CN106018972A - 在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置和方法 - Google Patents

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李光熹
张慧媛
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Abstract

本发明公开了属于超导材料检测技术领域的一种在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置和方法。测试高温超导带材交流损耗的装置包括交流背场磁体、三相程控交流电源、降压变压器、霍尔电流传感器、高温超导带材、补偿线圈、拾波线圈、电势引线、数字表、示波器、锁相放大器及其保护装置及计算机，该计算机提供系统控制、数据采集及处理系统；测试方法是利用传统四引线法测量电流传输损耗，利用拾波线圈测量外场损耗，将两者相加即得到交流背场下高温超导带材的总交流损耗。从而能准确测量出超导带材的交流传输损耗。本发明的测量设备简单、操作简洁、测量速度快、灵敏度高，对于研究高温超导带材的交流损耗具有重要价值。

Description

在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置和方法
技术领域
本发明属于超导材料检测技术领域，特别涉及一种在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置和方法。
背景技术
未来电网的建设和发展是一个需要从多学科、多角度、多层次综合交叉研究的问题，对于高新技术、设备的需求更加迫切。而超导电力技术正是能满足这些需求的高新技术，这使得它具备重要的经济战略地位。
高温超导材料是一种具有巨大潜在应用和商业价值的新材料，目前已经在很多应用领域有了突破性和实质性的进展，例如电网、航天、交通等等，这标志着超导材料的实用化已经成为高科技领域内关注的重点。
目前，交流应用是高温超导材料实际应用中最普遍、最广泛的情况，也是超导应用中最重要的方向之一。由于结构特点、加工工艺的原因，实用高温超导体内部会存在大量的晶界、位错、空位等点阵缺陷和不均匀性。这些缺陷对磁通线有吸引和排斥作用，从而导致磁通线化学势产生局部变化，通常称这种作用为磁通钉扎。而在传输交流电流或处于变化磁场时，热激活和电磁力的作用会使得高温超导体内部的磁通克服磁通钉扎不断的进出超导体，从而导致了电磁能量的损耗，也就是交流损耗。
交流损耗是设计超导装置时应考虑的一个重要因素，它的存在不仅会增加制冷系统的负担，降低经济性，而且会降低高温超导装置的稳定性、运行效率，给电网造成不必要的损失。故而只有当交流损耗足够低时，高温超导电力技术才能很好的体现出其优越性。
研究高温超导涂层导体的交流损耗产生机制、各向异性以及频率依赖性等问题有助于探索如何在工程技术上实现制备低损耗、高电流的超导材料，对于高温超导电力技术的发展具有重要意义。
目前对于交流背景磁场下高温超导体交流损耗的测量一般都采用热测法来测量，然而热测法的缺点和局限性较为明显：1)设备复杂，实验条件严格；2)测量耗时较长；3)受到低温温度传感器灵敏度的限制，测量精度较低；4)需要样品产生的损耗足够大以引起明显的温升；5)带材的长度要适中，过长或过短都会影响测量精确性；6)存在漏热问题。而与热测法相比，电测法由于其操作简单、测量速度快、灵敏度高等优点而在实际工程中应用广泛，成为目前测量高温超导体交流特性的主流方法。然而电测法在测量交流背场下高温超导带材的交流损耗时，必须保证交流外场与传输电流同频、同相，并且容易受到外界电磁环境的干扰，所以也有较大的局限性。
所以，需要发明一种对交流背场下高温超导带材交流损耗的测量方法和装置，并要求即易于搭建、操作简单，同时测量频率范围满足交流损耗研究中的测量要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置和方法，其特征在于，在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置包括交流背场磁体、三相程控交流电源、降压变压器、霍尔电流传感器、高温超导带材、补偿线圈、拾波线圈、电势引线、数字表、示波器、锁相放大器及其保护装置及计算机，该计算机提供系统控制、数据采集及处理系统；其中计算机分别连接数字表、两个锁相放大器；数字表与A相电流传感器Ⅰ连接，A相电流传感器Ⅰ再分别与三相程控交流电源的A相连接的单相降压变压器、高温超导带材及示波器；三相程控交流电源的B相连接B相电流传感器Ⅱ，B相电流传感器Ⅱ分别连接第一交流背场磁体1及示波器；三相程控交流电源的C相连接C相电流传感器Ⅲ，C相电流传感器Ⅲ分别连接第三交流背场磁体2及示波器；第一交流背场磁体1与第二交流背场磁体1′连接组成一对；第三交流背场磁体2与第四交流背场磁体2′连接连接组成另一对，第二交流背场磁体1′与第四交流背场磁体2′连接的共用电缆穿过补偿线圈中心后与高温超导带材连接；每个锁相放大器分别连接左右两个保护装置，两个左保护装置并联在数字表上；两个右保护装置中一个与电势引线连接；另一个与拾波线圈和补偿线圈连接。
所述交流背场磁体为亥姆霍兹线圈，两对亥姆霍兹线圈相互垂直放置，提供交流背场。
所述亥姆霍兹线圈通过提供不同大小的电流，能实现交流背场的大小和角度都能连续可调。
所述交流背场磁体、高温超导带材、电势引线、拾波线圈浸没在液氮中。
测量装置采用单相降压变压器来降低主回路电压、提高主回路电流，并且能起到电磁隔离的作用，衰减源端的高次谐波，使测量装置更加精确。
所述电势引线、拾波线圈和补偿线圈引线均采用多根铜线绕绞而成的圆形截面导线，该圆形截面导线作为电流传输母线，减小测量过程中对补偿线圈的影响，提高系统的测量精度。
所述高温超导带材上的电压降落都由锁相放大器测量得到，并且以霍尔电流传感器的信号为参考信号，由于锁相放大器为非常精密且容易损坏的实验设备，采用保护装置来限制其输入信号的大小。
一种在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的方法，根据电磁场理论分析，在传输交流电流或其处于交变磁场中的情况下，超导体的交流损耗包括变化的磁场引起的外场损耗，和由传输电流造成的传输损耗；其特征在于，测试高温超导带材的交流损耗包括采用四引线法测量电流传输损耗、采用拾波线圈测量外场损耗，将两者相加即得到交流背场下高温超导带材的总交流损耗；
交变磁场会引起超导体内的磁通线克服磁通钉扎势和表面势垒不断运动，从而在超导体中产生感应电场，使得超导体呈阻性，而这个阻性损耗就是要测量的交流损耗；利用电势引线配合锁相放大器测得交流电流导致的阻性电压降VT，则单位长度的高温超导带材每周期的交流传输损耗QT(J/m/cycle)通过下式计算出：
Q T = P f = I T V T l f - - - ( 1 )
式(1)中，P——超导带材单位长度的交流损耗(W/m)；
f——传输交流电流的频率(Hz)；
IT——超导带材的传输电流有效值(A)；
VT——交流电流引起的超导带材的电压降有效值(V)；
l——超导带材电压引线焊点之间的距离(m)；
拾波线圈平行放置于高温超导带材上，则利用拾波线圈配合锁相放大器测得交流背场导致的阻性电压降VM，单位长度的高温超导带材每周期的交流外场损耗Q(J/m/cycle)通过下式计算出：
Q M = πW P B a V M 2 L P f - - - ( 2 )
式(2)中，WP——拾波线圈的宽度(m)；
LP——拾波线圈的长度(m)；
Ba——交流背场的磁感应强度有效值(T)；
VM——交流背场引起的超导带材的电压降落有效值(V)；
f——传输交流电流的频率(Hz)；
则交流背场下高温超导带材的总交流损耗为:
QTotal＝QT+QM (3)
由于在传输交流电流时高温超导带材的感性电压分量相对于阻性电压分量很大，所以电压VT与电流IT之间的相位差接近90°；此时即使是很小的角度误差Δθ也会引起较大的测量误差，这将对交流损耗的测量造成很大的干扰；因此在测量装置中采用多根铜线绕绞而成的圆形截面引线和补偿线圈来补偿感性电压分量使相位差尽量减小，以此来提高测量精度，从而能准确测量出超导带材的交流传输损耗。
所述测量装置中的电流传感器不仅为锁相放大器提供参考信号，配合数字表来测量高温超导带材传输的交流电流的大小，还接入到示波器上观察3条支路电流的相位，并配合交流电源来调节三相输出的相位使得交流背场与高温超导带材的传输交流电流同频、同相。
本发明的有益效果是在测量装置中采用多根铜线绕绞而成的圆形截面引线和补偿线圈来补偿感性电压分量使相位差尽量减小，以此来提高测量精度，从而能准确测量出超导带材的交流传输损耗。适用于所有交流背场下高温超导带材交流损耗的测量。本发明的测量设备简单、操作简洁、测量速度快、灵敏度高，对于研究高温超导带材的交流损耗具有重要价值。
附图说明
图1为交流背场下高温超导带材交流损耗的测量装置示意图。
图2为交流背场磁体示意图。图中1‐1'和2‐2'为两对相互垂直放置的亥姆霍兹线圈磁体，3为高温超导带材的截面。
具体实施方式
本发明提供一种在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置和方法，下面结合图1和图2对本发明作详细说明。
图1所示为交流背场下高温超导带材交流损耗的测量装置示意图。
在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置包括交流背场磁体、三相程控交流电源、降压变压器、霍尔电流传感器、高温超导带材、补偿线圈、拾波线圈、电势引线、数字表、示波器、锁相放大器及其保护装置及计算机，该计算机提供系统控制、数据采集及处理系统；其中计算机分别连接数字表、两个锁相放大器；数字表与A相电流传感器Ⅰ连接，A相电流传感器Ⅰ再分别与三相程控交流电源的A相连接的单相降压变压器、高温超导带材及示波器；三相程控交流电源的B相连接B相电流传感器Ⅱ，B相电流传感器Ⅱ分别连接第一交流背场磁体1及示波器；三相程控交流电源的C相连接C相电流传感器Ⅲ，C相电流传感器Ⅲ分别连接第三交流背场磁体2及示波器；第一交流背场磁体1与第二交流背场磁体1′连接组成一对；第三交流背场磁体2与第四交流背场磁体2′连接连接组成另一对，第二交流背场磁体1′与第四交流背场磁体2′连接的共用电缆穿过补偿线圈中心后与高温超导带材连接；每个锁相放大器分别连接左右两个保护装置，两个左保护装置并联在数字表上；两个右保护装置中一个与电势引线连接；另一个与拾波线圈和补偿线圈连接。
图2所示为交流背场磁体示意图。图中1‐1'和2‐2'为两对相互垂直放置的亥姆霍兹线圈(交流背场磁体)，S为高温超导带材的截面，即第一交流背场磁体1与第二交流背场磁体1′连接组成一对；第三交流背场磁体2与第四交流背场磁体2′连接连接组成另一对，第二交流背场磁体1′与第四交流背场磁体2′连接的共用电缆穿过补偿线圈中心后与高温超导带材连接。
本测量装置的关键在于精确地把超导带材电压降落中的阻性分量这一微弱的电压信号从复杂的电磁信号中提取出来。锁相放大器可以在复杂的电磁环境中提取出与参考信号同频、同相位的电压信号，所以采用锁相放大器来测量该阻性分量。其工作原理是将被测信号与参考信号进行频率和相位的比较后，只输出与参考信号同频(或者倍频)且同相位的信号分量。锁相放大器的测量精度理论上可以达到纳伏数量级，可以满足交流损耗测量的要求。
因为锁相放大器测量的都是小信号，所以其输入电压信号端口的额定电压较低。如果在使用过程中输入的电压信号超过额定值或者较强的静电作用下都有可能损坏。鉴于该设备是非常精密而且容易损坏的实验设备，同时也是实验测量平台的核心设备，故采用锁相放大器保护装置来限制其输入信号的大小。
由一个可变频三相交流电源为测量装置供电，该交流电源为可程控电源，能分别调节三相输出的相位。其中A相提供主电路电流，为了达到测量需要的电流值，本测量装置采用单相降压变压器来和交流电源配合以达到降低主回路电压、提高主回路电流的目的。除此之外，降压变压器还有着电磁隔离的作用，能衰减源端的高次谐波，使测量系统更加精确。B相和C相为交流背场磁体供电。
本测量装置使用的电流传输母线采用多根铜线绕绞而成的圆形截面导线，能减小传输电流在传输母线截面上的涡流损耗，这将减小测量过程中对补偿线圈的影响，提高系统的测量精度。
一种在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的方法，根据电磁场理论分析，在传输交流电流或其处于交变磁场中的情况下，超导体的交流损耗包括变化的磁场引起的外场损耗，和由传输电流造成的传输损耗；其特征在于，测试高温超导带材的交流损耗包括采用四引线法测量电流传输损耗、采用拾波线圈测量外场损耗，将两者相加即得到交流背场下高温超导带材的总交流损耗；
交变磁场会引起超导体内的磁通线克服磁通钉扎势和表面势垒不断运动，从而在超导体中产生感应电场，使得超导体呈阻性，而这个阻性损耗就是要测量的交流损耗；利用电势引线配合锁相放大器测得交流电流导致的阻性电压降VT，则单位长度的高温超导带材每周期的交流传输损耗QT(J/m/cycle)通过下式计算出：
Q T = P f = I T V T l f - - - ( 1 )
式(1)中，P——超导带材单位长度的交流损耗(W/m)；
f——传输交流电流的频率(Hz)；
IT——超导带材的传输电流有效值(A)；
VT——交流电流引起的超导带材的电压降有效值(V)；
l——超导带材电压引线焊点之间的距离(m)；
拾波线圈平行放置于高温超导带材上，则利用拾波线圈配合锁相放大器测得交流背场导致的阻性电压降VM，单位长度的高温超导带材每周期的交流外场损耗Q(J/m/cycle)通过下式计算出：
Q M = πW P B a V M 2 L P f - - - ( 2 )
式(2)中，WP——拾波线圈的宽度(m)；
LP——拾波线圈的长度(m)；
Ba——交流背场的磁感应强度有效值(T)；
VM——交流背场引起的超导带材的电压降落有效值(V)；
f——传输交流电流的频率(Hz)；
则交流背场下高温超导带材的总交流损耗为:
QTotal＝QT+QM (3)
由于在传输交流电流时高温超导带材的感性电压分量相对于阻性电压分量很大，所以电压VT与电流IT之间的相位差接近90°；此时即使是很小的角度误差Δθ也会引起较大的测量误差，这将对交流损耗的测量造成很大的干扰；因此在测量装置中采用多根铜线绕绞而成的圆形截面引线和补偿线圈来补偿感性电压分量使相位差尽量减小，以此来提高测量精度，从而能准确测量出超导带材的交流传输损耗。
所述测量装置中的电流传感器不仅为锁相放大器提供参考信号，配合数字表来测量高温超导带材传输的交流电流的大小，还接入到示波器上观察3条支路电流的相位，并配合交流电源来调节三相输出的相位使得交流背场与高温超导带材的传输交流电流同频、同相。
补偿线圈的工作原理是利用补偿线圈和主回路传输母线耦合感应出的感性电压分量对锁相放大器的测量信号(即超导带材的电压降落)进行补偿，从而抵消部分高温超导带材的感性电压分量，减小电压V与电流I之间的相位差θ，从而达到减小实验测量误差的目的。理想情况是补偿线圈只补偿纯感性电压分量，如果补偿信号中含有阻性电压分量，将会给测量带来新的误差。然而在实验测量过程中，补偿线圈很容易受到外界电磁环境的干扰。交流电源、变压器、以及传输电流母线附近的金属设备等，都会干扰补偿线圈产生阻性电压分量，对测量造成较大困难。因此，在实验过程中补偿线圈需要进行电磁屏蔽，或使其远离干扰源。
测量装置的交流背场磁体为2对相互垂直放置的亥姆霍兹线圈，如图2所示。其原理为：将两个相同尺寸的圆形线圈同轴放置，当两个线圈之间的距离为其半径时，能在间隙中产生较大范围的均匀磁场。把两对亥姆霍兹线圈中心重合并互相垂直放置，其中一对水平放置，产生的磁场沿垂直方向为B⊥，另一对亥姆赫兹线圈垂直放置，产生的磁场沿水平方向记为那么在两对磁体孔径处的总磁场B为两磁场的矢量叠加：
磁场B的大小为：
磁场B的方向为：
其中为总磁场B相对于带材表面的夹角。
通过对两对亥姆赫兹磁体提供不同大小的电流，改变水平方向磁场和垂直方向磁场的大小B⊥，就能实现交流背场的大小和角度都连续可调。

Claims (9)

1.一种在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置，其特征在于，在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置包括交流背场磁体、三相程控交流电源、降压变压器、霍尔电流传感器、高温超导带材、补偿线圈、拾波线圈、电势引线、数字表、示波器、锁相放大器及其保护装置及计算机，该计算机提供系统控制、数据采集及处理系统；其中计算机分别连接数字表、两个锁相放大器；数字表与A相电流传感器(Ⅰ)连接，A相电流传感器(Ⅰ)再分别与三相程控交流电源的A相连接的单相降压变压器、高温超导带材及示波器；三相程控交流电源的B相连接B相电流传感器(Ⅱ)，B相电流传感器(Ⅱ)分别连接第一交流背场磁体(1)及示波器；三相程控交流电源的C相连接C相电流传感器(Ⅲ)，C相电流传感器(Ⅲ)分别连接第三交流背场磁体(2)及示波器；第一交流背场磁体(1)与第二交流背场磁体(1′)连接组成一对；第三交流背场磁体(2与第四交流背场磁体(2′)连接连接组成另一对，第二交流背场磁体(1′)与第四交流背场磁体(2′)连接的共用电缆穿过补偿线圈中心后与高温超导带材连接；每个锁相放大器分别连接左右两个保护装置，两个左保护装置并联在数字表上；两个右保护装置中一个与电势引线连接；另一个与拾波线圈和补偿线圈连接。
2.根据权利要求1所述在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置，其特征在于，所述交流背场磁体为亥姆霍兹线圈，两对亥姆霍兹线圈相互垂直放置，提供交流背场。
3.根据权利要求2所述在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈通过提供不同大小的电流，能实现交流背场的大小和角度都能连续可调。
4.根据权利要求1所述在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置，其特征在于，所述交流背场磁体、高温超导带材、电势引线、拾波线圈浸没在液氮中。
5.根据权利要求1所述在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置，其特征在于，测量装置采用单相降压变压器来降低主回路电压、提高主回路电流，并且能起到电磁隔离的作用，衰减源端的高次谐波，使测量装置更加精确。
6.根据权利要求1所述在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置，其特征在于，所述电势引线、拾波线圈和补偿线圈引线均采用多根铜线绕绞而成的圆形截面导线，该圆形截面导线作为电流传输母线，减小测量过程中对补偿线圈的影响，提高系统的测量精度。
7.根据权利要求1所述在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的装置，其特征在于，所述高温超导带材上的电压降都由锁相放大器测量得到，并且以霍尔电流传感器的信号为参考信号，由于锁相放大器为非常精密且容易损坏的实验设备，采用保护装置来限制其输入信号的大小。
8.一种在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的方法，根据电磁场理论分析，在传输交流电流或其处于交变磁场中的情况下，超导体的交流损耗包括变化的磁场引起的外场损耗，和由传输电流造成的传输损耗；其特征在于，测试高温超导带材的交流损耗包括采用四引线法测量电流传输损耗、采用拾波线圈测量外场损耗，将两者相加即得到交流背场下高温超导带材的总交流损耗；
交变磁场会引起超导体内的磁通线克服磁通钉扎势和表面势垒不断运动，从而在超导体中产生感应电场，使得超导体呈阻性，而这个阻性损耗就是要测量的交流损耗；利用电势引线配合锁相放大器测得交流电流导致的阻性电压降VT，则单位长度的高温超导带材每周期的交流传输损耗QT(J/m/cycle)通过下式计算出：
Q T = P f = I T V T l f - - - ( 1 )
式(1)中，P——超导带材单位长度的交流损耗(W/m)；
f——传输交流电流的频率(Hz)；
IT——超导带材的传输电流有效值(A)；
VT——交流电流引起的超导带材的电压降有效值(V)；
l——超导带材电压引线焊点之间的距离(m)；
拾波线圈平行放置于高温超导带材上，则利用拾波线圈配合锁相放大器测得交流背场导致的阻性电压降VM，单位长度的高温超导带材每周期的交流外场损耗Q(J/m/cycle)通过下式计算出：
Q M = πW P B a V M 2 L P f - - - ( 2 )
式(2)中，WP——拾波线圈的宽度(m)；
LP——拾波线圈的长度(m)；
Ba——交流背场的磁感应强度有效值(T)；
VM——交流背场引起的超导带材的电压降落有效值(V)；
f——传输交流电流的频率(Hz)；
则交流背场下高温超导带材的总交流损耗为:
QTotal＝QT+QM (3)
由于在传输交流电流时高温超导带材的感性电压分量相对于阻性电压分量很大，所以电压VT与电流IT之间的相位差θ接近90°；此时即使是很小的角度误差Δθ也会引起较大的测量误差，这将对交流损耗的测量造成很大的干扰；因此在测量装置中采用多根铜线绕绞而成的圆形截面引线和补偿线圈来补偿感性电压分量使相位差θ尽量减小，以此来提高测量精度，从而能准确测量出超导带材的交流传输损耗。
9.根据权利要求8所述一种在交流背场下测试高温超导带材交流损耗的方法，其特征在于，所述测量装置中的电流传感器不仅为锁相放大器提供参考信号，配合数字表来测量高温超导带材传输的交流电流的大小，还接入到示波器上观察3条支路电流的相位，并配合交流电源来调节三相输出的相位使得交流背场与高温超导带材的传输交流电流同频、同相。
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