CN105277798A - 一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述超导单元与补偿线圈中的初级线圈串联，所述补偿线圈中的次级线圈的电压信号与所述数据采集仪相连。所述方法包括以下步骤：(1)调整所述初级线圈和所述次级线圈的位置，确定该位置下，所述初级线圈与所述次级线圈的互感；(2)确定所述超导单元的端电压和次级线圈的补偿电压；(3)判断所述端电压与补偿电压之差的相位与回路电流的相位是否相同；若相同则继续步骤(4)，若不同则返回步骤(1)；(4)确定超导单元交流损耗。该方法通过对补偿线圈中初次级线圈的位置调节和高精度数字采集和处理，实时、准确测量超导单元在交变电流或变化磁场下交流损耗。

Description

一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法

技术领域：

本发明涉及一种超导单元交流损耗补偿测量方法，更具体涉及一种基于电压补偿的高温超导单元交流损耗补偿测量方法。

背景技术：

自20世纪60年代非理想第二代超导体NbTi、Nb₃Sn等相继发现以来，国际上就对超导材料在电力上的应用给予很大的关注，但由于超导线在工频下运行存在较大的交流损耗，因此在相当一段时间内，超导技术在工频电力装备中的应用研究发展缓慢。20世纪90年代末，高温超导材料的制备取得了重大突破，超导材料性能获得了不断地完善和提高，极大促进了超导应用技术的研究。目前，采用PIT制备、长1.0-2.0km的Ag(或Ag-Alloy)基底铋(Bi)系多芯复合超导带的技术已经比较成熟，特别是近几年来，钇系(YBCO或NdBCO)涂层导体成为高温超导材料的重要发展方向。为了实现其在高温超导电力设备中的应用，高温超导体交流损耗特性成为重要研究内容之一。

从物理本质上讲，交流损耗可分为磁滞损耗、涡流损耗和耦合损耗。工频下，高温超导体的交流损耗以磁滞损耗为主。所谓磁滞损耗主要是指：超导体在传输交流电流或处于交变磁场中时，量子化磁通线不断切割超导体，克服超导体内的磁通钉扎势及表面势垒的阻碍而做功，从而产生的损耗。

目前，对高温超导体交流损耗的实验研究，已发展了多种测量方法，如热测法、电测法和磁测法。这三种方法中，电测法操作简单，测试速度快，是目前测量高温超导体交流损耗的最常用方法。

电测法，也叫传输电流法，通过测量传输电流，以及高温超导单元上与传输电流同相位的电压分量来计算传输交流损耗。此方法的关键技术就是如何区分出超导单元的感性电压和阻性电压。传统的方法是用锁相放大器测量超导单元电压信号(U_S)与传输电流(I_S)的相位差(θ)，然后利用公式P＝U_S ^*I_S ^*cosθ即可算出超导单元的传输交流损耗。锁相放大器的参考信号来自串联在超导回路中的一个纯阻性电阻，但在工频大电流的情况下，此参考信号的质量不高，且受外界干扰太大，最终采集的电流频率和相位都严重不稳，容易导致锁相放大器“失锁”，从而也无法精确测得电压和电流信号的相位差，最终无法获得高温超导单元的交流损耗值。此外，锁相放大器属于精密仪器，价格昂贵，在进行超导单元的大电流电测量时，容易造成测量电压超量程并造成仪器损坏。

针对超导单元在大载流下的交流损耗测试，为了准确测得超导单元阻性电压分量，本发明提出一种利用补偿线圈互感产生的补偿电压来抵消超导单元感性电压的技术方案，从而获得阻性电压分量，最终实现安全可靠的交流损耗测量。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，该方法通过补偿线圈中初次级线圈的位置调节和高精度数字采集及处理，实时、准确测量超导单元在交变电流或变化磁场下交流损耗。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，包括以下步骤：

(1)调整所述初级线圈和所述次级线圈的位置，确定该位置下，所述初级线圈与所述次级线圈的互感M；

(2)确定所述超导单元的端电压V_s和次级线圈的补偿电压V_c；

(3)判断所述端电压V_s与补偿电压V_c之差的相位与回路电流I的相位是否相同；若相同则继续步骤(4)，若不同则返回步骤(1)；

(4)确定超导单元交流损耗。

本发明提供的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述超导单元与补偿线圈中的初级线圈串联，所述补偿线圈中的次级线圈的电压信号线与所述数据采集仪相连；

所述超导单元的电压信号线通过数据采集仪与电脑连接，所述数据采集仪将超导单元的端电压V_s和回路电流传至所述电脑。

本发明提供的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述步骤(1)中互感M的确定过程为：

确定所述超导单元的电感值并根据该电感值确定所述初级线圈和次级线圈的尺寸和匝数；从而使所述初级线圈与次级线圈的互感值完全包含所述超导单元的电感值。

本发明提供的另一优选的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述所述步骤(2)中的

V_S＝IR_S+jwL_SI(1)

其中，I为超导单元的回路电流，R_S为超导单元的电阻，ω＝2πf，f为回路电流I频率，L_s为超导单元的电感。

本发明提供的再一优选的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述步骤(2)中的补偿电压V_c通过所述数据采集仪测得，并通过下式确定：

V_C＝jwMI(2)

其中，ω＝2πf，f为回路电流I频率，M为初级线圈与所述次级线圈的互感，I为回路电流。

本发明提供的又一优选的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述步骤(3)中所述端电压V_s与补偿电压V_c之差为：

U_r＝V_S-V_C＝jwI(L_S-M)+IR_S(3)

其中，当L_S＝M，即补偿电压V_c与超导单元的感性电压分量U_i相等时，V_S-V_C的值即为超导单元的阻性电压分量U_r。

本发明提供的又一优选的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述步骤(4)中的交流损耗通过下式确定：

Q_Loss＝I²R_S＝(V_S-V_C)×I(4)

其中，I为回路电流，R_S为超导单元电阻，Vs为超导单元的端电压，V_c为补偿电压。

本发明提供的又一优选的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述步骤(3)中当所述端电压Vs与补偿电压V_c之差的相位与所述电流I的相位不相同时，通过所述步骤(1)中调节所述补偿电压Vc。

本发明提供的又一优选的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述补偿电压Vc通过改变所述初级线圈与次级线圈的相对位置进行调节。

本发明提供的又一优选的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述超导单元的回路电流I通过罗科夫斯基线圈，基于电磁感应定律进行测量。

本发明提供的又一优选的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述罗科夫斯基线圈、所述超导单元、初级线圈和交流电源串联；所述罗科夫斯基线圈与数据采集仪连接。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明通过采用数字采集系统和精确位置调节系统，从而使补偿后的超导单元电压值与其电流值同相，达到快速准确测量超导单元交流损耗的目的；

2、本发明的测试方法新颖，操作方便；

3、本发明利用次级线圈的电压分量直接补偿超导单元的感性电压，跟传统的锁相法相比，消除了锁相放大器由于参考信号不稳而造成的“失锁”现象，同时避免了实验中过电压对锁相放大器的损害，实验安全和可靠性大大提高；

4、本发明可以用于各种超导单元的交流损耗测量，特别适用于通有大电流(上千安培)的超导电缆交流损耗测量。

附图说明

图1为本发明的方法原理图；

图2为本发明的超导单元电压和电流的向量图示意图；

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-3所示，本例的发明高温超导单元交流损耗补偿测量方法，所述超导单元的电压信号线通过数据采集仪与电脑连接，所述数据采集仪将超导单元的端电压V_s和回路电流传至所述电脑；所述超导单元与补偿线圈中的初级线圈串联，所述补偿线圈中的次级线圈的电压信号线与所述数据采集仪相连；

所述方法包括以下步骤：(1)调整所述初级线圈和所述次级线圈的位置，确定该位置下，所述初级线圈与所述次级线圈的互感M；

(2)确定所述超导单元的端电压V_s和次级线圈的补偿电压V_c；

(3)判断所述端电压V_s与补偿电压V_c之差的相位与回路电流I的相位是否相同；若相同则继续步骤(4)，若不同则返回步骤(1)；

(4)确定超导单元交流损耗。

所述步骤(1)中互感M的确定过程为：

确定所述超导单元的电感值并根据该电感值确定所述初级线圈和次级线圈的尺寸和匝数；从而使所述初级线圈与次级线圈的互感值完全包含所述超导单元的电感值。

所述所述步骤(2)中的

V_S＝IR_S+jwL_SI(1)

其中，I为超导单元的回路电流，R_S为超导单元的电阻，ω＝2πf，f为回路电流I频率，L_s为超导单元的电感。

所述步骤(2)中的补偿电压V_c通过所述数据采集仪测得，其通过下式确定：

V_C＝jwMI(2)

其中，ω＝2πf，f为回路电流I频率，M为初级线圈与所述次级线圈的互感，I为回路电流。

所述步骤(3)中所述端电压V_s与补偿电压V_c之差为：

U_r＝V_S-V_C＝jwI(L_S-M)+IR_S(3)

其中，当L_S＝M，即补偿电压V_c与超导单元的感性电压分量U_i相等时，V_S-V_C的值即为超导单元的阻性电压分量U_r。所述步骤(4)中的交流损耗通过下式确定：

Q_Loss＝I²R_S＝(V_S-V_C)×I(4)

其中，I为回路电流，R_S为超导单元电阻，Vs为超导单元的端电压，V_c为补偿电压。

所述步骤(3)中当所述端电压Vs与补偿电压V_c之差的相位与所述电流I的相位不相同时通过所述步骤(1)中调节所述补偿电压Vc直到补偿电压满足相位判断条件为止。

所述补偿电压Vc通过改变所述初级线圈与次级线圈的相对位置进行调节。相对位置包括间隙、轴向位置等，将初级线圈与次级线圈间的互感值精确控制在一定范围内，这个互感电压的范围正好与待测超导单元的感性电压分量进行匹配。

所述超导单元的回路电流I通过罗科夫斯基线圈(简称罗氏线圈)，基于电磁感应定律进行测量。

所述罗科夫斯基线圈、所述超导单元、初级线圈和交流电源串联在同一回路中；所述罗科夫斯基线圈与数据采集仪连接。所述超导单元和次级线圈的电压因其幅值较小，一般为毫伏级别，需采用高精度数字采集仪测量电压，从而实现电压分量的精确测试。

所述超导单元通常既有电感又有一定量的电阻，其电压超前电流一个角度θ(θ小于90度)。超导单元电压和电流的向量图见附图2。当超导单元为超导电缆时，由于其电感值太小造成感性电压(U_i)太小，并且与阻性电压(U_r)相比，比值也较小，导致较难区分出感性电压，给精确测量交流损耗带来较大难度。为此，所提出的该方法具有通用性，可适用于不同类型的超导单元，如超导线圈，超导电缆等。

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，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)调整所述初级线圈和所述次级线圈的位置，确定该位置下，所述初级线圈与所述次级线圈的互感M；

(2)确定所述超导单元的端电压V_s和次级线圈的补偿电压V_c；

(3)判断所述端电压V_s与补偿电压V_c之差的相位与回路电流I的相位是否相同；若相同则继续步骤(4)，若不同则返回步骤(1)；

(4)确定超导单元交流损耗。

2.如权利要求1所述的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：所述超导单元与补偿线圈中的初级线圈串联，所述补偿线圈中的次级线圈的电压信号线与所述数据采集仪相连；

所述超导单元的电压信号线通过数据采集仪与电脑连接，所述数据采集仪将超导单元的端电压V_s和回路电流I传至所述电脑。

3.如权利要求1所述的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中互感M的确定过程为：

确定所述超导单元的电感值并根据该电感值确定所述初级线圈和次级线圈的尺寸和匝数；从而使所述初级线圈与次级线圈的互感值完全包含所述超导单元的电感值。

4.如权利要求3所述的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：所述所述步骤(2)中的

V_S＝IR_S+jwL_SI(1)

其中，I为超导单元的回路电流，R_S为超导单元的电阻，ω＝2πf，f为回路电流I频率，L_s为超导单元的电感。

5.如权利要求4所述的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中的补偿电压V_c通过所述数据采集仪测得，并通过下式确定：

V_C＝jwMI(2)

其中，ω＝2πf，f为回路电流I频率，M为初级线圈与所述次级线圈的互感，I为回路电流。

6.如权利要求5所述的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述端电压V_s与补偿电压V_c之差为：

U_r＝V_S-V_C＝jwI(L_S-M)+IR_S(3)

其中，当L_S＝M，即补偿电压V_c与超导单元的感性电压分量U_i相等时，V_S-V_C的值即为超导单元的阻性电压分量U_r。

7.如权利要求4所述的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中的交流损耗通过下式确定：

Q_Loss＝I²R_S＝(V_S-V_C)×I(4)

其中，I为回路电流，R_S为超导单元电阻，Vs为超导单元的端电压，V_c为补偿电压。

8.如权利要求1所述的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中当所述端电压Vs与补偿电压V_c之差的相位与所述电流I的相位不相同时通过所述步骤(1)中调节所述补偿电压Vc。

9.如权利要求8所述的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：所述补偿电压Vc通过改变所述初级线圈与次级线圈的相对位置进行调节。

10.如权利要求4所述的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：所述超导单元的回路电流I通过罗科夫斯基线圈，基于电磁感应定律进行测量。

11.如权利要求10所述的一种高温超导单元交流损耗补偿测量方法，其特征在于：所述罗科夫斯基线圈、所述超导单元、初级线圈和交流电源串联；所述罗科夫斯基线圈与数据采集仪连接。