CN105425073A - 一种高温超导线圈热稳定性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种高温超导线圈热稳定性测试系统，包括：真空密闭腔体，真空密闭腔体内设置有防辐射冷屏，防辐射冷屏内设置有冷盘和温度探头组件；超低温多级制冷机、真空源、电流信号输入端和温度信号输出端均设置于真空密闭腔体外，其中，超低温多级制冷机通过制冷机冷头换热器与冷盘连接，真空源通过真空管道与真空密闭腔体连通，电流信号输入端通过电流信号输入与温度探头组件连接，温度信号输出端通过温度信号输出线与温度探头组件连接。真空、防辐射和制冷的环境，使高温超导线圈的检测维持单一的热交换方式，通过本系统研究高温超导线圈内工作电流与实际温度间的理论关系，为大型高温超导线圈的设计提供理论性、经验性的参考。

Description

一种高温超导线圈热稳定性测试系统

技术领域

本发明涉及超导应用技术领域，特别是涉及一种高温超导线圈热稳定性测试系统。

背景技术

高温超导限流器、磁储能系统、可控电抗器等超导电工系统在电力领域的应用越来越广泛，而大型超导线圈是组成此类电工系统的基本单元，所以超导线圈在超导电工系统的工作中起到很大的作用。

然而，大型超导线圈在动态电流下工作时，会产生交流损耗并形成分布不均匀的发热区，局部过高的热量累积会使器件停止工作，甚至烧毁线圈。由于超导线圈在动态电流下的热稳定性而引起的安全问题，现有技术中并未有相关的测试系统。

因此，了解高温超导线圈在动态电流作用下的动态热稳定性，以及建立高温超导线圈的应用可行性、安全性和经济性的评价标准，对超导电工系统在电力领域的安全、稳定应用起到很大的作用。

发明内容

本发明实施例中提供了一种高温超导线圈热稳定性测试系统，以解决现有技术中的高温超导线圈在动态电流下的热稳定性测试问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明公开了一种高温超导线圈热稳定性测试系统，包括：

真空密闭腔体，所述真空密闭腔体内设置有封闭的防辐射冷屏，所述防辐射冷屏内设置有冷盘和温度探头组件；

超低温多级制冷机，所述超低温多级制冷机设置于所述真空密闭腔体外、且通过制冷机冷头换热器与所述冷盘连接；

真空源，所述真空源设置于所述真空密闭腔体外、且通过真空管道与所述真空密闭腔体连通；

电流信号输入端，所述电流信号输入端设置于所述真空密闭腔体外，所述电流信号输入端通过输入电流引线与所述温度探头组件连接；

温度信号输出端，所述温度信号输出端设置于所述真空密闭腔体外，所述温度信号输出端通过温度信号输出线与所述温度探头组件连接。

优选的，所述高温超导线圈热稳定性测试系统还包括待测试高温超导线圈，所述待测试高温超导线圈通过低温胶固定在所述冷盘上、且与所述温度探头组件连接。

优选的，所述温度探头组件包括多个温度传感器和传感器信号集成端，所述温度传感器与所述待检测高温超导线圈连接，所述传感器信号集成端与所述温度信号传输线连接。

优选的，所述真空源设置为真空泵。

优选的，所述高温超导线圈热稳定性测试系统还包括一外壳，所述真空密闭腔体由所述外壳围绕形成；

所述外壳设置为高机械强度、低透气率以及低热导性结构。

优选的，所述冷盘设置为高热导结构。

优选的，所述电流信号输入端和温度信号输出端设置为真空密封插座结构。

优选的，所述高温超导线圈热稳定性测试系统还包括支架，所述真空密闭腔体设置于所述支架上。

本发明的有益效果包括：本发明提供的高温超导线圈热稳定性测试系统，包括真空密闭腔体、超低温多级制冷机和防辐射冷屏，保证测试环境为真空、防辐射环境，真空环境防止热对流，防辐射环境可以减少热辐射，维持单一的换热方式，使高温超导线圈在动态电流的激励下产生的热量通过热传导的形式传导。制冷环境保证高温超导线圈本身温度维持在77K左右，从而实现优于铜线圈和其他类型线圈的电磁特性。

在上述单一的换热方式下，实际测试高温超导线圈的热稳定性，为大型高温超导线圈的设计提供理论性、经验型的参考，从而保证高温超导限流器、磁储能系统、可控电抗器等超导电工系统中安全、稳定工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高温超导线圈热稳定性测试系统结构示意图；

图1中，符号表示：

1-真空密闭腔体，2-防辐射冷屏，3-支架，4-超低温多级制冷机，5-真空泵真空管道，6-真空源，7-制冷机冷头换热器，8-冷盘，9-低温胶，10-待检测高温超导线圈，11-温度探头组件，12-电流信号输入端，13-输入电流引线，14-温度信号传输线，15-温度信号输出端。

具体实施方式

本发明实施例提供一种高温超导线圈热稳定性测试系统，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

以上是本发明的核心思想，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，图1为本发明实施例提供的一种高温超导线圈热稳定性测试系统结构示意图。

本实施例公开的高温超导线圈热稳定性测试系统包括一真空密闭腔体1，在真空密闭腔体1内设置有防辐射冷屏2，防辐射冷屏2内设置有冷盘8和温度探头组件11。其中真空密闭腔体1是由一外壳围绕形成，外壳设置为高机械强度、低透气率以及低热导性结构，在真空源6的作用下使真空密闭腔体1保证真空且密闭，并且不会与外界产生热量交换。

热交换方式有三种，分别是热对流、热辐射和热传导，本发明应用的是接触制冷方式，属于热传导的一种，而其他两种是本发明不需要的方式，因此，为了防止其他两种传热方式干扰测试结果，需要屏蔽其他两种传热方式。所以，应用真空密闭腔体1可以减少系统内气体，进而降低热对流传热；防辐射冷屏2具有很高的反射率，能够有效阻止外界热源的热辐射。

为了使待检测高温超导线圈10本身在77K左右实现优于铜线圈和其他类型线圈的电磁特性，所以需要检测环境为制冷环境。本实施例中通过在真空密闭腔体1外部设置超低温多级制冷机4实现制冷环境，超低温多级制冷机4通过制冷机换热器与防辐射冷屏2内的冷盘8连接。制冷机冷头换热器7可以是制冷机的换热端，制冷机内部有制冷剂的循环流动，制冷剂能够通过气态、液态的转换，吸收和释放热量。在本发明提供的系统中，制冷机冷头换热器7可以设置为制冷机内制冷剂气化的区域，能够吸收热量。制冷机冷头换热器7本身温度低，而冷盘8由导热性非常好的材料制成，与制冷机冷头换热器7和待检测高温超导线圈10都接触，使待检测高温超导线圈10在动态电流的激励下产生的热量以热传导的形式传递到制冷机冷头换热器7，进而散发到系统外，上述热量流动特征，能够维持和降低待检测高温超导线圈10的工作温度。

为了使待检测高温超导线圈10稳定放置于冷盘8上，可以使用低温胶9将冷盘8与待检测高温超导线圈10连接，低温胶9在低温环境下有良好的粘接性和热传导特性，能够保证待检测高温超导线圈10与冷盘8充分接触制冷。

真空密闭腔体1的真空环境在真空源6的作用下形成，本实施例中真空源6设置为真空泵，真空泵设置在真空密闭腔体1外，且通过真空管道5与真空密闭腔体1连通。

检测待检测高温超导线圈10的热稳定性需要为待检测高温超导线圈10通以动态电流，因此在真空密闭腔体1外设置有电流信号输入端12，电流信号输入端12通过输入电流引线13与防辐射冷屏2中的温度探头组件11连接，温度探头组件11与待检测高温超导线圈10连接。电流信号输入端12保证动态电流信号的输入，输入的动态电流信号通过高温超导线圈，使待检测高温超导线圈10发热。

另外，温度探头组件11通过温度信号输出线与温度信号输出端15连接。温度探头组件11包括多个温度传感器和传感器信号集成端，其中温度传感器设置在待检测高温超导线圈10的不同位置，可以检测分布在待检测高温超导线圈10不同位置的温度变化，传感器信号集成端与温度信号传输线14连接，将集成的温度信号传输给温度信号输出端15，最后温度信号输出端15将温度信号输出。

为了保证真空密闭腔体1内的气密性，电流线号输入端和温度信号输出端15均由真空密闭插座制成。本实施例中还设置有支架3，支架3用以支撑本测试系统。

导线在绕制成线圈时会经历很多工艺，因此不同的线圈本身的磁场不同，本发明提供的高温超导线圈测试系统可用来研究导线绕制成线圈后，线圈所通工作电流和线圈每个时刻的实际温度之间的关系，所以，待检测高温超导线圈10内导线的临界电流和适宜的工作温度是已知的。

对于某一种类型线圈，它的通流过大，会导致线圈局部的热量集中，制冷环境无法给予及时的散热，在很大程度上使线圈局部温度升高，温度升高会降低局部导线的通流能力，使局部产热更加多，因此会从局部引起整个线圈被烧毁。本测试系统用以研究工作电流与实际温度间的一个理论关系，建立电流与实际温度变化关系模型，进而就能通过已知的参数预测线圈不损坏的最大工作电流，并通过本测试系统再次验证。

通过上述验证，就可以放心将线圈放置在高温超导限流器、磁储能系统、可控电抗器等超导电工系统中。

本发明提供的高温超导线圈热稳定性测试系统的使用过程如下：

首先将真空密闭腔体1、超低温多级制冷机4放置在测试系统的支架3上，打开真空密闭腔体1将防辐射冷屏2放在真空密闭腔体1内的中心区域，将超低温多级制冷机4放置在真空密闭腔体1外，打开真空密闭腔体1，将制冷机冷头换热器7的一端与超低温多级制冷机4连接，另一端与防辐射冷屏2内的冷盘8，通过低温胶9连接，同时，利用低温胶9将布有温度探头组件11的的待检测高温超导组件固定在冷盘8上，通过输入电流信号将外部的电流信号输入端12与温度探头组件11连接，以及通过温度信号输出线将真空腔体外部的温度信号输出端15于温度探头组件11连接。

然后将真空腔体各位置密封好，利用真空泵将气压抽至指定数值。开启超低温多级制冷机4，对防辐射冷屏2内部进行制冷，达到待检测高温超导线圈10测试所需的指定温度，利用冷盘8与制冷机冷头换热器7接触制冷换热，将待检测高温超导线圈10产生的热量以热传导的形式传递到制冷机冷头换热器7的冷头，进而将热量散发到系统外的环境，从而维持待检测高温超导线圈10的工作温度。

控制电流信号输入端12的电流输入，同时温度探头组件11采集待检测高温超导线圈10的温度，并通过温度信号传输线14将温度传输给温度信号输出端15，从而获取不同时刻高温超导线圈不同位置的温度，即可测得线圈的动态热稳定性。通过换用不同缺陷的待检测高温超导线圈10，并改变超低温多级制冷机4的目标制冷温度，能够检测不同缺陷及制冷条件下的待检测高温超导线圈10温度变化及稳态分布。

由上述实施例可见，本发明公开的高温超导线圈热稳定性测试系统，能够在不同真空度、不同制冷条件下，对多种规格的高温超导线圈的温度变化和分布进行有效的测量，集成度高且操作方便。另外热传导方式单一，有效排除热对流和热辐射的热交换方式，仅通过热传导方式进行传热，很大程度上避免了热对流和热辐射对制冷工况的干扰，最大限度保证带检测高温超导线圈的测试环境与作为电工系统基本单元的实际环境相接近。

通过本测试系统研究导线绕成线圈以后，线圈所通工作电流和线圈每个时刻的实际温度之间的关系，进而预测线圈不损坏的最大工作电流，并通过测试系统验证，建立高温超导线圈的应用可行性、安全性和经济性的评价标准。通过以上的原理，本系统可用在高温超导线圈的研发机构，也可用于将高温超导线圈作为基本单元的高温超导限流器、磁储能系统、可控电抗器等超导电工系统的研发、维护等工作中。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种高温超导线圈热稳定性测试系统，其特征在于，包括：

真空密闭腔体(1)，所述真空密闭腔体(1)内设置有封闭的防辐射冷屏(2)，所述防辐射冷屏(2)内设置有冷盘(8)和温度探头组件(11)；

超低温多级制冷机(4)，所述超低温多级制冷机(4)设置于所述真空密闭腔体(1)外、且通过制冷机冷头换热器(7)与所述冷盘(8)连接；

真空源(6)，所述真空源(6)设置于所述真空密闭腔体(1)外、且通过真空管道(5)与所述真空密闭腔体(1)连通；

电流信号输入端(12)，所述电流信号输入端(12)设置于所述真空密闭腔体(1)外，所述电流信号输入端(12)通过输入电流引线(13)与所述温度探头组件(11)连接；

温度信号输出端，所述温度信号输出端设置于所述真空密闭腔体(1)外，所述温度信号输出端通过温度信号输出线(15)与所述温度探头组件(11)连接。

2.根据权利要求1所述的高温超导线圈热稳定性测试系统，其特征在于，所述高温超导线圈热稳定性测试系统还包括待测试高温超导线圈，所述待测试高温超导线圈通过低温胶(9)固定在所述冷盘(8)上、且与所述温度探头组件(11)连接。

3.根据权利要求2所述的高温超导线圈热稳定性测试系统，其特征在于，所述温度探头组件(11)包括多个温度传感器和传感器信号集成端，所述温度传感器与所述待检测高温超导线圈(10)连接，所述传感器信号集成端与所述温度信号传输线(14)连接。

4.根据权利要求1所述的高温超导线圈热稳定性测试系统，其特征在于，所述真空源(6)设置为真空泵。

5.根据权利要求1所述的高温超导线圈热稳定性测试系统，其特征在于，所述高温超导线圈热稳定性测试系统还包括一外壳，所述真空密闭腔体(1)由所述外壳围绕形成；

所述外壳设置为高机械强度、低透气率以及低热导性结构。

6.根据权利要求1所述的高温超导线圈热稳定性测试系统，其特征在于，所述冷盘(8)设置为高热导结构。

7.根据权利要求1所述的高温超导线圈热稳定性测试系统，其特征在于，所述电流信号输入端(12)和温度信号输出端设置为真空密封插座结构。

8.根据权利要求1所述的高温超导线圈热稳定性测试系统，其特征在于，所述高温超导线圈热稳定性测试系统还包括支架(3)，所述真空密闭腔体(1)设置于所述支架(3)上。