CN109342504A - 一种测量超导带材的失超恢复特性的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量超导带材的失超恢复特性的装置和方法。所述装置和方法通过在可控冲击电源处并联一个恒流源,使冲击电流结束后由恒流源继续为超导带材加载电流,并通过数据控制单元同步测量超导带材两端的电压,由电压值判断超导带材是否恢复至超导态。所述装置和方法不需要对待测试超导带材样品作特殊处理,可以完全在实际应用环境下开展测试,而且由于结构简单,具有毫秒级的测量响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及电力测量领域,并且更具体地,涉及一种测量超导带材的失超恢复特性的装置和方法。
背景技术
超导带材是一种在特定环境下具有零电阻特性的材料,一般分为低温超导材料和高温超导材料。其中,高温超导材料以铋系和钇系两种材料应用最为广泛,目前已经实现一定规模的量产。随着高温超导材料制备技术的不断提升,高温超导带材的性价比大幅提升,极大促进了高温超导电力技术的发展。
目前,国内外已经有较多超导电力设备实现并网运行,但超导电力装置在并网运行中可能会遭遇突发短路故障,导致超导带材在短路故障中承载较大的电流冲击。此时,超导带材因严重过流而转入正常的有电阻状态,称之为“失超”;超导带材因电阻发热产生热量累积,累积的热量将导致温度显著增加。超导带材在不同电流冲击下的“失超”过程,以及当故障电流消失后,超导带材从“失超”状态重新恢复至“超导态”所需的时间,是超导电力装置设计的重要依据。
文献针对铋系超导带材在工频过电流冲击下的失超及恢复特性开展了研究(卜红纺等.准绝热环境下Bi-2223/Ag带材在工频过电流冲击下的失超及恢复特性实验研究.低温物理学报,2007,29(4):296-300),其目的是通过测量超导带材表面的温度来判断超导带材是否已经恢复至“超导态”,若测量的温度重新达到77K,则被测量的超导带材就已经转变为“超导态”。该文献中该装置主要包含交流可控电源、数据采集装置、温度传感器等部分,在超导带带测试样品上安置电阻温度传感器来测量温度的变化,来获得失超恢复特性。但是,采用粘贴在超导带材表面的温度传感器测量超导带材的温度存在以下问题:(1)为更好的通过温度传感器测量到带材温度的变化,该装置需要将超导带材和温度传感器密封在环氧支架槽中,使得超导带材和液氮不接触,与超导带材的实际运行工况完全不相符;(2)超导带材失超产生热量后,热量传递到温度传感器需要有一定的热传导时间,导致温度传感器不能实时的准确表征超导带材的温度。
因此,迫切需要一种技术能在与实际运行工况相符的情况下准确测量超导带材从失超状态到恢复超导状态的时间。
发明内容
为了解决现有技术中存在的无法在与实际运行工况相符的情况下,准确测量超导带材从失超状态到恢复超导状态的时间的技术问题,本发明提供测量超导带材的失超恢复特征的装置,所述装置包括:
可控冲击电源,其与恒流源并联后,与超导带材串联,用于对超导带材施加冲击电流,使超导带材失超;
恒流源,其用于对超导带材施加等于第一电流值的恒定电流;
电流传感器,其用于测量所述超导带材上的电流;
数据控制单元,其端子分别与电流传感器的输出端子、超导带材的电压引线和可控冲击电源连接,用于采集超导带材上的电流和电压,以及远程控制可控冲击电源的输出电流。
进一步地,所述装置还包括二极管,其一端与可控冲击电源连接,另一端与恒流源连接,用于防止冲击电流反向流到恒流源。
进一步地,所述恒流源的最大输出电压和可控冲击电源的最大输出电压都大于超导带材的最大冲击电压。
进一步地,所述数据控制单元包括:
第一数据采集单元,其用于采集电流传感器传输的电流值和冲击电流作用于超导带材时的端对端电压;
第二数据采集单元,其用于采集恒定电流作用于超导带材时的端对端电压;
数据通信接口,其与可控冲击电源连接,用于远程控制可控冲击电源的输出电流。
进一步地,所述可控冲击电源是交流电源或者直流电源,所述恒流源是直流电源。
根据本发明的另一方面,本发明提供一种测量超导带材的失超恢复特性的方法,所述方法包括:
根据预先设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流,同时,对超导带材施加等于第一电流值的恒定电流;
测量超导带材上的电流和端对端电压,将所述电流超过超导带材临界电流的时刻t0作为冲击起始时刻,将所述电流降低至第一电流值的时刻t1作为冲击截止的时刻,将超导带材上的端对端电压小于设置的第一电压值的时刻t3作为失超恢复时刻;
计算t1-t0作为冲击电流的持续时间,计算t2-t1作为在冲击电流的持续时间长度下,超导带材的失超恢复时间。
进一步地,所述根据预先设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流之前还包括设置可控冲击电源输出的冲击电流的电流幅值和持续时间长度,以及恒流源输出的恒定电流的电流值。
进一步地,所述根据设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流包括:
将冲击电流源和恒流源并联后,与超导带材串联;
数据控制单元通过数据通信接口控制冲击电流源按照设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流,其中所述电流幅值大于超导带材的临界电流。
进一步地,所述第一电流值小于等于1A。
进一步地,所述第一电压值是1e-9V。
本发明技术方案提供的测量超导带材的失超恢复特性的装置和方法通过在可控冲击电源处并联一个恒流源,使冲击电流结束后由恒流源继续为超导带材加载电流,并通过数据控制单元同步测量超导带材两端的电压,由电压值判断超导带材是否恢复至超导态。所述装置和方法不需要对待测试超导带材样品作特殊处理,可以完全在实际应用环境下开展测试,而且由于结构简单,具有毫秒级的测量响应速度。
附图说明
通过参考下面的附图,可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式:
图1为根据本发明优选实施方式的测量超导带材的失超恢复特性的装置的结构示意图;
图2为根据本发明优选实施方式的测量超导带材的失超恢复特性的方法的流程示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式,然而,本发明可以用许多不同的形式来实施,并且不局限于此处描述的实施例,提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明,并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中,相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明,此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外,可以理解的是,以通常使用的词典限定的术语,应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义,而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施方式的测量超导带材的失超恢复特性的装置的结构示意图。如图1所示,本优选实施方式所述的测量超导带材的失超恢复特征的装置100包括:
可控冲击电源101,其与恒流源102并联后,与超导带材103串联,用于对超导带材103施加冲击电流,使超导带材103失超。
在本优选实施方式中,针对钇钡铜氧化物(化学式为YBa2Cu3O7,缩写为YBCO)的超导带材样品进行测试,其测试所需最大电流值为500A,最大冲击电压值为4V。可控冲击电源101为直流电源,用于给被测试的超导带材103加载冲击电流。可控冲击电源101的输出容量与YBCO超导带材配合,其最大输出电流为875A,最大输出电压为5V,能够满足测试要求。可控冲击电源101的输出端正极通过电缆连接至YBCO超导带材03的正极,可控冲击电源101的输出端负极通过电缆连接至YBCO超导带材103的负极。
恒流源102,其用于对超导带材103施加等于第一电流值的恒定电流。
优选地,所述恒流源102的最大输出电压6V,大于超导带材的最大冲击电压4V。优选地,所述可控冲击电源101是交流电源或者直流电源,所述恒流源102是直流电源。
在本优选实施方式中,恒流源102采用直流源,用于给YBCO超导带材103加载一个小于1A的恒定电流。恒流源102的输出电流小的原因是避免该电流产生的热量对失超恢复时间的计算产生影响。恒流源102由于与可控冲击电源并联,故恒流源102的最大输出电压应不小于可控冲击电源101的最大输出电压,本优选实施方式选择的恒流源102的最大输出电流5A,最大输出电压为6V。恒流源102的输出端正极通过电缆连接至YBCO超导带材103的正极,恒流源10输出端负极通过电缆连接至YBCO超导带材103的负极。恒流源102整个测试期间一直输出电流,恒流源102的输出数值可以在测试前进行设定。当冲击电流作用结束后,加载至YBCO超导带材103上的电流仅为恒流源102输出的电流,YBCO超导带材103由前述冲击电流作用累积的热量逐步被液氮带走,通过数据控制单元104检测此时的电压,当测得的电压小于设定值时,认为YBCO超导带材103的电阻值为0,YBCO超导带材103恢复至超导态,从冲击电流结束至电阻值变为0的时间就是该冲击电流作用下的YBCO超导带材103失超恢复时间。由于恒流源102加载的电流极小,其产生的热量仅为mW级,因此几乎不会对测量结果产生影响。
电流传感器104,其用于测量所述超导带材103上的电流。
电流传感器104的测量范围根据被测试电流幅值而定,在本优选实施方式中,所用的电流传感器104的最大测试范围为直流1000A,输出为模拟电压信号。电流传感器104的原边套装在连接YBCO超导带材103和可控冲击电源101的电缆上,可以套装在连接正极或负极的任意电缆上,具有相同的测试效果。电流传感器104的输出端子连接到数据控制单元105的数据采集端。
数据控制单元105,其端子分别与电流传感器104的输出端子、超导带材103的电压引线和可控冲击电源101连接,用于采集超导带材103上的电流和电压,以及远程控制可控冲击电源101的输出电流。
二极管106,其一端与可控冲击电源101连接,另一端与恒流源102连接,用于防止冲击电流反向流到恒流源102。
优选地,所述数据控制单元105包括:
第一数据采集单元151,其用于采集电流传感器传输的电流值和冲击电流作用于超导带材时的端对端电压;
第二数据采集单元152,其用于采集恒定电流作用于超导带材时的端对端电压;
数据通信接口153,其与可控冲击电源101连接,用于远程控制可控冲击电源的输出电流。
在本优选实施方式中,第一数据采集单元151的端子一连接至电流传感器104的输出端子,端子二连接至YBCO超导带材103的电压引线;第二数据采集单元152的端子连接至YBCO超导带材103的电压引线。第一数据采集单元151采集冲击电流作用时的电压(V级)、第二数据采集单元152采集冲击电流的作用结束后,恒定电流作用于YBCO超导带材时的电压(μV级)。数据通信接口153通过488总线与可控冲击电源101连接。第一数据采集单元151和第二数据采集单元152均同步采集数据。
图2为根据本发明优选实施方式的测量超导带材的失超恢复特性的方法的流程示意图。如图2所示,本优选实施方式所述的测量超导带材的失超恢复特性的方法200从步骤201开始。
在步骤201,设置可控冲击电源输出的冲击电流的电流幅值和持续时间长度,以及恒流源输出的恒定电流的电流值。
在步骤202,根据预先设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流,同时,对超导带材施加等于第一电流值的恒定电流;
在步骤203,测量超导带材上的电流和端对端电压,将所述电流超过超导带材临界电流的时刻t0作为冲击起始时刻,将所述电流降低至第一电流值的时刻t1作为冲击截止的时刻,将超导带材上的端对端电压小于设置的第一电压值的时刻t3作为失超恢复时刻;
在步骤204,计算t1-t0作为冲击电流的持续时间,计算t2-t1作为在冲击电流的持续时间长度下,超导带材的失超恢复时间。
优选地,所述根据设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流包括:
将冲击电流源和恒流源并联后,与超导带材串联;
数据控制单元通过数据通信接口控制冲击电流源按照设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流,其中所述电流幅值大于超导带材的临界电流。
优选地,所述第一电流值小于等于1A。
优选地,所述第一电压值是1e-9V。
在本优选实施方式中,第一电流值是1A,第一电压值是1e-9V。第一数据采集单元151检测到电流超过YBCO超导带材103临界电流的时刻t0作为冲击起始时刻,第一数据采集单元151检测到电流等于1A的时刻t1作为冲击截止的时刻,第二数据采集单元152检测到YBCO超导带材103端对端电压减小到1e-9V时的时刻为t2。这时,t1-t0表示冲击电流的持续时间,t2-t1表示在冲击电流持续t1-t0时间长度的条件下,YBCO超导带材103的失超恢复时间。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而,本领域技术人员所公知的,正如附带的专利权利要求所限定的,除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地,在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释,除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例,除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行,除非明确地说明。
Claims (10)
1.一种测量超导带材的失超恢复特征的装置,其特征在于,所述装置包括:
可控冲击电源,其与恒流源并联后,与超导带材串联,用于对超导带材施加冲击电流,使超导带材失超;
恒流源,其用于对超导带材施加等于第一电流值的恒定电流;
电流传感器,其用于测量所述超导带材上的电流;
数据控制单元,其端子分别与电流传感器的输出端子、超导带材的电压引线和可控冲击电源连接,用于采集超导带材上的电流和电压,以及远程控制可控冲击电源的输出电流。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括二极管,其一端与可控冲击电源连接,另一端与恒流源连接,用于防止冲击电流反向流到恒流源。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述恒流源的最大输出电压和可控冲击电源的最大输出电压都大于超导带材的最大冲击电压。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述数据控制单元包括:
第一数据采集单元,其用于采集电流传感器传输的电流值和冲击电流作用于超导带材时的端对端电压;
第二数据采集单元,其用于采集恒定电流作用于超导带材时的端对端电压;
数据通信接口,其与可控冲击电源连接,用于远程控制可控冲击电源的输出电流。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述可控冲击电源是交流电源或者直流电源,所述恒流源是直流电源。
6.一种利用权利要求1至5中任意一个测量超导带材的失超恢复特性的装置测量超导带材的失超恢复特性的方法,其特征在于,所述方法包括:
根据预先设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流,同时,对超导带材施加等于第一电流值的恒定电流;
测量超导带材上的电流和端对端电压,将所述电流超过超导带材临界电流的时刻t0作为冲击起始时刻,将所述电流降低至第一电流值的时刻t1作为冲击截止的时刻,将超导带材上的端对端电压小于设置的第一电压值的时刻t3作为失超恢复时刻;
计算t1-t0作为冲击电流的持续时间,计算t2-t1作为在冲击电流的持续时间长度下,超导带材的失超恢复时间。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述根据预先设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流之前还包括设置可控冲击电源输出的冲击电流的电流幅值和持续时间长度,以及恒流源输出的恒定电流的电流值。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述根据设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流包括:
将冲击电流源和恒流源并联后,与超导带材串联;
数据控制单元通过数据通信接口控制冲击电流源按照设置的电流幅值和持续时间长度对超导带材施加冲击电流,其中所述电流幅值大于超导带材的临界电流。
9.根据权利要求6或者7所述的方法,其特征在于,所述第一电流值小于等于1A。
10.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述第一电压值是1e-9V。
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