CN111366879A - 一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温超导设计技术领域，具体涉及一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置及测试方法，包括杜瓦罐、压力源部件、电极部件和测试台；能够为测试接头提供低温环境下多带材并联、不同压力面积、不同压强的测试环境。多测试回路的设计使装置具有通用性和高效性，针对单带接头测试可进行多样品并行测试，提高测试效率，针对线缆接头可进行多带材并联测试；可更换压头的设计能确保接头样品在各个方向上都受力均匀，避免边缘挤压导致带材损坏，并能提供不同的压力面积；测试装置中增加了失超保护回路，当样品失超时，电流能迅速分流到失超保护回路中，避免样品在失超后继续通入大电流而烧毁。
Description
技术领域
本发明属于高温超导设计技术领域，具体涉及一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置及测试方法。
背景技术
高温超导能够用于制造运行温度更高、磁场更强的磁体，是未来聚变堆磁体系统设计的重要选项，提高运行温度能显著降低系统的运行成本，提高磁场能显著缩小系统体积、降低系统控制难度。同时，采用高温超导还能使聚变堆磁体更容易被设计成可拆卸结构，这将极大地简化反应堆磁体及堆内部件的建造和维护成本，提高经济效益。
实用化的高温超导材料大多具有带状结构，如ReBCO涂层高温超导带材，带材为多层结构，主要层结构有稳定层，超导层和基体层。其中稳定层一般为铜和银，起到分流电流保护超导层的作用；基体层一般为哈氏合金，为带材提供足够的机械强度。因此高温超导带材和线缆的的接头技术与传统低温超导具有明显的区别，需要在搭接方式、结构和工艺上进行新设计。
磁体的热功率直接影响磁体的热稳定性和冷却功率，而在可拆卸磁体稳态运行时，其热功率主要来源于可拆卸接头的电阻热，因此接头是可拆卸磁体的关键部件之一。可拆卸接头的主要类型包括压接接头和低温焊接接头。可拆卸压接接头具有工艺简单、拆装便捷的优点，但接头电阻的可控性较差；可拆卸焊接接头具有接头电阻低，可控性强的优点，但工艺相对复杂、拆装困难。
为深入研究高温超导带材及其线缆的可拆卸接头，需要明确处理工艺、接触材料、压强、接头长度等因素对于接头电阻和载流特性的影响，而现有的高温超导带材及其线缆接头测试还处于比较原始的形式，主要是基于带材临界电流测试装置进行简单的总电阻测量，因此需要一种能够提供多带材并联、提供不同压力面积、不同压强的测试装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种高温超导带材及其线缆的接头电阻测试装置，能够为测试接头提供低温环境下多带材并联、不同压力面积、不同压强的测试环境。
本发明的技术方案如下：
一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置，包括杜瓦罐、压力源部件、电极部件和测试台；
所述测试装置中，杜瓦罐提供低温测试环境，杜瓦罐的罐壁内为真空环境；
压力源部件使用杆固定在盖板中央，从盖板往上依次是抗重弹簧、下活动弹簧板、压力弹簧、上活动弹簧板、压力传感器、加力螺杆和加力扳手；
加力扳手实现手动施加压力，压力作用在压力传感器上，再传递给活动弹簧板和压力弹簧，抗重弹簧用于抵消活动弹簧板及弹簧重力，减小压力测量值与实际值间的偏差；
压力传感器布置在较高位置，通过改变压力弹簧的行程，可调节压力的控制精度；
位于盖板下方的压力源部件是压杆和可更换压块，压杆上端连接下活动弹簧板，将压力传导至可更换压块，最后压力作用在测试样品上；
样品被夹持在T形减压台和压块中间，可更换压块和压杆之间采用圆弧面接触，侧面开孔连接；
测试台为样品安装和测试的区域，中部抵近压块压块，两端与电流引线和平台拉杆连接，有5对电极安装槽及其相应的失超保护回路；
失超保护回路由剩余电阻率较高的铜条构成，与其对应的测试回路并联；
电极压板用于固定测试样品端部，实现样品与电极的电连接；中间绝缘板用于实现失超保护回路与测试样品的中间绝缘；T形减压台用于降低施加在中间绝缘板上的压强；
电极部件和测试样品构成的测试回路，需要完全浸泡在液氦或液氮中，此电极部件的结构为，电极连接板一端连接到外部电缆上，另一端连接电流引线，电流引线从盖板上方延伸至液氮或液氦环境，下端固定在承力平台上并与其绝缘，同时与可拆卸电极块接触，电极块与样品的连接。
测试样品为高温超导带材或其线缆接头，样品被安装在同一回路的电极块之间，并固定在压块与T形减压台之间，其中接头正对压块，压块将压力作用在样品上，压力传导到T形减压台，将压强减小后，分散到中间绝缘垫板，中间绝缘垫板上加工有凹槽，用以容纳失超保护回路和液氮，发生失超时，电流主要从失超保护回路通过，压力最终传导到承力平台上，承力平台由六个平台拉杆定位，共同与盖板、压杆构成反力架；
杜瓦罐内盛装液氮或液氦，可使温度分别达到约77K和4.2K。
杜瓦罐的盖板下侧填充泡沫绝热层，以减少热传导
本装置的压力源为手动螺杆加力方式，除此之外，还可以使用液压缸或气压缸做压力源，其中的液压缸或气压缸可以是电驱动的，也可以是手动的。
压块宽度大于所测带材宽度，受力面长度方向的下边缘做倒角处理，避免在施加较大压力时出现边缘挤压，破坏样品。
样品装方式包括压力连接和焊接两种。
电极压板压接样品和电极块，并连接到电流引线。
样品和电极块焊接好以后通过电极压板连接到电流引线。
一种高温超导带材及其线缆接头的测试方法，安装接头样品，使接头处于压块能够完全覆盖到的区域；
a、对于单带接头样品，将接头样品两端分别连接到测试台两侧同一回路的电极块上；
b、对于多带接头样品，分别将同一层带材的两端焊接到两个分流器上，再将两个分流器分别连接到测试台两侧同一回路的电极块上，并联多条测试回路；
(1)安装指定规格的压块，调节压块位置，保持其下端面与带材平面平行，并轻微压紧；
(2)布置电压采样点，并将电压引线固定到平台拉杆上，经盖板预留的通孔引出：
a、对于单带接头样品，在距离接头搭接区域两侧2cm处焊接电压引线；
b、对于多带接头样品，对每根带材都采用a方式设置电压引线，并获取带材两侧分流器的电压；
(3)分别在样品表面、电极块上表面以及压块侧面布置温度传感器，信号线固定到平台拉杆上，经盖板预留的通孔中引出；
(4)将安装完成的待测样品装入杜瓦罐，向杜瓦罐中缓慢注入液氮或液氦，直至完全浸没待测样品和压块；
(5)旋转加力螺杆，使其向下移动，向接头加载指定压力，
(6)以指定加电速率向样品通入电流，测量各电压采样点的电压，当电压不再随电流线性增加时，降低加电速率，并继续加电至电压不再增加，即此时样品已完全失超，绝大部分电流已分流到保护回路中，记录上述所有数据；
(7)通过公式U＝I*R+L*Vc计算样品的临界电流Ic，分流电流Is，其中U是所测接头压降，I为当前通入电流，R为接头电阻，L为两电压采样点间的带材长度，Ic和Is的判据分别为1uV/cm，0.1uV/cm；
重复步骤6逐步增加施加压力，重复步骤7、8，直到测量到的Ic为所测最大Ic值的95％，即接头样品的临界压强为95％Ic。
本发明的有益效果在于：
为研究高温超导带材及其线缆的可拆卸接头提供了一种可多带材并联、不同压力面积、不同压强等测试环境的接头测试装置，解决一般测试实验中只能对单带接头进行不同压强下测试问题。
多测试回路的设计使装置具有通用性和高效性，针对单带接头测试可进行多样品并行测试，提高测试效率，针对线缆接头可进行多带材并联测试；
可更换压头的设计能确保接头样品在各个方向上都受力均匀，避免边缘挤压导致带材损坏，并能提供不同的压力面积；
测试装置中增加了失超保护回路，当样品失超时，电流能迅速分流到失超保护回路中，避免样品在失超后继续通入大电流而烧毁。
附图说明
图1为本发明所述的高温超导接头测试装置结构示意图。
图2为本发明所述的高温超导接头测试装置结构横切面图。
图3为本发明所述的高温超导样品测试台结构示意图。
图4为本发明所述的高温超导样品测试台结构横切面图。
图中：10-杜瓦罐；11-盖板；20-承力平台；21-平台拉杆；22-压杆；23-压块；24-抗重弹簧；25-压力弹簧；26-活动弹簧板；27-加力螺杆；28-加力扳手；29-压力传感器；30-电流引线；31-电极连接板。
20-承力平台；21-平台拉杆；22-压杆；23-可更换压块；32-失超保护回路；33-可拆卸电极块；40-电极压板；41-中间绝缘垫板；42-T形减压台。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置包括以下部分：包括杜瓦罐10、压力源部件20-29、电极部件30-33和测试台40-43。
所述测试装置中，杜瓦罐10提供低温测试环境，杜瓦罐内盛装液氮或液氦，可使温度分别达到约77K和4.2K。杜瓦罐的罐壁内为真空环境，盖板11下侧填充泡沫绝热层，以减少热传导。
压力源部件使用杆固定在盖板11中央，用于提供误差小于1％、范围为0-3200kgf的压力。从盖板11往上依次是抗重弹簧24、下活动弹簧板26、压力弹簧25、上活动弹簧板26、压力传感器29、加力螺杆27和加力扳手28。本技术方案中使用加力扳手实现手动施加压力，压力作用在压力传感器上，再传递给活动弹簧板和压力弹簧。抗重弹簧24用于抵消活动弹簧板26及弹簧25重力，减小压力测量值与实际值间的偏差。压力传感器29用于测量施加的应力，布置在较高位置以降低低温对于测量精度的影响。通过改变压力弹簧25的行程，可调节压力的控制精度。本技术方案中采用的压力源为手动螺杆加力方式，除此之外，还可以使用液压缸或气压缸做压力源，其中的液压缸或气压缸可以是电驱动的，也可以是手动的。
位于盖板11下方的压力源部件是压杆22和可更换压块23，压杆22上端连接下活动弹簧板26，将压力传导至可更换压块23，最后压力作用在测试样品上。样品被夹持在T形减压台42和压块中间23。可更换压块23和压杆22之间采用圆弧面接触，侧面开孔连接，这样设计的优点是：1.压头与样品在受压过程中实现自动调节，使受压带材水平方向所受压力均匀；2.接触面大，减小了压头和压杆的受力；3.方便零件加工和更换。压块23宽度略大于所测带材宽度，受力面长度方向的下边缘做倒角处理，避免在施加较大压力时出现边缘挤压，破坏样品。
测试台为样品安装和测试的区域，中部抵近压块压块23，两端与电流引线30和平台拉杆21连接，有5对电极33安装槽及其相应的失超保护回路32。失超保护回路32由剩余电阻率较高的铜条构成，与其对应的测试回路并联。电极压板40用于固定测试样品端部，实现样品与电极的电连接；中间绝缘板41用于实现失超保护回路32与测试样品的中间绝缘；T形减压台42用于降低施加在中间绝缘板41上的压强。
一种高温超导带材及其线缆的接头测试装置，包括：1.杜瓦罐10；2.压力源部件20-29；3.电极部件30-33；4.测试台40-43。其中杜瓦罐用于提供低温测试环境，压力源部件提供多种压力载荷，电极部件用于通入测试电流，测试台用于承载测试样品。
测试样品为高温超导带材或其线缆接头，样品被安装在同一回路的电极块33之间，并固定在压块23与T形减压台42之间，其中接头正对压块23。样品装方式包括压力连接和焊接两种，具体实施根据样品类型和实验需求选择。压块23将压力作用在样品上，压力传导到T形减压台42，将压强减小后，分散到中间绝缘垫板41。中间绝缘垫板41上加工有凹槽，用以容纳失超保护回路32和液氮。发生失超时，电流主要从失超保护回路32通过，避免将样品烧坏，回路发热被冷媒吸收。压力最终传导到承力平台上20，承力平台20由六个平台拉杆21定位，共同与盖板11、压杆22构成反力架。
电极部件和测试样品构成的测试回路，需要完全浸泡在液氦或液氮中。此电极部件的结构为：电极连接板31一端连接到外部电缆上，另一端连接电流引线30，电流引线30从盖板上方11延伸至液氮或液氦环境，下端固定在承力平台上20并与其绝缘，同时与可拆卸电极块33接触。电极块33与样品的连接：1.电极压板40压接样品和电极块33，并连接到电流引线30，特点是拆装迅速；2.样品和电极块33焊接好以后通过电极压板40连接到电流引线30，特点是端头电阻小。多个分离电极部件的优点：1.针对单带接头可以同时进行多路并行测试，提高测试效率，此实例中可以实现五个样品的并行安装和测试；2.多路并联使用可实现对多带材并联，即线缆接头的测试。
一种高温超导带材及其线缆接头的测试方法，具体如下：
(8)安装接头样品，使接头处于压块23能够完全覆盖到的区域：
c、对于单带接头样品，将接头样品两端分别连接到测试台两侧同一回路的电极块33上；
d、对于多带接头样品，分别将同一层带材的两端焊接到两个分流器上，再将两个分流器分别连接到测试台两侧同一回路的电极块33上，并联多条测试回路；
(9)安装指定规格的压块23，调节压块23位置，保持其下端面与带材平面平行，并轻微压紧；
(10)布置电压采样点，并将电压引线固定到平台拉杆21上，经盖板11预留的通孔引出：
a、对于单带接头样品，在距离接头搭接区域两侧2cm处焊接电压引线；
b、对于多带接头样品，对每根带材都采用a方式设置电压引线，并获取带材两侧分流器的电压；
(11)分别在样品表面、电极块33上表面以及压块23侧面布置温度传感器，信号线固定到平台拉杆21上，经盖板预留的通孔中引出；
(12)将安装完成的待测样品装入杜瓦罐10，向杜瓦罐10中缓慢注入液氮或液氦，直至完全浸没待测样品和压块23；
(13)旋转加力螺杆27，使其向下移动，向接头加载指定压力，
(14)以指定加电速率向样品通入电流，测量各电压采样点的电压，当电压不再随电流线性增加时，降低加电速率，并继续加电至电压不再增加，即此时样品已完全失超，绝大部分电流已分流到保护回路中，记录上述所有数据；
(15)通过公式U＝I*R+L*Vc计算样品的临界电流Ic，分流电流Is，其中U是所测接头压降，I为当前通入电流，R为接头电阻，L为两电压采样点间的带材长度，Ic和Is的判据分别为1uV/cm，0.1uV/cm；
(16)重复步骤6逐步增加施加压力，重复步骤7、8，直到测量到的Ic为所测最大Ic值的95％，即接头样品的临界压强95％Ic。
Claims (10)
1.一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置，包括杜瓦罐、压力源部件、电极部件和测试台；
其特征在于：所述测试装置中，杜瓦罐提供低温测试环境，杜瓦罐的罐壁内为真空环境；
压力源部件使用杆固定在盖板中央，从盖板往上依次是抗重弹簧、下活动弹簧板、压力弹簧、上活动弹簧板、压力传感器、加力螺杆和加力扳手；
加力扳手实现手动施加压力，压力作用在压力传感器上，再传递给活动弹簧板和压力弹簧，抗重弹簧用于抵消活动弹簧板及弹簧重力，减小压力测量值与实际值间的偏差；
压力传感器布置在较高位置，通过改变压力弹簧的行程，可调节压力的控制精度；
位于盖板下方的压力源部件是压杆和可更换压块，压杆上端连接下活动弹簧板，将压力传导至可更换压块，最后压力作用在测试样品上；
样品被夹持在T形减压台和压块中间，可更换压块和压杆之间采用圆弧面接触，侧面开孔连接；
测试台为样品安装和测试的区域，中部抵近压块压块，两端与电流引线和平台拉杆连接，有5对电极安装槽及其相应的失超保护回路；
失超保护回路由剩余电阻率较高的铜条构成，与其对应的测试回路并联；
电极压板用于固定测试样品端部，实现样品与电极的电连接；中间绝缘板用于实现失超保护回路与测试样品的中间绝缘；T形减压台用于降低施加在中间绝缘板上的压强；
电极部件和测试样品构成的测试回路，需要完全浸泡在液氦或液氮中，此电极部件的结构为，电极连接板一端连接到外部电缆上，另一端连接电流引线，电流引线从盖板上方延伸至液氮或液氦环境，下端固定在承力平台上并与其绝缘，同时与可拆卸电极块接触，电极块与样品的连接。
2.如权利要求1所述的一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置，其特征在于：测试样品为高温超导带材或其线缆接头，样品被安装在同一回路的电极块之间，并固定在压块与T形减压台之间，其中接头正对压块，压块将压力作用在样品上，压力传导到T形减压台，将压强减小后，分散到中间绝缘垫板，中间绝缘垫板上加工有凹槽，用以容纳失超保护回路和液氮，发生失超时，电流主要从失超保护回路通过，压力最终传导到承力平台上，承力平台由六个平台拉杆定位，共同与盖板、压杆构成反力架。
3.如权利要求1所述的一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置，其特征在于：杜瓦罐内盛装液氮或液氦，可使温度分别达到约77K和4.2K。
4.如权利要求1所述的一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置，其特征在于：杜瓦罐的盖板下侧填充泡沫绝热层，以减少热传导。
5.如权利要求1所述的一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置，其特征在于：本装置的压力源为手动螺杆加力方式，除此之外，还可以使用液压缸或气压缸做压力源，其中的液压缸或气压缸可以是电驱动的，也可以是手动的。
6.如权利要求1所述的一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置，其特征在于：压块宽度大于所测带材宽度，受力面长度方向的下边缘做倒角处理，避免在施加较大压力时出现边缘挤压，破坏样品。
7.如权利要求1所述的一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置，其特征在于：样品装方式包括压力连接和焊接两种。
8.如权利要求1所述的一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置，其特征在于：电极压板压接样品和电极块，并连接到电流引线。
9.如权利要求1所述的一种高温超导带材及其线缆接头的测试装置，其特征在于：样品和电极块焊接好以后通过电极压板连接到电流引线。
10.一种高温超导带材及其线缆接头的测试方法，其特征在于：安装接头样品，使接头处于压块能够完全覆盖到的区域；
a、对于单带接头样品，将接头样品两端分别连接到测试台两侧同一回路的电极块上；
b、对于多带接头样品，分别将同一层带材的两端焊接到两个分流器上，再将两个分流器分别连接到测试台两侧同一回路的电极块上，并联多条测试回路；
(1)安装指定规格的压块，调节压块位置，保持其下端面与带材平面平行，并轻微压紧；
(2)布置电压采样点，并将电压引线固定到平台拉杆上，经盖板预留的通孔引出：
a、对于单带接头样品，在距离接头搭接区域两侧2cm处焊接电压引线；
b、对于多带接头样品，对每根带材都采用a方式设置电压引线，并获取带材两侧分流器的电压；
(3)分别在样品表面、电极块上表面以及压块侧面布置温度传感器，信号线固定到平台拉杆上，经盖板预留的通孔中引出；
(4)将安装完成的待测样品装入杜瓦罐，向杜瓦罐中缓慢注入液氮或液氦，直至完全浸没待测样品和压块；
(5)旋转加力螺杆，使其向下移动，向接头加载指定压力，
(6)以指定加电速率向样品通入电流，测量各电压采样点的电压，当电压不再随电流线性增加时，降低加电速率，并继续加电至电压不再增加，即此时样品已完全失超，绝大部分电流已分流到保护回路中，记录上述所有数据；
(7)通过公式U＝I*R+L*Vc计算样品的临界电流Ic，分流电流Is，其中U是所测接头压降，I为当前通入电流，R为接头电阻，L为两电压采样点间的带材长度，Ic和Is的判据分别为1uV/cm，0.1uV/cm；
重复步骤6逐步增加施加压力，重复步骤7、8，直到测量到的Ic为所测最大Ic值的95％，即接头样品的临界压强为95％Ic。
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