CN109975664B - 一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的方法及系统，通过波形发生装置产生过电流波形；通过采集控制装置控制波形发生装置将电流波形输入可控波形冲击电源；控制可控波形冲击电源接收电流波形，并控制可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，在预定时长内产生稳定运行区、冲击区和失超恢复区的电流波形施加于超导单元。

Description

一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的方法及系统
技术领域
本发明涉及电力测量技术领域，更具体地，涉及一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的方法及系统。
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(YBCO涂层导体)两种材料应用最为广泛。YBCO涂层导体是目前液氮温区强电应用的理想超导材料。在液氮温区，其临界电流比铋系带材的临界电流高出一个量级以上，电磁特性、机械特性比铋系带材高得多。目前世界上主要技术发达国家投入大量人力和物力研发YBCO涂层导体，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诸如系统短路等各种动态过程，导致超导带材在短路故障中承载较大的电流冲击。超导电力装置可能因承受过大的短路电流作用而失超，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，进一步失超。超导电力装置的失超不仅会改变超导电力设备的电气参数，对超导电力系统的安全、稳定、经济运行也将产生一定的影响。
在电力应用中，超导电力装置中的超导单元必须满足在短时间内能够承受数倍甚至数十倍于额定电流的能力，因此迫切需要一种技术能够模拟实际运行工况，在与实际工况运行相符的情况下，重点研究不同结构的超导单元在不同短路电流下的过电流冲击特性。
因此，需要一种技术，以实现对于超导单元过电流冲击特性的测量。
发明内容
本发明技术方案提供一种用于测量超导单元过电流冲击特性的方法及系统，以解决如何对超导单元的过电流冲击特性进行测量的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的方法，所述方法包括：
通过波形发生装置产生过电流波形；
通过采集控制装置控制所述波形发生装置将所述电流波形输入可控波形冲击电源；
通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源接收所述电流波形，并控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生稳定运行区的电流波形，在第一预定时长内将所述稳定运行区的电流波形施加于超导单元；
当到达第一预定时长后，通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的所述电流波形进行放大处理，产生冲击区的电流波形，在第二预定时长内将所述冲击区的电流波形施加于超导单元；
当到达第二预定时长后，通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生失超恢复区的电流波形，在第三预定时长内，将所述失超恢复区的电流波形施加于超导单元；
记录所述超导单元的电阻恢复为0欧的时刻，所述第三预定时长开始的时刻至所述电阻恢复为0欧的时刻的时长，作为所述超导单元的失超恢复时间。
优选地，所述波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，包括：
所述比例关系进行预先设定。
优选地，将电流大于预设初始值的时刻作为稳定运行区的开始时刻；
将电流大于所述超导单元临界电流的时刻作为冲击区的开始时刻；
将电流降至恢复电流的时刻作为失超恢复区的开始时刻，当电流降至预设初始值的时刻作为失超恢复区的截止时刻。
优选地，所述稳定运行区的运行电流保持稳定，所述稳定运行区的电流小于所述超导单元的临界电流；
所述冲击区的最大电流大于所述超导单元的临界电流；
所述失超恢复区的失超恢复电流大于预设初始值，并且小于超导单元的临界电流。
优选地，对所述稳定运行区的电流、所述冲击区的电流和所述失超恢复区的失超恢复电流的大小、持续时长和波形类型进行预先设定。
优选地，通过采集控制装置测量所述超导单元的电流和端对端的电压，获取所述超导单元的冲击电压、电流和电阻波形。
基于本发明的另一方面，提供一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的系统，所述系统包括：
波形发生装置，所述波形发生装置用于产生过电流波形；
采集控制装置，通过采集控制装置控制所述波形发生装置将所述电流波形输入可控波形冲击电源；通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源接收所述电流波形，并控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生稳定运行区的电流波形，在第一预定时长内将所述稳定运行区的电流波形施加于超导单元；当到达第一预定时长后，通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的所述电流波形进行放大处理，产生冲击区的电流波形，在第二预定时长内将所述冲击区的电流波形施加于超导单元；当到达第二预定时长后，通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生失超恢复区的电流波形，在第三预定时长内，将所述失超恢复区的电流波形施加于超导单元；记录所述超导单元上的电压和电流波形，得到所述超导单元上的冲击电阻波形；所述第三预定时长开始的时刻至所述电阻恢复为0欧的时刻的时长，作为所述超导单元的失超恢复时间。
优选地，所述波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，包括：
所述比例关系进行预先设定。
优选地，将电流大于预设初始值的时刻作为稳定运行区的开始时刻；
将电流大于所述超导单元临界电流的时刻作为冲击区的开始时刻；
将电流降至恢复电流的时刻作为失超恢复区的开始时刻，当电流降至预设初始值的时刻作为失超恢复区的截止时刻。
优选地，所述稳定运行区的运行电流保持稳定，所述稳定运行区的电流小于所述超导单元的临界电流；
所述冲击区的最大电流大于所述超导单元的临界电流；
所述失超恢复区的失超恢复电流大于预设初始值，并且小于超导单元的临界电流。
优选地，所述采集控制装置用于对所述稳定运行区的电流、所述冲击区的电流和所述失超恢复区的失超恢复电流的大小、持续时长和波形类型进行预先设定。
优选地，所述采集控制装置用于测量所述超导单元的电流和端对端的电压，获取所述超导单元的冲击电压、电流和电阻波形。
本发明技术方案提供一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的方法及系统，其中方法包括：通过波形发生装置产生过电流波形；通过采集控制装置控制波形发生装置将电流波形输入可控波形冲击电源；通过采集控制装置控制可控波形冲击电源接收电流波形，并控制可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生稳定运行区、冲击区和失超恢复区的电流波形，施加于超导单元。记录所述超导单元上的冲击电压、电流和电阻波形，记录超导单元上的电压和电流波形，得到超导单元上的冲击电阻波形；第三预定时长开始的时刻至电阻恢复为0欧的时刻的时长，作为超导单元的失超恢复时间。本发明技术方案解决了超导单元过电流冲击特性如何测量的问题，提供了一种测量超导单元过电流冲击特性的装置和方法，能够模拟实际运行工况，方便快捷的获取超导电力装置中的超导单元在过电流冲击下的失超和恢复特性。
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用于测量超导单元的过电流冲击特性的方法流程图；以及
图2为根据本发明优选实施方式的用于测量超导单元的过电流冲击特性的系统结构图。
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方法流程图。根据超导单元的临界电流特性，本申请实施方式超导单元的临界电流为100A，失超恢复电流设置为5A的恒定电流，失超恢复电流值设置比较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。本申请通过采集控制装置，远程控制波形发生装置来调制产生试验所需的过电流波形，并将其波形发送给可控波形冲击电源，最终由可控波形冲击电源产生相应的过电流，施加于超导单元带材，使其失超。如图1所示，本发明技术方案提供一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的方法，方法包括：
优选地，在步骤101：通过波形发生装置产生过电流波形；
优选地，在步骤102：通过采集控制装置控制波形发生装置将电流波形输入可控波形冲击电源；
优选地，在步骤103：通过采集控制装置控制可控波形冲击电源接收电流波形，并控制可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生稳定运行区的电流波形，在第一预定时长内将稳定运行区的电流波形施加于超导单元；
优选地，在步骤104：当到达第一预定时长后，通过采集控制装置控制可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生冲击区的电流波形，在第二预定时长内将冲击区的电流波形施加于超导单元。优选地，波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，包括：比例关系进行预先设定。本申请波形发生装置波形输出与可控波形冲击电源的波形输出的比例关系，进行预先设定。
优选地，在步骤105：当到达第二预定时长后，通过采集控制装置控制可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生失超恢复区的电流波形，在第三预定时长内将失超恢复区的电流波形施加于超导单元；
优选地，在步骤106：记录超导单元上的电压和电流波形，得到超导单元上的冲击电阻波形；第三预定时长开始的时刻至电阻恢复为0欧的时刻的时长，作为超导单元的失超恢复时间。
本申请由波形发生装置来调制产生过电流波形。调制的过电流波形主要包括稳定运行区、冲击区和失超恢复区3个部分。整个试验过程中的运行电流、冲击电流和失超恢复电流的大小、持续时长和波形类型都需要预先进行设置。稳定运行区，运行电流保持稳定，运行电流小于超导单元的临界电流100A，设置为50A，直流，持续时间为100ms。冲击区，冲击电流最大值大于临界电流100A，设置为正弦半波，持续时间为10ms，电流最大值为900A。失超恢复区的失超恢复电流设置为5A直流，持续时间为100ms。
优选地，将电流大于预设初始值的时刻作为稳定运行区的开始时刻；将电流大于超导单元临界电流的时刻作为冲击区的开始时刻；将电流降至恢复电流的时刻作为失超恢复区的开始时刻，当电流降至预设初始值的时刻作为失超恢复区的截止时刻。
优选地，稳定运行区的运行电流保持稳定，稳定运行区的电流小于超导单元的临界电流；冲击区的最大电流大于超导单元的临界电流；失超恢复区的失超恢复电流大于预设初始值，并且小于超导单元的临界电流。
优选地，对稳定运行区的电流、冲击区的电流和失超恢复区的失超恢复电流的大小、持续时长和波形类型进行预先设定。
优选地，通过采集控制装置测量超导单元的电流和端对端的电压，获取超导单元的冲击电阻波形。
本申请通过采集控制装置，测量超导单元带材上的电流和端对端电压，实时记录整个冲击过程中的电压和电流波形。
本申请通过分析冲击区的超导单元带材上的电压和电流波形，计算电压除以电流，得到超导单元带材上的冲击电阻波形。失超恢复区加载了一个很小的失超恢复电流，由于超导单元失超电阻的存在，通过分析失超恢复区超导单元的电压波形得到失超恢复时间。当测得的电压为0V时，认为超导单元带材的电阻值为0欧，超导单元带材恢复至超导态，从冲击电流结束至电阻值变为0欧的时间就是该冲击电流作用下的超导单元带材的失超恢复时间。由于失超恢复区加载的电流极小，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。
图2为根据本发明优选实施方式的系统结构图。如图2所示，一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的系统，系统包括：
可控波形冲击电源101，其与波形发生装置102连接后，与超导单元104串联，用于对超导单元104施加过电流冲击，使超导单元104失超。
本申请，针对YBCO涂层导体超导带材样品104进行测试，其测试所需最大电流值为900A，超导带材样品104上的最大电压值为1V。
可控波形冲击电源101用于给被测试的超导带材104加载过电流冲击。可控波形冲击电源101的输出容量与超导带材配合，其最大输出电流为1000A，最大输出电压为80V，能够满足测试要求。可控波形冲击电源101的输出端正极通过电缆连接至超导带材104的正极，可控波形冲击电源101的输出端负极通过电缆连接至超导带材104的负极。
波形发生装置102，波形发生装置102用于产生过电流波形。波形发生装置102与可控波形冲击电源101连接，用于调制冲击电流波形。波形发生装置102波形输出端与可控波形冲击电源101的波形输入端相连。根据波形发生装置102波形输出与可控波形冲击电源101的波形输出的比例关系，调制过电流波形。可控波形冲击电源101通过波形输入端接收到调制的过电流波形后，等比例进行放大处理。
电流传感器103用于测量所述超导带材104上的通过的电流大小。电流传感器103的测量范围根据被测试电流幅值而定，在本申请的实施方式中，所用的电流传感器103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103的原边套装在连接超导带材104和可控波形冲击电源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103的输出端子连接到采集控制装置105的数据采集端。
采集控制装置105，通过采集控制装置105的控制端151控制波形发生装置102将电流波形输入可控波形冲击电源101；通过采集控制装置105控制可控波形冲击电源101接收电流波形，并控制可控波形冲击电源101根据波形发生装置102输出电流与可控波形冲击电源101输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生稳定运行区的电流波形，在第一预定时长内将稳定运行区的电流波形施加于超导单元；当到达第一预定时长后，通过采集控制装置105控制可控波形冲击电源101根据波形发生装置102输出电流与可控波形冲击电源101输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生冲击区的电流波形，在第二预定时长内将冲击区的电流波形施加于超导单元；当到达第二预定时长后，通过采集控制装置105控制可控波形冲击电源101根据波形发生装置102输出电流与可控波形冲击电源101输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生失超恢复区的电流波形，在第三预定时长内将失超恢复区的电流波形施加于超导单元；记录超导单元的电阻恢复为0欧的时刻，第三预定时长开始的时刻至电阻恢复为0欧的时刻的时长，作为超导单元的失超恢复时间。
优选地，可控波形冲击电源101与波形发生装置102的比例关系，包括：比例关系进行预先设定。
优选地，将电流大于预设初始值的时刻作为稳定运行区的开始时刻；将电流大于超导单元临界电流的时刻作为冲击区的开始时刻；将电流降至恢复电流的时刻作为失超恢复区的开始时刻，当电流降至预设初始值的时刻作为失超恢复区的截止时刻。
优选地，稳定运行区的运行电流保持稳定，稳定运行区的电流小于超导单元的临界电流；冲击区的最大电流大于超导单元的临界电流；失超恢复区的失超恢复电流大于预设初始值，小于超导单元的临界电流。
优选地，采集控制装置105用于对稳定运行区的电流、冲击区的电流和失超恢复区的失超恢复电流的大小、持续时长和波形类型进行预先设定。
优选地，采集控制装置105用于测量超导单元的电流和端对端的电压，获取超导单元的冲击电压、电流和电阻波形。
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 (8)

1.一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的方法，所述方法包括：
通过波形发生装置产生过电流波形；
通过采集控制装置控制所述波形发生装置将所述电流波形输入可控波形冲击电源；
通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源接收所述电流波形，并控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生稳定运行区的电流波形，在第一预定时长内将所述稳定运行区的电流波形施加于超导单元；
当到达第一预定时长后，通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的所述电流波形进行放大处理，产生冲击区的电流波形，在第二预定时长内将所述冲击区的电流波形施加于超导单元；
当到达第二预定时长后，通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生失超恢复区的电流波形，在第三预定时长内将所述失超恢复区的电流波形施加于超导单元；
记录所述超导单元上的电压和电流波形，得到所述超导单元上的冲击电阻波形；所述第三预定时长开始的时刻至所述电阻恢复为0欧的时刻的时长，作为所述超导单元的失超恢复时间，还包括：
所述稳定运行区的运行电流保持稳定，所述稳定运行区的电流小于所述超导单元的临界电流；所述冲击区的最大电流大于所述超导单元的临界电流；所述失超恢复区的失超恢复电流大于预设初始值，并且小于超导单元的临界电流；
对所述稳定运行区的电流、所述冲击区的电流和所述失超恢复区的失超恢复电流的大小、持续时长和波形类型进行预先设定。
2.根据权利要求1所述的方法，所述波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，包括：
所述比例关系进行预先设定。
3.根据权利要求1所述的方法，将电流大于预设初始值的时刻作为稳定运行区的开始时刻；
将电流大于所述超导单元临界电流的时刻作为冲击区的开始时刻；
将电流降至恢复电流的时刻作为失超恢复区的开始时刻，当电流降至预设初始值的时刻作为失超恢复区的截止时刻。
4.根据权利要求1所述的方法，通过采集控制装置测量所述超导单元的电流和端对端的电压，获取所述超导单元的冲击电压、电流和电阻波形。
5.一种用于测量超导单元的过电流冲击特性的系统，所述系统包括：
波形发生装置，所述波形发生装置用于产生过电流波形；
采集控制装置，通过采集控制装置控制所述波形发生装置将所述电流波形输入可控波形冲击电源；通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源接收所述电流波形，并控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生稳定运行区的电流波形，在第一预定时长内将所述稳定运行区的电流波形施加于超导单元；当到达第一预定时长后，通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的所述电流波形进行放大处理，产生冲击区的电流波形，在第二预定时长内将所述冲击区的电流波形施加于超导单元；当到达第二预定时长后，通过采集控制装置控制所述可控波形冲击电源根据波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，对接收到的电流波形进行放大处理，产生失超恢复区的电流波形，在第三预定时长内将所述失超恢复区的电流波形施加于超导单元；记录所述超导单元上的电压和电流波形，得到所述超导单元上的冲击电阻波形；所述第三预定时长开始的时刻至所述电阻恢复为0欧的时刻的时长，作为所述超导单元的失超恢复时间，包括：
所述稳定运行区的运行电流保持稳定，所述稳定运行区的电流小于所述超导单元的临界电流；所述冲击区的最大电流大于所述超导单元的临界电流；所述失超恢复区的失超恢复电流大于预设初始值，并且小于超导单元的临界电流；
所述采集控制装置用于对所述稳定运行区的电流、所述冲击区的电流和所述失超恢复区的失超恢复电流的大小、持续时长和波形类型进行预先设定。
6.根据权利要求5所述的系统，所述波形发生装置输出电流与可控波形冲击电源输出电流的比例关系，包括：
所述比例关系进行预先设定。
7.根据权利要求5所述的系统，将电流大于预设初始值的时刻作为稳定运行区的开始时刻；
将电流大于所述超导单元临界电流的时刻作为冲击区的开始时刻；
将电流降至恢复电流的时刻作为失超恢复区的开始时刻，当电流降至预设初始值的时刻作为失超恢复区的截止时刻。
8.根据权利要求5所述的系统，所述采集控制装置用于测量所述超导单元的电流和端对端的电压，获取所述超导单元的冲击电压、电流和电阻波形。
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