试，简化了测试流程，使测试过程更加合理，节约了测试时间。

Description

一种交流大电流冲击测试装置和测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于超导带材和线圈的交流大电流冲击测试装置和测试方法。 

背景技术

随着超导技术的快速发展，特别是Bi系和YBCO超导带材的快速发展，超导带材在诸如电力系统（超导储能、超导限流器、超导变压器、超导电缆和超导电机等）、重大科学工程（热核聚变实验堆）、医疗（核磁共振仪）、交通（超导磁悬浮列车）和军事等方面得到了广泛的实际应用。因此，为了保证超导磁体的优化设计和安全可靠运行，对超导带材和磁体的过流冲击等性能测试是必不可少的。 

超导带材和磁体的交流大电流冲击测试，使超导带材和磁体经历从超导态到正常态的转变，超导带材和磁体的电流将是其临界电流的3-5倍，甚至更高。 

目前，超导带材和磁体的交流大电流冲击测试所需的交流大电流是通过脱扣器或断路器的开合等来实现的。例如文献“桥式超导故障限流器的短路试验研究”（叶林，林良真，电力系统自动化，第23卷第18期），如图1所示，通过开关S实现大电流冲击控制。稳态运行时，开关S处于断开状态；需要触发故障时，手动闭合开关S，这时电路中就产生了大电流；随后，手动断开开关S，大电流冲击结束。在大电流冲击过程中，没有对冲击电流的大小、冲击时间、初始相位角等进行控制，缺乏控制的精确性。 

同时，超导带材和磁体的交流大电流冲击是对一种对超导带材和磁体的过流冲击，伴随着大量的热量产生，可能造成超导带材和磁体的性能衰退甚至烧毁。在每次大电流冲击后，需要对超导带材和磁体的临界电流进行测试。 

因此。在实现超导带材和磁体的交流大电流冲击测试时，对冲击时间、冲 击相位角等进行控制，并且，及时方便地进行其临界电流的测试是非常必要的。 

发明内容

本发明的目的是克服已有技术在实现超导带材和磁体的交流大电流冲击测试时，对冲击时间、冲击相位角等控制不力的缺点，提出一种用于超导带材和线圈的交流大电流冲击测试的装置及其测试方法。本发明不但能够控制冲击电流大小、初始相位角和冲击时间，而且可以方便地及时测试超导带材和磁体的临界电流的衰减情况。 

本发明采用的技术方案如下： 

本发明交流大电流冲击测试装置，包括交流电源、超导磁体电源、调压变压器、变压器、断路器、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一电流传感器、第二电流传感器、电压传感器、第一晶闸管组、第二晶闸管组和电阻。 

交流电源连接在调压变压器的原边线圈上，调压变压器的副边线圈与断路器串联后连接在变压器的原边线圈上，变压器的副边线圈的第一连接点与第二晶闸管组和第一电流传感器的串联电路的一端相连，第二晶闸管组和第一电流传感器串联电路的另一端连接在第一单刀双掷开关的第二连接点；变压器的副边线圈的第二连接点与电阻和第一晶闸管组的并联电路的一端相连，电阻和第一晶闸管组的并联电路的另一端连接在第二单刀双掷开关的第二连接点；第一单刀双掷开关的第一连接点与第一测试点相连，第二单刀双掷开关的第一连接点与第二测试点相连，电压传感器并联在第一测试点和第二测试点之间，第二电流传感器和超导磁体电源的串联电路连接在第一单刀双掷开关的第三连接点和第二单刀双掷开关的第三连接点之间。 

采用本发明装置的测试方法通过对电流信号的过零检测，获得相应的方波信号；在过零点检测的基础上，给定初始相位角θ，然后求解控制大电流触发时间t₀： 

t₀=θ/360f 

其中，f为交流电源Uac的频率，初始相位角θ的单位为度（°）,t₀为从 过零点开始的大电流触发延迟时间。 

具体测试步骤如下： 

1、将超导样品连接在第一测试点和第二测试点之间； 

2、将第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关分别置于第一单刀双掷开关的第三连接点和第二单刀双掷开关的第三连接点； 

3、调节超导磁体电源，测试超导样品的临界电流； 

4、将第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关分别置于第一单刀双掷开关的第二连接点和第二单刀双掷开关的第二连接点； 

5、调节调压变压器，改变调压变压器的输出电压，调节线路电流； 

6、通过控制器设置大电流冲击时间和初始相位角θ； 

7、通过控制器发出故障触发指令； 

8、控制器通过控制信号控制第一晶闸管组导通而触发大电流冲击，通过控制信号控制第二晶闸管组关断。 

9、记录第一电流传感器、第二电流传感器和电压传感器的数据； 

10、重复步骤1-9，实现超导样品的多次测试，或更换超导样品，进行新样品测试。 

本发明的主要优点： 

1.能够在控制冲击电流、冲击时间和初始相位角的情况下，实现对超导带材和磁体的交流大电流冲击； 

2.通过升压调压器和降压变压器有效地实现了对冲击大电流的有效控制； 

3.通过反并联晶闸管来实现短路控制产生大电流，控制精度高、可靠性高，有效避免了对超导带材和磁体的损坏； 

4.在实现交流大电流冲击的同时，配合了超导带材和磁体的临界电流测试，有效简化了测试流程，使测试过程更加合理，有效节约了测试时间。 

附图说明

图1为已有技术超导故障限流器的短路试验装置的电路原理图； 

图2为本发明实施例的电路原理图； 

图3为本发明实施例的大电流冲击的控制原理图； 

图4为本发明实施例的线路电流和相应的方波信号波形； 

图5为本发明实施例在大电流冲击过程中的线路电流信号和第一晶闸管组G1的控制信号波形； 

图6为本发明实施例在大电流冲击过程中的线路电流信号和第二晶闸管组G2的控制信号波形。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述： 

如图2所示，本发明的实施例为一种用于超导带材和磁体的大电流冲击装置，该装置具有大电流冲击和临界电流测试两种功能。该大电流冲击装置包括交流电源Uac、超导磁体电源Udc、调压变压器Tr1、变压器Tr2、断路器SW1、第一单刀双掷开关S1、第二单刀双掷开关S2、第一电流传感器A1、第二电流传感器A2、电压传感器V1、第一晶闸管组G1、第二晶闸管组G2和电阻R。 

交流电源Uac连接在调压变压器Tr1的原边线圈L11上，调压变压器Tr1的副边线圈L12与断路器SW1串联后连接在变压器Tr2的原边线圈L21上，变压器Tr2的副边线圈L22的第一连接点a与第二晶闸管组G2和第一电流传感器A1的串联电路的一端相连，第二晶闸管组G2和第一电流传感器A1串联电路的另一端连接在第一单刀双掷开关S1的第二连接点11；变压器Tr2的副边线圈L22的第二连接点b与电阻R和第一晶闸管组G1的并联电路的一端相连，电阻R和第一晶闸管组G1的并联电路的另一端连接在第二单刀双掷开关S2的第二连接点21；第一单刀双掷开关S1的第一连接点10与第一测试点P1相连，第二单刀双掷开关S2的第一连接点20与第二测试点P2相连，电压传感器V1并联在第一测试点P1和第二测试点P2之间，第二电流传感器A2和超导磁体电源Udc的串联电路连接在第一单刀双掷开关S1的第三连接点12和第二单刀双掷开关S2的第三连接点22之间，超导样品SP连接在第一测试点P1 和第二测试点P2之间。 

调压变压器Tr1为升压调压变压器，一方面，通过升压提高电压的可调范围；另一方面，通过调压，控制和调节超导带材和磁体测试所需电流。 

变压器Tr2为降压变压器，通过降压产生较大的输出电流。 

第一单刀双掷开关S1和第二单刀双掷开关S2用于交流电源Uac和超导磁体电源Udc的切换，具有空载切换和带载运行能力。 

第一晶闸管组G1和第二晶闸管组G2由晶闸管相互反并联组成，实现冲击大电流的初始导通角、冲击时间等的精确控制。 

超导磁体电源Udc为调压变流的直流电源，用于超导样品SP的临界电流测试，临界电流的判据为1μV/cm。 

交流电源Uac为单相交流电源，为超导样品SP的交流大电流冲击提供测试电源。 

超导样品SP为用于测试的超导带材和超导磁体。 

超导样品SP的临界电流测试的工作原理如下：超导样品SP连接在第一测试点P1和第二测试点P2之间，第一单刀双掷开关S1和第二单刀双掷开关S2分别置于连接点12和连接点22，这时，超导磁体电源Udc和超导样品SP形成回路，调节电源升流输出，监视电压传感器V1的输出，当电压传感器V1的输出达到1μV/cm时，电流传感器A2的示数就是超导样品SP的临界电流。 

超导样品SP的大电流冲击测试的工作原理如下：保持超导样品SP连接方式不变，第一单刀双掷开关S1和第二单刀双掷开关S2分别置于第一单刀双掷开关S1的第二连接点11和第二单刀双掷开关S2的第二连接点21，调节调压变压器Tr1改变输出电压，调节线路电流Iac。通过控制器设置大电流冲击的时间和初始相位角，检测线路电流信号Iac，通过控制器控制第一晶闸管组G1和第二晶闸管组G2触发故障，实现对超导样品SP的大电流冲击测试。 

图3为本发明实施例的控制器的原理图。通过第一模拟输入口S01输入线路电流信号Iac，通过第二模拟输入口S02输入故障触发指令Fault，通过第三 模拟输入口S03输入初始相位角θ，通过第四模拟输入口S04输入大电流冲击时间T_f，通过第一数字输出口S11和第二数字输出口S12分别输出第一晶闸管组G1和第二晶闸管组G2的触发信号。在控制器的初始状态时，第一数字输出口S11输出零电平，第一晶闸管组G1处于关断状态，第二数字输出口S12输出高电平，第二晶闸管组G2处于导通状态。 

控制器的工作原理：线路电流信号Iac首先经过滤波，然后用于过零检测，通过初始相位角θ计算触发延迟时间t₀。控制器发出故障触发指令Fault且产生高电平，控制器开始对线路电流信号Iac进行过零检测，并根据线路电流信号Iac的正负给出对应的正负方波信号，从正负方波信号的第一个上升沿开始，给正负方波信号进行一个触发延迟时间t₀的信号延迟，延迟后的信号Sig1通过第一数字输出口S11输出，控制第一晶闸管组G1使其导通。从延迟后的正负方波的第一上升沿开始，根据所设置一个时间为大电流冲击时间T_f的计时器，计时结束后，控制信号Sig2变为零电平，从第二数字输出口S12输出，关断第二晶闸管组G2。 

图4为本发明实施例的线路电流信号Iac和相应的方波信号Si，电流传感器A1检测到的线路电流信号Iac，通过对线路电流信号Iac的过零检测，获得相应的方波信号Si。 

图5为本发明实施例在大电流冲击过程中的线路电流信号Iac和第一晶闸管组G1的控制信号Sig1的波形。在过零点检测的基础上，给定初始相位角θ，然后求解控制大电流触发延迟时间t₀： 

t₀=θ/360f 

（1） 

其中，f为交流电源Uac的频率，初始相位角θ的单位为度（°）,t₀为从过零点开始的大电流触发延迟时间。电流传感器A1检测到线路电流信号Iac，通过对线路电流信号Iac的过零检测，获得相应的正负方波信号Sig1，实现对第一晶闸管组G1的控制。在故障触发指令Fault高电平到来之前，控制信号Sig1为零电平，第一晶闸管组G1处于关断状态，电阻R投入电路；在初始相位角 θ，图示为54°，即对应的触发延迟时间t0的延时后，控制信号Sig1呈现正负方波信号，控制第一晶闸管组G1导通，产生冲击大电流。 

图6为本发明实施例在大电流冲击过程中的线路电流信号Iac和第二晶闸管组G2的控制信号Sig2的波形。控制器启动后，控制信号Sig2一直输出高电平，第二晶闸管组G2导通。当计时器的计时结束时，控制信号Sig2变为零电平，控制第二晶闸管组G2关断。 

采用本发明装置实施例的测试方法的步骤如下： 

1、将超导样品SP连接在第一测试点P1和第二测试点P2之间； 

2、将第一单刀双掷开关S1和第二单刀双掷开关S2分别置于第一单刀双掷开关S1的第三连接点12和第二单刀双掷开关S2的第三连接点22； 

3、调节超导磁体电源Udc，测试超导样品SP的临界电流； 

4、第一单刀双掷开关S1和第二单刀双掷开关S2分别置于第一单刀双掷开关S1的第二连接点11和第二单刀双掷开关S2的第二连接点21； 

5、调节调压变压器Tr1，改变调压变压器Tr1的输出电压，以调节线路电流Iac； 

6、通过控制器设置大电流冲击时间T_f和初始相位角θ； 

7、通过控制器发出故障触发指令Fault； 

8、控制器通过控制信号Sig1控制第一晶闸管组G1导通而触发大电流冲击，通过控制信号Sig2控制第二晶闸管组G2的关断； 

9、记录第一电流传感器A1、第二电流传感器A2和电压传感器V1的数据； 

10、重复步骤1-9，实现超导样品SP的多次测试，或更换超导样品SP的进行新样品测试。 

本发明能够在控制冲击电流、冲击时间和初始相位角的情况下，实现对超导带材和磁体的交流大电流冲击；并且，在实现交流大电流冲击的同时，配合了超导带材和磁体的临界电流测试，有效简化了测试流程，使测试过程更加合理，有效节约了测试时间，具有一定的实用价值。 

Claims (10)

1.一种交流大电流冲击测试装置，其特征是所述的测试装置包括交流电源（Uac）、超导磁体电源（Udc）、调压变压器（Tr1）、变压器（Tr2）、断路器（SW1）、第一单刀双掷开关（S1）、第二单刀双掷开关（S2）、第一电流传感器（A1）、第二电流传感器（A2）、电压传感器（V1）、第一晶闸管组（G1）、第二晶闸管组（G2）和电阻（R）；交流电源（Uac）连接在调压变压器（Tr1）的原边线圈（L11）上，调压变压器（Tr1）的副边线圈（L12）与断路器（SW1）串联后连接在变压器（Tr2）的原边线圈（L21）上，变压器（Tr2）的副边线圈（L22）的第一连接点（a）与第二晶闸管组（G2）和第一电流传感器（A1）串联电路的一端相连，第二晶闸管组（G2）和第一电流传感器（A1）串联电路的另一端连接在第一单刀双掷开关（S1）的第二连接点（11）；变压器（Tr2）的副边线圈（L22）的第二连接点（b）与电阻（R）和第一晶闸管组（G1）的并联电路的一端相连，电阻（R）和第一晶闸管组（G1）的并联电路的另一端连接在第二单刀双掷开关（S2）的第二连接点（21）；第一单刀双掷开关（S1）的第一连接点（10）与第一测试点（P1）相连，第二单刀双掷开关（S2）的第一连接点（20）与第二测试点（P2）相连，电压传感器（V1）并联在第一测试点（P1）和第二测试点（P2）之间，第二电流传感器（A2）和超导磁体电源（Udc）的串联电路连接在第一单刀双掷开关（S1）的第三连接点（12）和第二单刀双掷开关（S2）的第三连接点（22）之间。

2.按照权利要求1所述的交流大电流冲击测试装置，其特征是所述的调压变压器（Tr1）为升压调压变压器，一方面，通过升压提高电压的可调范围，另一方面，通过调压，控制和调节超导带材和磁体测试所需的电流。

3.按照权利要求1所述的交流大电流冲击测试装置，其特征是所述的变压器（Tr2）为降压变压器，通过降压产生较大的输出电流。

4.按照权利要求1所述的交流大电流冲击测试装置，其特征是所述的第一单刀双掷开关（S1）和第二单刀双掷开关（S2）用于第一交流电源（Uac）和超导磁体电源（Udc）的切换，具有空载切换和带载运行能力。

5.按照权利要求1所述的交流大电流冲击测试装置，其特征是所述的第一晶闸管组（G1）和第二晶闸管组（G2）由晶闸管相互反并联组成。

6.按照权利要求1所述的交流大电流冲击测试装置，其特征是所述的超导磁体电源（Udc）为调压变流的直流电源，用于第一超导样品（SP）的临界电流测试，临界电流的判据为1μV/cm。

7.按照权利要求1所述的交流大电流冲击测试装置，其特征是所述的交流电源（Uac）为单相交流电源。

8.按照权利要求1所述的交流大电流冲击测试装置，其特征是所述的控制器通过第一模拟输入口（S01）输入线路电流信号（Iac），通过第二模拟输入口（S02）输入故障触发指令（Fault），通过第三模拟输入口（S03）输入初始相位角θ，通过第四模拟输入口（S04）输入大电流冲击时间T_f，通过第一数字输出口（S11）和第二数字输出口（S12）分别输出第一晶闸管组（G1）和第二晶闸管组（G2）的触发信号；在控制器的初始状态时，第一数字输出口（S11）输出零电平，第一晶闸管组（G1）处于关断状态，第二数字输出口（S12）输出高电平，第二晶闸管组（G2）处于导通状态，线路电流信号（Iac）首先经过滤波，然后用于过零检测，通过初始相位角θ计算触发延迟时间t₀；控制器发出故障触发指令（Fault）且产生高电平，控制器开始对线路电流信号（Iac）进行过零检测，并根据线路电流信号（Iac）的正负给出对应的正负方波信号，从正负方波信号的第一个上升沿开始，给正负方波信号进行一个触发延迟时间t₀的信号延迟，延迟后的信号（Sig1）通过第一数字输出口（S11）输出，控制第一晶闸管组（G1）使其导通；从延迟后的正负方波的第一上升沿开始，根据所设置一个时间为大电流冲击时间（T_f）的计时器，计时结束后，控制信号（Sig2）变为零电平，从第二数字输出口（S12）输出，关断第二晶闸管组（G2）。

9.应用权利要求1所述的交流大电流冲击测试装置的测试方法，其特征是所述的测试方法通过对电流信号（Iac）的过零检测，获得相应的方波信号（Si）；在过零点检测的基础上，给定初始相位角θ，然后求解控制大电流触发时间t₀：

t₀=θ/360f

其中，f为交流电源（Uac）的频率，初始相位角θ的单位为度（°）,t₀为从过零点开始的大电流触发延迟时间。

10.按照权利要求9所述的交流大电流冲击测试方法，其特征是所述的测试方法的步骤是：

步骤1：将超导样品（SP）连接在第一测试点（P1）和第二测试点（P2）之间；

步骤2：将第一单刀双掷开关（S1）和第二单刀双掷开关（S2）分别置于第一单刀双掷开关（S1）的第三连接点（12）和第二单刀双掷开关（S2）的第三连接点（22）；

步骤3：调节超导磁体电源（Udc），测试超导样品（SP）的临界电流；

步骤4：将第一单刀双掷开关（S1）和第二单刀双掷开关（S2）分别置于第一单刀双掷开关（S1）的第二连接点（11）和第二单刀双掷开关（S2）的第二连接点(21)；

步骤5：调节调压变压器(Tr1)，改变调压变压器(Tr1)的输出电压，以调节线路电流(Iac)；

步骤6：通过控制器设置大电流冲击时间T_f和初始相位角θ；

步骤7：通过控制器发出故障触发指令（Fault）；

步骤8：控制器通过控制信号控制第一晶闸管组（G1）导通而触发大电流冲击，并通过控制信号控制第二晶闸管组（G2）的关断；

步骤9：记录第一电流传感器（A1）、第二电流传感器（A2）和电压传感器（V1）的数据；

步骤10：重复所述步骤1-9，实现超导样品（SP）的多次测试，或更换超导样品（SP）的进行新的样品的测试。

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