CN105044449A - 一种超导电缆交流损耗测量装置 - Google Patents

一种超导电缆交流损耗测量装置 Download PDF

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马韬
滕玉平
李继春
张立永
夏芳敏
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Abstract

一种超导电缆交流损耗测量装置，其测试电源(2)的输出分别与无感电阻(3)和待测超导电缆(1)的超导通电导体的负极连接。辅助导体(4)与待测超导电缆(1)中的超导通电导体并行紧密贴合。数字电压表(6)的输入通道正极连接无感电阻(3)的正极，数字电压表(6)的输入通道负极连接无感电阻(3)的负极。锁相放大器(5)的参考信号通道正极连接无感电阻(3)的正极，参考信号通道负极连接无感电阻(3)的负极。锁相放大器(5)的输入信号通道正极连接待测超导电缆(1)的超导通电导体电压测量信号线的正极，输入信号通道负极连接辅助导体(4)引出线的正极。锁相放大器(5)连接数据采集与处理系统(7)。

Description

一种超导电缆交流损耗测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量超导电缆交流损耗的装置。
背景技术
高温超导电缆使用高温超导导线作为传输电力的主要导体，与传统架空线路和地下电缆相比，高温超导电缆具有体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点。对于相同横截面积的电缆，高温超导导线使得载流容量与传统交流电缆相比增加3～5倍，与传统直流电缆相比增加高达十倍。
高温超导导线在通过交流电时将产生交流损耗，该热损耗是高温超导电缆的主要热负荷之一。交流损耗的大小是超导电缆低温系统制冷量设计的关键参数之一，但目前对于交流损耗的理论计算还不够准确，需要通过实际测量获得。
现有超导电缆交流损耗的测试方法主要有热测法和电测法两种。
热测法通过测量超导电缆通电后冷却介质的挥发量或低温介质温升来获得损耗估计值。然而，热测法在实际应用中存在以下问题：
一、超导电缆通常较长，为保证冷却介质的流动，实际应用中均采用加压过冷低温介质闭式循环模式进行冷却，如液氮冷却超导电缆通常工作于3～5bar、70K左右过冷液氮中，无气体排放，因此无法通过测量低温介质挥发量来获得交流损耗。若采用常压低温介质，一方面难以保证低温介质能够完全浸没长距离的通电导体，另一方面常压下低温介质温度高于正常运行温度，而不同温度条件下超导体的交流损耗值也不同。
二、部分研究采用低温介质温升估计交流损耗，但由于交流损耗数值小，而低温介质的热容很大，长距离超导电缆的温度分布难以准确测量，因此kW量级以下的损耗值较难通过介质温升准确获得。
三、若在装配前常压下进行测试，则需要单独制作测量容器，且超导电缆的通电导体均由绕线盘卷绕成螺线管，与实际一般为近似直线铺设，而超导体在螺线管与直线条件下的交流损耗值有较大差别。
中国发明专利201210454374.1公布了一种超导电缆交流损耗测试系统，该系统基于热测法，通过两个集气装置采集超导电缆在通电过程中低温介质气化后的气体，由流量计测得挥发气体流量后解算出超导电缆的交流损耗。该系统未能避免热测法所面临的问题，只能获得77K条件下的测量数据，测量精度较低且时间长，其采用的金属壳体在交流磁场中产生的涡流损耗会严重影响测试精度。
电测法直接测量超导电缆通过的电流和两端的电压，进而计算出超导电缆的交流损耗。由于超导电缆的感抗远大于交流损耗对应的电阻，因此常规电测法通过在电路中串入无感电阻来测量超导电缆传输电流值，并为锁相放大器提供阻性参考信号。但由于超导电缆通常较长，测试时电流信号与电压信号间的相位差接近90度，锁相放大器难以锁定电压信号，进而无法获得交流损耗值。
中国发明专利200710045794.3公布了一种超导带材交流损耗测试装置及方法，其通过计算机控制加载到被试样品上的电流相位，并由锁相放大器同步测量样品上的电压和相位差，进而得到交流损耗。中国发明专利200810244015.7公布了一种超导材料交流损耗移相合成法测量方法和系统，该系统通过信号发生器产生两路可调的信号，分别驱动电流源和作为锁相放大器的参考信号。由于产生的信号相位差已知，因此可以基于此得到交流损耗。但是，以上两种测试装置及方法无法避免长距离超导电缆电感带来的影响，只适用于超导带材短样。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种测量超导电缆交流损耗的装置。本发明通过增加一组与超导电缆电压测试回路并行的辅助测量回路，降低了超导电缆感应电压对测量结果的影响。
本发明的超导电缆交流损耗测量装置包含测试电源、无感电阻、辅助导体、锁相放大器、数字电压表，以及数据采集与处理系统。
所述的测试电源的输出正极通过铜电缆与无感电阻的正极连接，测试电源的输出负极通过铜电缆与待测超导电缆的超导通电导体的负极连接。所述的辅助导体与待测超导电缆中的超导通电导体并行布置并紧密贴合。数字电压表的输入通道正极连接无感电阻的正极，数字电压表的输入通道负极连接无感电阻的负极。锁相放大器的参考信号通道正极连接无感电阻的正极，锁相放大器的参考信号通道负极连接无感电阻的负极。锁相放大器的输入信号通道正极连接待测超导电缆中的超导通电导体电压测量信号线的正极，锁相放大器的输入信号通道负极连接辅助导体引出线的正极。锁相放大器将测得的超导电缆的超导通电导体两端的电压在电流相位上的分量Ux经数字接口发送至数据采集与处理系统。
本发明测试对象超导电缆通常包含杜瓦管和超导通电导体。超导通电导体由多根超导带材沿长度方向连接在一起组成，用于传输电流。本发明交流损耗测量装置用于测量所述的超导通电导体在流过电流时消耗的有功功率。
所述的杜瓦管是能够提供低温保温环境的一种容器，为本领域的基本专业术语，是本领域专业技术人员的公知常识。本发明装置中，杜瓦管用于盛放待测超导通电导体和辅助导体，为待测超导通电导体提供低温冷却环境。
所述的测试电源为常规交流变频电源，用于为被试超导电缆提供电流。本发明采用铜电缆连接测试电源的输出正极与无感电阻的正极，同时采用铜电缆连接测试电源的输出负极与待测超导电缆中超导通电导体的负极。所用的铜电缆额定载流能力需要大于待测超导电缆中超导通电导体拟测量值的最大电流值1.1倍以上。根据测量需要，测试电源的输出频率应为被测电流频率的10倍以上，测试电源的输出电流有效值一般为待测超导电缆拟测量的最大电流值1.25倍以上，测试电源的输出电压有效值一般为待测超导电缆中超导通电导体拟测量的最大电流值对应电压的1.25倍以上。
所述的无感电阻为常规无感电阻。无感电阻是指电感值远小于电阻值的一种电阻，为本领域的基本专业术语，是本领域专业技术人员的公知常识。当无感电阻通过电流时，一般均认为电阻两端的电压相位与电流相位相同。根据测量需要，无感电阻的额定电流有效值一般为待测超导电缆中超导通电导体拟测量的最大电流值1.25倍左右。由于无感电阻的电阻值R可以使用预先测得，通过测量无感电阻两端的电压值U，由电压值U除以电阻值R就得到流过无感电阻的电流I。由于无感电阻与超导电缆串联连接，因此流过无感电阻的电流I即为流过超导电缆超导通电导体的电流。本发明采用铜电缆连接测试电源的输出正极与无感电阻的正极，同时采用铜电缆连接无感电阻的负极与待测超导电缆中超导通电导体的正极。所用的铜电缆额定载流能力需要大于待测超导电缆中超导通电导体拟测量值的最大电流值1.1倍以上。
所述的辅助导体与待测的超导电缆中超导通电导体并行布置，紧密贴合在一起。辅助导体两端的引出线与超导通电导体两端的电压测量信号线在同一位置引出，引出后用一根双绞线分别连接辅助导体引出线的正极和超导通电导体电压测量信号线的正极，用一根双绞线分别连接辅助导体引出线的负极和超导通电导体电压测量信号线的负极。所述的辅助导体采用常规电线或电磁线制作，所采用的常规电线或电磁线的绝缘层需要能够耐受-200℃的低温。所用的常规电线或电磁线的导体截面积为0.01～3.5mm2。
所述的锁相放大器是用于微弱交流信号放大的装置，为本领域的基本专业术语，是本领域专业技术人员的公知常识。在本发明中，锁相放大器用于测量超导电缆两端的电压与流过超导电缆的电流之间的相位差，以及超导电缆两端的电压在电流相位上的分量Ux。常规测试中，由于相位差接近90度，锁相放大器难以捕捉到电压信号。本发明中，采用辅助导体补偿交流损耗测试中超导电缆超导通电导体两端电压信号中的感应电压分量，能够有效降低锁相放大器捕捉电压信号的能力。锁相放大器包含两个通道，分别为参考信号通道和输入信号通道。锁相放大器的参考信号通道正极连接无感电阻的正极，锁相放大器的参考信号通道负极连接无感电阻的负极；锁相放大器的输入信号通道正极连接超导通电导体电压测量信号线的正极，锁相放大器的输入信号通道负极连接辅助导体引出线的正极。
所述的数字电压表为本领域的基本专业术语，是本领域专业技术人员的公知常识。在本发明中，数字电压表用于测量无感电阻两端的电压。数字电压表的输入通道正极连接无感电阻的正极，数字电压表的输入通道负极连接无感电阻的负极。
所述的数据采集与处理系统用于采集锁相放大器和数字电压表的输出信号，并对采集的信号进行解算，从而获得当前时刻超导电缆的交流损耗值。所述的数据采集与处理系统为至少包含一个数字通信接口的计算机，该数字接口需要能够同时和锁相放大器与数字电压表通信，目前使用最广泛的该类仪表通信接口为GPIB总线。采用GPIB电缆将数据采集与处理系统的GPIB总线接口与锁相放大器的GPIB总线接口，采用GPIB电缆将数据采集与处理系统的GPIB总线接口与数字电压表的GPIB总线接口。所述的GPIB(General-PurposeInterfaceBus，通用接口总线)是一种设备和计算机连接的总线，大多数台式仪器是通过GPIB接口与计算机相连，为本领域专业技术人员的公知常识。所述的GPIB电缆为连接GPIB总线接口的一种数据通信电缆，为本领域专业技术人员的公知常识。数字电压表采集的无感电阻电压U，除以预先获得的无感电阻电阻值R，则可以得到流过无感电阻的电流I＝U/R。由于无感电阻与超导电缆的超导通电导体串联连接，因此流过超导电缆的超导通电导体的电流即为流过无感电阻的电流I。锁相放大器将测得的超导电缆的超导通电导体两端的电压在电流相位上的分量Ux经数字接口发送至计算机，由此可以获得此时的有功功率P＝IUx，该值即为超导电缆的瞬时交流损耗。
附图说明
图1超导电缆交流损耗测量装置结构图，图中：1超导电缆、11超导电缆1的杜瓦管、12超导电缆1的超导通电导体、2测试电源、3无感电阻、4辅助导体、5锁相放大器、51锁相放大器5的参考信号通道、52锁相放大器5的输入信号通道、53锁相放大器5的GPIB总线接口、6数字电压表、61数字电压表6的输入通道、62数字电压表6的GPIB总线接口、7数据采集与处理系统、71数据采集与处理系统7的GPIB总线接口；
图2测试得到的超导电缆交流损耗曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的超导电缆交流损耗测量装置包含测试电源2、无感电阻3、辅助导体4、锁相放大器5、数字电压表6、数据采集与处理系统7。
超导电缆1为被测试对象，通常包含杜瓦管11和超导通电导体12。超导电缆1的超导通电导体12由多根超导带材沿长度方向连接在一起组成，用于传输电流。本发明交流损耗测量装置即用于测量超导电缆1的超导通电导体12在流过电流时消耗的有功功率。
所述的超导电缆1的杜瓦管11是能够提供低温保温环境的一种容器，为本领域的基本专业术语，是本领域专业技术人员的公知常识。本发明装置中，超导电缆1的杜瓦管11用于盛放待测超导电缆1的超导通电导体12和辅助导体4，为待测超导电缆1的超导通电导体12提供低温冷却环境。
所述的测试电源2为常规交流变频电源，用于为被试超导电缆1的超导通电导体12提供电流。本发明采用铜电缆连接测试电源2的输出正极与无感电阻3的正极，同时采用铜电缆连接测试电源2的输出负极与待测超导电缆1的超导通电导体12的负极。所用的铜电缆额定载流能力需要大于待测超导电缆1的超导通电导体12拟测量值的最大电流值1.1倍以上。根据测量需要，测试电源2的输出频率应为被测电流频率的10倍以上，测试电源2的输出电流有效值一般为待测超导电缆1的超导通电导体12拟测量的最大电流值1.25倍以上，输出电压有效值一般为待测超导电缆1的超导通电导体12拟测量的最大电流值对应电压的1.25倍以上。
所述的无感电阻3为常规无感电阻。无感电阻3是指电感值远小于电阻值的一种电阻，为本领域的基本专业术语，是本领域专业技术人员的公知常识。当无感电阻3通过电流时，一般均认为电阻两端的电压相位与电流相位相同。根据测量需要，无感电阻3的额定电流有效值一般为待测超导电缆1的超导通电导体12拟测量的最大电流值1.25倍左右。由于无感电阻3的电阻值R可以预先测得，通过测量无感电阻3两端的电压值U，由电压值U除以电阻值R就得到流过无感电阻的电流I。由于无感电阻3与超导电缆1的超导通电导体12串联连接，因此流过无感电阻1的电流I即为流过超导电缆1的超导通电导体12的电流。本发明采用铜电缆连接测试电源2的输出正极与无感电阻3的正极，同时采用铜电缆连接无感电阻3的负极与待测超导电缆1的超导通电导体12的正极。所用的铜电缆额定载流能力需要大于待测超导电缆1的超导通电导体12拟测量值的最大电流值1.1倍以上。
所述的辅助导体4采用常规电线或电磁线制作，其与待测超导电缆1的超导通电导体12并行紧密布置并贴合在一起。所用的常规电线或电磁线的绝缘层需要能够耐受-200℃的低温。所用的常规电线或电磁线的导体截面积为0.01～3.5mm2。辅助导体4两端的引出线与超导电缆1的超导通电导体12两端的电压测量信号线在同一位置引出，引出后用一根双绞线分别连接辅助导体4引出线的正极和超导电缆1的超导通电导体12电压测量信号线的正极，用一根双绞线分别连接辅助导体4引出线的负极和超导电缆1的超导通电导体12电压测量信号线的负极。
所述的锁相放大器5是用于微弱交流信号放大的装置，为本领域的基本专业术语，是本领域专业技术人员的公知常识。在本发明中，锁相放大器5用于测量超导电缆1的超导通电导体12两端的电压与流过超导电缆1的超导电缆通电导体12的电流之间的相位差，以及超导电缆1的超导通电导体12两端的电压在电流相位上的分量Ux。常规测试中，由于相位差接近90度，锁相放大器5难以捕捉到电压信号。本发明中，采用辅助导体4补偿交流损耗测试中超导电缆1的超导通电导体12两端电压信号中的感应电压分量，能够有效提高锁相放大器5捕捉电压信号的能力。锁相放大器5包含两个通道，分别为参考信号通道51和输入信号通道52。锁相放大器5的参考信号通道51正极连接无感电阻3的正极，锁相放大器5的参考信号通道51负极连接无感电阻3的负极；锁相放大器5的输入信号通道52正极连接超导电缆1的超导通电导体12电压测量信号线的正极，锁相放大器5的输入信号通道52负极连接辅助导体4引出线的正极。
所述的数字电压表6为本领域的基本专业术语，是本领域专业技术人员的公知常识。在本发明中，数字电压表6用于测量无感电阻3两端的电压。数字电压表6的输入通道61正极连接无感电阻3的正极，数字电压表6的输入通道61负极连接无感电阻3的负极。
所述的数据采集与处理系统7用于采集锁相放大器5和数字电压表6的输出信号，并对采集的信号进行解算，从而获得当前时刻超导电缆1的交流损耗值。所述的数据采集与处理系统7为至少包含一个数字通信接口的计算机，该数字接口需要能够同时和锁相放大器5与数字电压表6通信，目前使用最广泛的该类仪表通信接口为GPIB总线。采用GPIB电缆将数据采集与处理系统7的GPIB总线接口71与锁相放大器5的GPIB总线接口53，采用GPIB电缆将数据采集与处理系统7的GPIB总线接口71与数字电压表6的GPIB总线接口62。所述的GPIB(General-PurposeInterfaceBus，通用接口总线)是一种设备和计算机连接的总线，大多数台式仪器是通过GPIB接口与计算机相连，为本领域专业技术人员的公知常识。所述的GPIB电缆为连接GPIB总线接口的一种数据通信电缆，为本领域专业技术人员的公知常识。数字电压表6采集的无感电阻3电压U，除以预先获得的无感电阻3电阻值R，则可以得到流过无感电阻3的电流I＝U/R。由于无感电阻3与超导电缆1的超导通电导体12串联连接，因此流过超导电缆1的超导通电导体12的电流即为流过无感电阻3的电流I。锁相放大器5将测得的超导电缆1的超导通电导体12两端的电压在电流相位上的分量Ux经数字接口发送至计算机，由此可以获得此时的有功功率P＝IUx，该值即为超导电缆1的瞬时交流损耗。
在本实施例中，超导电缆1的超导通电导体12采用上海超导公司生产的77K自场下临界电流为200A的YBCO高温超导带材制备。超导电缆1的杜瓦管11为真空绝热管道，管道本体由304不锈钢制备，超导电缆1的超导通电导体12经绝缘后放置于超导电缆1的杜瓦管11的腔体中。测试电源2为安捷伦交流变频电源6813B，其输出功率最大为1750VA，电压输出范围0-300V。无感电阻3为分流器，其标称值为75mV/600A，即测量范围为0-200A，对应电压值为0-75mV。锁相放大器5为美国StandfordResearchSystems公司生产的SR850型交流信号放大器。数字电压表6为美国Keithley公司生产的2000型六位半数字万用表。数据采集与处理系统7为包含GPIB总线接口的普通计算机，包含由LabVIEW2011开发的数据采集与信号处理软件。
图2所示为测试得到的超导电缆1交流损耗曲线图，测试频率为52Hz。图中横坐标表示通过超导电缆1的超导通电导体12的交流电流有效值，单位A；纵坐标表示测得的损耗值，单位为J/m/周期，即每个电流周期内1米超导电缆1对应的发热量，该表示方法为超导材料交流损耗测试中同行通行的表示方法。根据测试结果，可得被测超导电缆1在200A电流条件下的交流损耗约为0.146W/m。

Claims (5)

1.一种超导电缆交流损耗测量装置，其特征在于，所述的超导电缆交流损耗的测量装置包含测试电源(2)、无感电阻(3)、辅助导体(4)、锁相放大器(5)、数字电压表(6)和数据采集与处理系统(7)；所述的测试电源(2)的输出正极通过铜电缆与无感电阻(3)的正极连接，测试电源(2)的输出负极通过铜电缆与待测超导电缆(1)的超导通电导体的负极连接；所述的辅助导体(4)与待测超导电缆(1)中的超导通电导体并行布置紧密贴合；数字电压表(6)的输入通道正极连接无感电阻(3)的正极，数字电压表(6)的输入通道负极连接无感电阻(3)的负极；锁相放大器(5)的参考信号通道正极连接无感电阻(3)的正极，锁相放大器(5)的参考信号通道负极连接无感电阻(3)的负极；锁相放大器(5)的输入信号通道正极连接待测超导电缆(1)中的超导通电导体电压测量信号线的正极，锁相放大器(5)的输入信号通道负极连接辅助导体(4)引出线的正极，锁相放大器(5)将测得的超导电缆的超导通电导体两端的电压在电流相位上的分量Ux经数字接口发送至数据采集与处理系统(7)。
2.按照权利要求1所述的超导电缆交流损耗测量装置，其特征在于，所述的超导电缆(1)包含杜瓦管(11)和超导通电导体(12)；所述的超导通电导体(12)由多根超导带材沿长度方向连接在一起组成；所述的超导通电导体(12)和辅助导体(4)放置在所述的杜瓦管(11)中。
3.按照权利要求1或2所述的超导电缆交流损耗测量装置，其特征在于，所述的辅助导体(4)两端的引出线与超导通电导体(12)两端的电压测量信号线在同一位置引出，引出后用一根双绞线分别连接辅助导体引出线的正极和超导通电导体电压测量信号线的正极，用一根双绞线分别连接辅助导体引出线的负极和超导通电导体电压测量信号线的负极；所述辅助导体(4)用于补偿超导通电导体(12)两端电压信号中的感应电压分量。
4.按照权利要求1所述的超导电缆交流损耗测量装置，其特征在于，所述的铜电缆额定载流能力大于待测的超导电缆(1)的超导通电导体(12)拟测量值的最大电流值1.1倍以上。
5.按照权利要求1所述的超导电缆交流损耗测量装置，其特征在于，所述测试电源(2)的输出频率为被测电流频率的10倍以上；测试电源(2)的输出电流有效值为待测超导电缆(1)的超导通电导体(12)拟测量的最大电流值1.25倍以上；测试电源(2)的输出电压有效值一般为待测超导电缆(1)的超导通电导体(12)拟测量的最大电流值对应电压的1.25倍以上。
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