CN111413567B - 用于测试超导带材载流特性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于测试超导带材载流特性的系统和方法。系统包括密封容器、加热装置、恒温装置、温度传感器、电压电流测量装置和控制装置。加热装置用于加热密封容器内的液氮；恒温装置用于将超导带材夹在内部以保持超导带材恒温，在测试时间开始前，液氮浸没恒温装置和加热装置；温度传感器用于检测超导带材的温度；电压电流测量装置用于测量超导带材的电压信号和电流信号；控制装置为超导带材提供测试电流，为加热装置提供加热电流，并基于温度信号、电压信号和电流信号确定超导带材在各目标温度下的载流特性。上述系统和方法可测试超导带材在高于77K，特别是85‑90K的温度下的载流特性。

Description

用于测试超导带材载流特性的系统和方法

技术领域

本发明涉及超导带材技术领域，更具体地涉及一种用于测试超导带材载流特性的系统和方法。

背景技术

随着西气东输，西电东送等工程的陆续启动，气电同时输送进入超导研究的视野。可以根据液化天然气(LNG)和电力对低温环境的共同需求，使用混合工质作为超导电缆的冷却剂，实现LNG和电力的一体化输送。例如，在超导直流能源管道的基础研究项目中，利用天然气输送管道内流动的LNG以及其他类型液体燃料作为超导电缆的制冷剂，在管道内架设超导电缆，同时实现超导电力运输，达到电力/LNG输送一体化。在能源管道中，超导电缆与LNG共用制冷系统、绝热管道和制冷站，能降低综合成本、提高能源利用效率，为能源互联网建设提供了先进技术方案。

在上述能源管道中超导电缆工作在85-90K的混合工质温区。但是目前拟用于高温超导电缆本体的Bi-2223超导带材，国内外只有其在常压液氮温区(77K)下的载流特性数据，缺乏在85-90K温区下的载流特性的实验数据。

发明内容

考虑到上述问题而提出了本发明。本发明提供了一种用于测试超导带材载流特性的系统和方法。

根据本发明一个方面，提供了一种用于测试超导带材载流特性的系统，包括：密封容器，密封容器包括容器本体和容器盖，容器本体用于容纳液氮，容器盖具有电压引线端子、电流引线端子、温度引线端子和加热电源端子；加热装置，用于在测试时间内布置在容器本体内部并用于加热液氮，加热装置具有用于连接至加热电源端子的加热引线，测试时间是测试超导带材的载流特性的时间；恒温装置，用于在测试时间内布置在容器本体内部，恒温装置包括左侧恒温组件、右侧恒温组件以及位于左侧恒温组件和右侧恒温组件之间的中间恒温组件，左侧恒温组件、右侧恒温组件和中间恒温组件中的每一个的热导率高于预设热导率阈值并且比热容高于预设比热容阈值，其中，中间恒温组件用于在测试时间内将超导带材的中间带材段夹在内部，并且中间恒温组件与超导带材相互绝缘，左侧恒温组件和右侧恒温组件分别用于在测试时间内将超导带材的左侧带材段和右侧带材段夹在各自内部，并且左侧恒温组件和右侧恒温组件与超导带材电气连通，其中，左侧恒温组件和右侧恒温组件分别连接有用于连接至电流引线端子的电流引线，中间带材段连接有用于连接至电压引线端子的电压引线；温度传感器，用于在测试时间内布置在超导带材周围预设距离内，以检测超导带材的温度，温度传感器具有用于连接至温度引线端子的温度引线；电压电流测量装置，用于在测试时间内与电压引线端子和电流引线端子连接并测量对应的电压信号和电流信号；控制装置，用于在测试时间内与电流引线端子、温度引线端子、加热电源端子和电压电流测量装置连接，用于经由电流引线端子为超导带材提供测试电流，经由加热电源端子为加热装置提供加热电流，经由温度引线端子接收温度传感器输出的温度信号，接收电压电流测量装置输出的电压信号和电流信号，并基于温度信号、电压信号和电流信号确定超导带材在各目标温度下的载流特性，其中，在测试时间开始前，液氮浸没恒温装置和加热装置。

示例性地，控制装置包括冲击电流发生器和/或直流电源，冲击电流发生器用于在测试时间内经由电流引线端子为超导带材提供冲击电流，直流电源用于在测试时间内经由电流引线端子为超导带材提供直流电流，测试电流包括冲击电流和/或直流电流，电流信号包括与冲击电流相对应的冲击电流信号和/或与直流电流相对应的直流电流信号；控制装置还包括控制单元，控制单元用于基于温度信号、电压信号和冲击电流信号确定超导带材在各目标温度下的短路电流冲击特性，和/或基于温度信号、电压信号和直流电流信号确定超导带材在各目标温度下的临界电流，载流特性包括短路电流冲击特性和临界电流。

示例性地，控制装置还包括双掷开关转换装置，冲击电流发生器和直流电源经由双掷开关转换装置与电流引线端子连接，双掷开关转换装置用于控制输入电流引线端子的电流在冲击电流和直流电流之间切换。

示例性地，中间恒温组件具有电压引线凹槽和温度引线凹槽，电压引线凹槽用于容纳电压引线，温度引线凹槽用于容纳温度引线。

示例性地，温度传感器紧贴超导带材布置，和/或温度传感器采用热敏电阻实现。

示例性地，中间带材段采用绝缘胶带包裹。

示例性地，中间恒温组件、左侧恒温组件和右侧恒温组件采用铜块实现。

示例性地，电压电流测量装置包括霍尔元件和电压表，霍尔元件用于在测试时间内与电流引线端子连接并测量对应的电流信号；电压表用于在测试时间内与电压引线端子连接并测量对应的电压信号。

示例性地，恒温装置还包括固定板，中间恒温组件包括第一中间恒温件和第二中间恒温件，第一中间恒温件用于在测试时间内通过第一连接件固定在固定板上，第二中间恒温件用于在测试时间内通过第二连接件固定在第一中间恒温件上，其中，在测试时间内，第一中间恒温件和第二中间恒温件贴合，中间带材段夹在第一中间恒温件和第二中间恒温件之间。

示例性地，左侧恒温组件包括第一左侧恒温件和第二左侧恒温件，第一左侧恒温件用于在测试时间内通过第三连接件固定在固定板上，第二左侧恒温件用于在测试时间内通过第四连接件固定在第一左侧恒温件上，其中，在测试时间内，第一左侧恒温件和第二左侧恒温件贴合，左侧带材段夹在第一左侧恒温件和第二左侧恒温件之间。

示例性地，右侧恒温组件包括第一右侧恒温件和第二右侧恒温件，第一右侧恒温件用于在测试时间内通过第五连接件固定在固定板上，第二右侧恒温件用于在测试时间内通过第六连接件固定在第一右侧恒温件上，其中，在测试时间内，第一右侧恒温件和第二右侧恒温件贴合，右侧带材段夹在第一右侧恒温件和第二右侧恒温件之间。

示例性地，密封容器是杜瓦。

根据本发明另一方面，提供了一种用于测试超导带材载流特性的方法，应用于上述系统，方法包括：将超导带材夹放在恒温装置内部，其中，中间带材段、左侧带材段和右侧带材段分别夹放在中间恒温组件、左侧恒温组件和右侧恒温组件内部；将加热装置和恒温装置布置在容器本体中；将温度传感器布置在超导带材周围预设距离内；将电压引线、电流引线、温度引线和加热引线分别与电压引线端子、电流引线端子、温度引线端子和加热电源端子连接；向容器本体内加入液氮，直至液氮浸没加热装置和恒温装置；将容器盖与容器本体结合，以使容器本体处于密封状态；将电压电流测量装置与电压引线端子和电流引线端子连接；将控制装置与电流引线端子、温度引线端子、加热电源端子和电压电流测量装置连接；通过控制装置控制加热装置对液氮进行加热，当基于温度信号确定超导带材达到任一目标温度时，基于电压信号和电流信号确定超导带材在当前目标温度下的载流特性。

根据本发明实施例的用于测试超导带材载流特性的系统和方法，可以测试超导带材在高于常压液氮77K的温度，例如85-90K温区下的载流特性，这可以为能源管道中超导电缆的优化设计及安全运行提供重要的参考依据，对整个超导直流能源管道的基础研究项目意义重大。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1示出根据本发明一个实施例的用于测试超导带材载流特性的系统的密封容器及其内部的装置的示意图；

图2示出根据本发明另一个实施例的用于测试超导带材载流特性的系统的密封容器及其外部的装置的示意图；

图3示出根据本发明一个实施例的恒温装置及超导带材的示意图；以及

图4示出根据本发明一个实施例的用于测试超导带材载流特性的方法的示意性流程图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

如上所述，常规的超导带材载流特性实验装置是在开放环境下利用液氮来冷却超导带材使其达到77K温度然后进行实验，而能源管道中超导电缆运行在85-90K的混合工质温区，其高于常压液氮的77K温度，因此，需要采取一种新的测试技术来进行85-90K混合工质温区下的超导带材载流特性实验。

本发明实施例提供一种能够进行高于77K温度的温区内的超导带材载流特性实验的测试系统。该测试系统的主要原理是对密封容器内的液氮进行加热使其汽化，进而使密封容器内的压强增大、温度升高，这样可以使得超导带材的实验温度升高到77K以上。同时，可以通过恒温装置稳定超导带材的温度，使其各处温度一致。通过该测试系统，可以实现85-90K混合工质温区或者其他高于77K的温区内的超导带材载流特性实验。与常规的77K温度下超导带材载流特性实验装置相比，本系统具有设定环境温度可高于常压液氮的77K、并且可在一定温区内调节的特点。

图1示出根据本发明一个实施例的用于测试超导带材载流特性的系统的密封容器及其内部的装置的示意图。图2示出根据本发明另一个实施例的用于测试超导带材载流特性的系统的密封容器及其外部的装置的示意图。图3示出根据本发明一个实施例的恒温装置及超导带材的示意图。需注意，图1-3仅是示例而非对本发明的限制，用于测试超导带材载流特性的系统并不局限于图1-3所示的实现形式。下面结合图1-3描述用于测试超导带材载流特性的系统。

用于测试超导带材载流特性的系统包括密封容器110、加热装置120、恒温装置130、温度传感器(未示出)、电压电流测量装置140和控制装置150。

密封容器110包括容器本体和容器盖，容器本体用于容纳液氮，容器盖具有电压引线端子、电流引线端子、温度引线端子和加热电源端子(如图1所示)。

密封容器110的作用是提供一个保温、密封的实验空间，其可以采用任何合适的能够满足密封、绝热条件的容器实现。示例性地，密封容器110可以是杜瓦。杜瓦是一个绝热容器，其可以将外界的热量与内部的低温液体(环境)隔断。杜瓦是不锈钢的，其导电性能大概和铁的导电性能差不多(比铜和铜合金的导电性能差)。示例性地，可以在超导带材和恒温装置130外面包覆低温绝缘纸，例如聚酰亚胺薄膜，这样可以使超导带材和恒温装置130与杜瓦内壁物理隔离，避免碰到杜瓦内壁，进而避免漏电。密封容器110中可以加入液氮作为制冷介质。

加热装置120用于在测试时间内布置在容器本体内部并用于加热液氮，加热装置120具有用于连接至加热电源端子的加热引线，测试时间是测试超导带材的载流特性的时间。

在开始测试超导带材的载流特性之前，可以将加热装置120布置在容器本体内部，并在容器本体中加入液氮，所加入的液氮至少浸没加热装置120。示例性地，加热装置120可以是一直固定在容器本体内部的，也可以是一开始与容器本体分离并在开始测试之前放入的。加热装置120可以采用任何能够发出热量以对液氮进行加热的装置实现，例如采用加热棒实现。示例性地，可以通过加热电源端子向加热装置120输入加热电流，加热装置120可以将电能转换为热能，即发热，从而对液氮进行加热。

恒温装置130用于在测试时间内布置在容器本体内部，恒温装置130包括左侧恒温组件、右侧恒温组件以及位于左侧恒温组件和右侧恒温组件之间的中间恒温组件，左侧恒温组件、右侧恒温组件和中间恒温组件中的每一个的热导率高于预设热导率阈值并且比热容高于预设比热容阈值，其中，中间恒温组件用于在测试时间内将超导带材的中间带材段夹在内部，并且中间恒温组件与超导带材相互绝缘，左侧恒温组件和右侧恒温组件分别用于在测试时间内将超导带材的左侧带材段和右侧带材段夹在各自内部，并且左侧恒温组件和右侧恒温组件与超导带材电气连通，其中，左侧恒温组件和右侧恒温组件分别连接有用于连接至电流引线端子的电流引线，中间带材段连接有用于连接至电压引线端子的电压引线。

预设热导率阈值和预设比热容阈值可以是任何合适的值，其可以根据需要设定。例如，预设热导率阈值可以是300W/(m·K)，预设比热容阈值可以是350J/(kg·K)。可以将预设热导率阈值和预设比热容阈值设置得尽量大，以使各恒温组件的热导率和比热容尽量高，这样，各恒温组件可以达到导热快、热容量大的目标，这有利于使超导带材的温度基本保持稳定，以便为在不同温度下展开载流特性测试提供窗口期。

参见图3，示出恒温装置120的示例性结构。在图3中，示出中间恒温组件2、9，左侧恒温组件1、8，右侧恒温组件3、10，固定螺孔4、5、6、11、13、16、18，被测试的超导带材7，固定板12，电压引线凹槽14、17，温度引线凹槽15，电压引线(包括引线本体和与超导带材连接的焊点)19、20。需注意，图1-3所示的各种引线的形式仅是示例而非对本发明的限制，例如，图1仅示出一根温度引线，但是该温度引线可以实际为四根，其中两根测热敏电阻的电压，两根测热敏电阻的电流，并基于电压和电流换算出热敏电阻的电阻值，进而确定与电阻值相对应的温度值。

从图3可以看出，超导带材7整体位于中间恒温组件、左侧恒温组件、右侧恒温组件的中间，即超导带材7横穿中间恒温组件、左侧恒温组件、右侧恒温组件的内部，中间恒温组件、左侧恒温组件、右侧恒温组件各自将超导带材7的一部分夹在中间。超导带材的电压测点位于中间恒温组件夹住的中间带材段上。为了准确测量超导带材的载流特性，需要两个电压测点之间只有超导带材上有电流而与之接触的中间恒温组件上没有电流，否则测到的将是超导带材与中间恒温组件并联的结果，因此中间恒温组件和超导带材需要相互绝缘，即二者之间不导电。而两侧的恒温组件除使超导带材保持恒温之外，还用于向超导带材导入测试电流，因此，两侧的恒温组件与超导带材电气连通。

可选地，中间恒温组件、左侧恒温组件、右侧恒温组件彼此可以采用相同或不同的材料实现。比较可取的是，中间恒温组件、左侧恒温组件、右侧恒温组件采用统一的材料实现，这有利于保持超导带材各处的温度一致。示例性地，中间恒温组件、左侧恒温组件、右侧恒温组件可以均采用铜块实现。

示例性地，所述中间带材段可以采用绝缘胶带包裹。在中间恒温组件、左侧恒温组件、右侧恒温组件采用相同的导电材料(例如铜块)实现的情况下，可以通过将中间带材段用绝缘胶带包裹的方式来使中间恒温组件与超导带材相互绝缘，并可以将超导带材伸出中间恒温组件的左或右侧带材段与对应的左或右侧恒温组件直接接触来使二者电气连通。所述绝缘胶带可以是例如聚酰亚胺胶带。左侧恒温组件和右侧恒温组件各自与中间恒温组件之间相隔一段距离，从而保持左侧恒温组件和右侧恒温组件与中间恒温组件绝缘。

参见图1，在测试时间开始前，可以加入液氮至其浸没恒温装置130和加热装置120，即所加入的液氮的液面与恒温装置130和加热装置120中的较高者的最高点齐平或略高于该最高点。所述略高于该最高点可以是液氮的液面与该最高点之间的距离小于预设高度阈值，该预设高度阈值可以根据需要设定，例如为0.2厘米、0.5厘米、1厘米等。可选地，如图1所示，在测试时间内，可以将恒温装置130布置在加热装置120的上方，则恒温装置130和加热装置120中的较高者即为恒温装置130。此外，可选地，如图1所示，恒温装置130可以布置在样品架上，同时将样品架布置在容器本体内，以使恒温装置130能够平稳放置并维持一定高度。

此外，比较可取的是，在测试时间开始前，加入的液氮的体积小于容器本体的容积，液氮的体积与容器本体的容积之间的差距大于预设体积阈值，这样可以保证容器本体中具有足够大的用于容纳气液混合物和氮气的空间。

左侧恒温组件和右侧恒温组件分别连接有用于连接至容器盖上的电流引线端子的电流引线(图3未示出该电流引线)。可选地，电流引线可以连接至左侧恒温组件和右侧恒温组件的任一位置，此处连接是指电气连接，例如焊接。如图3所示，中间带材段连接有用于连接至电压引线端子的电压引线19、20，此处连接均指电气连接，其中，中间带材段与电压引线的连接可以是焊接。

温度传感器用于在测试时间内布置在超导带材周围预设距离内，以检测超导带材的温度，温度传感器具有用于连接至温度引线端子的温度引线。

预设距离可以是任何合适的距离，其可以根据需要设定。在一个示例中，温度传感器可以紧贴超导带材布置。温度传感器可以采用任何合适的能够检测超导带材温度的装置实现，例如，其可以采用热敏电阻实现。热敏电阻的电阻值与温度值成函数关系，即与温度值一一对应，控制装置150可以通过温度传感器的温度引线以及与温度引线电气连接的温度引线端子获得热敏电阻的温度信号，其可以是例如热敏电阻的电压信号和电流信号，进而确定超导带材的温度。

在一个示例中，可以将温度传感器紧贴在超导带材的中间带材段上，并与中间带材段一起用绝缘胶带包裹，随后可以将二者夹在中间恒温组件中间进行测试。温度传感器紧贴超导带材布置，有利于获得比较准确的温度检测结果。

电压电流测量装置140用于在测试时间内与电压引线端子和电流引线端子连接并测量对应的电压信号和电流信号。

电压电流测量装置140可以基于电压引线端子输出的电压信号测量中间带材段上的电压测点之间的电压，并且可以基于流经电流引线端子的电流信号测量流经超导带材的测试电流。所述测试电流可以是冲击电流或直流电流等，冲击电流可以用于测试超导带材的短路电流冲击特性，直流电流可以用于测试超导带材的临界电流，超导带材的载流特性可以包括所述短路电流冲击特性和临界电流。

控制装置150用于在测试时间内与电流引线端子、温度引线端子、加热电源端子和电压电流测量装置140连接，用于经由电流引线端子为超导带材提供测试电流，经由加热电源端子为加热装置120提供加热电流，经由温度引线端子接收温度传感器输出的温度信号，接收电压电流测量装置140输出的电压信号和电流信号，并基于温度信号、电压信号和电流信号确定超导带材在各目标温度下的载流特性，其中，在测试时间开始前，液氮浸没恒温装置130和加热装置120。

参见图2，控制装置150与电流引线端子、温度引线端子、加热电源端子和电压电流测量装置140连接，此处连接指电气连接。示例性而非限制性地，控制装置150可以包括控制单元。控制单元可以采用任何具有数据处理能力和/或指令执行能力的装置实现，包括但不限于个人计算机、服务器等电子设备。此外，控制单元还可以是中央处理单元(CPU)、微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(FPGA)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元。

示例性地，控制单元可以与电压电流测量装置140连接，以获得电压电流测量装置140输出的电压信号和电流信号。示例性地，控制单元可以与温度引线端子连接，以获得温度传感器输出的温度信号。

示例性地，控制装置150还可以包括交流电源，控制单元可以与交流电源连接，交流电源与加热电源端子连接。控制单元可以控制交流电源向加热电源端子传输加热电流，进而使加热装置120能够对液氮进行加热。

示例性地，控制装置150还可以包括带材电源，带材电源可以与电流引线端子连接，以经由电流引线端子为超导带材提供测试电流。带材电源可以包括冲击电流发生器和/或直流电源。

控制装置150可以通过提供加热电流来控制加热装置120对液氮进行加热，以使液氮逐渐汽化，密封容器110内的压强也随之逐渐增大。由于液氮的沸点，也就是冷凝点，具有随着压强增大而上升的特点，因此密封容器110内的液氮的汽化温度也逐渐上升。如图1所示，由于液氮的汽化，在密封容器110内分为液氮、气液混合物和空气(其包含汽化后的氮气)三层，其中，液氮和气液混合物保持温度一致，空气相对气液混合物和液氮具有一定的温度差，因此，在密封容器内，从上到下存在一定的温度梯度。超导带材在测试过程中，可能由于布置操作或工艺等问题，导致超导带材无法保持完全水平，各部分存在高度差，通过恒温装置130可以克服此时密封容器从上到下的温度梯度对超导带材的温度影响，使得超导带材各部分保持温度一致。此外，恒温装置130还可以帮助减小超导带材自身在长度方向上的温度梯度，进一步使得超导带材各部分保持温度一致。

如上所述，根据本发明实施例提供的用于测试超导带材载流特性的系统主要由密封容器110、加热装置120、恒温装置130、温度传感器、电压电流测量装置140和控制装置150组成。其中，密封容器110的作用是提供一个保温、密封的实验空间；液氮作为制冷介质；而加热装置120的作用就是在常压液氮所提供的77K温度基础上使超导带材的温度上升到实验所需温度。在混合着液氮、气液混合物及空气的密封容器110内，恒温装置130能使超导带材整体上(尤其在长度方向)保持相同的温度。温度传感器检测超导带材的温度。电压电流测量装置140用来测量超导带材的电压信号和电流信号。控制装置150可以进行总体控制和处理，例如控制加热装置120加热以使超导带材的温度上升到目标温度，控制超导带材的测试电流的形式和大小，通过各目标温度下的超导带材的电压信号和电流信号计算伏安特性特性曲线，从伏安特性曲线中可以确定各目标温度下超导带材的载流特性。

测试时可以先将超导带材安装在恒温装置中，并将温度传感器紧贴在超导带材上。然后可以将安置好超导带材和温度传感器的恒温装置放置在密封容器内的样品架上，并将加热装置放置在密封容器内。将各种引线与对应的引线端子连接。将密封容器外部的各种装置与容器盖上的引线端子连接好。连接好上述系统之后，再向密封容器中注入合适量的液氮，合上容器盖、封闭密封容器。此外，将控制装置和电压电流测量装置与容器盖上的对应引线端子连接好。这样测试系统就搭建完毕可以进行载流特性测试。

上述根据本发明实施例的用于测试超导带材载流特性的系统，可以测试超导带材在高于常压液氮77K的温度，例如85-90K温区下的载流特性，这可以为能源管道中超导电缆的优化设计及安全运行提供重要的参考依据，对整个超导直流能源管道的基础研究项目意义重大。

根据本发明实施例，控制装置150可以包括冲击电流发生器和/或直流电源，冲击电流发生器用于在测试时间内经由电流引线端子为超导带材提供冲击电流，直流电源用于在测试时间内经由电流引线端子为超导带材提供直流电流，测试电流包括冲击电流和/或直流电流，电流信号包括与冲击电流相对应的冲击电流信号和/或与直流电流相对应的直流电流信号；控制装置150还可以包括控制单元，控制单元用于基于温度信号、电压信号和冲击电流信号确定超导带材在各目标温度下的短路电流冲击特性，和/或基于温度信号、电压信号和直流电流信号确定超导带材在各目标温度下的临界电流，载流特性包括短路电流冲击特性和临界电流。

示例性地，冲击电流发生器可以用来产生冲击电流，冲击电流是一种脉冲电流。该冲击电流的最大幅值在预定幅值范围内可调，该冲击电流的作用时间在预定时间范围内可调。所述预定幅值范围可以是任意的，例如0.5-10kA，该预定时间范围也可以是任意的，例如20-100ms。直流电源输出的直流电流可以是任意大小，例如，其可以落入0-1000A的范围内。

可选地，冲击电流发生器和直流电源可以仅配置一个，此时可以将冲击电流发生器和直流电源直接或间接与电流引线端子连接，向电流引线端子传输测试电流。可选地，在冲击电流发生器和直流电源均存在的情况下，可以在不同时间分别使用冲击电流发生器和直流电源传输测试电流，以分别测试超导带材的短路电流冲击特性和临界电流。

超导带材的短路电流冲击特性对于超导电缆的短路电流冲击耐受能力、电阻型限流器的限流性能等有着直接的影响，测试超导带材的短路电流冲击特性可以为超导直流电缆的优化设计和故障分析提供有效的理论依据。临界电流特性是超导材料的基本特性之一，其是衡量超导材料质量的主要技术指标，因此，测试该特性可以为超导带材的应用和开发提供重要参考。

根据本发明实施例，控制装置还包括双掷开关转换装置，冲击电流发生器和直流电源经由双掷开关转换装置与电流引线端子连接，双掷开关转换装置用于控制输入电流引线端子的电流在冲击电流和直流电流之间切换。

参见图2，示出冲击电流发生器和直流电源以及与二者连接的双掷开关转换装置。图2示出双掷开关转换装置经由霍尔元件(其属于电压电流测量装置140)与电流引线端子连接，但这仅是示例而非对本发明的限制，双掷开关转换装置可以直接或经由其他电路元件连接至电流引线端子。双掷开关转换装置的双掷端分别连接直流电源和冲击电流发生器，双掷开关转换装置可以控制电流回路在经过直流电源和经过冲击电流发生器这两种情况中切换，使得输入电流引线端子的电流在冲击电流和直流电流之间切换。本领域技术人员可以理解双掷开关转换装置的结构和工作原理，本文不做赘述。

通过双掷开关转换装置可以简单方便地控制输入电流引线端子的电流在冲击电流和直流电流之间切换，进而可以非常方便地轮换进行短路电流冲击特性测试和临界电流测试。

根据本发明实施例，中间恒温组件具有电压引线凹槽和温度引线凹槽，电压引线凹槽用于容纳电压引线，温度引线凹槽用于容纳温度引线。

参考图3，示出了电压引线凹槽14、17和温度引线凹槽15，它们位于中间恒温组件的第一中间恒温件内。在将固定好温度传感器以及连接好电压引线的超导带材布置到第一中间恒温件上之前、之后或与此同时，可以将两根电压引线分别布置在电压引线凹槽14、17中，并将温度引线布置在温度引线凹槽15中。通过上述引线凹槽，可以将对应的引线固定在预定位置上，避免引线位置变动，干扰测试。此外，将引线置于凹槽内，还可以减少对超导带材稳定布置的干扰，有利于中间恒温组件与超导带材紧密贴合，进而有利于保证超导带材温度的一致性和稳定性。

根据本发明实施例，电压电流测量装置140可以包括霍尔元件和电压表，霍尔元件用于在测试时间内与电流引线端子连接并测量对应的电流信号；电压表用于在测试时间内与电压引线端子连接并测量对应的电压信号。示例性地，电压表可以是纳伏电压表。

参见图2，示出霍尔元件和电压表。霍尔元件用于测量流经超导带材的测试电流的大小，电压表用于测量超导带材的两个电压测点之间的电压的大小。图2仅是示例而非限制，例如霍尔元件可以采用其他电流测量装置实现。霍尔元件既可以测量直流也可以测量交流，因此采用霍尔元件可以同时测量上述冲击电流和直流电流二者，无需再添加其他额外装置，这样可以节约硬件成本。

根据本发明实施例，恒温装置130还可以包括固定板，中间恒温组件包括第一中间恒温件和第二中间恒温件，第一中间恒温件用于在测试时间内通过第一连接件固定在固定板上，第二中间恒温件用于在测试时间内通过第二连接件固定在第一中间恒温件上，其中，在测试时间内，第一中间恒温件和第二中间恒温件贴合，中间带材段夹在第一中间恒温件和第二中间恒温件之间。

参见图3，示出第一中间恒温件9、第二中间恒温件2和固定板12。示例性地，该固定板12可以是环氧树脂板。图3还示出第一中间恒温件9上的螺孔13、16以及第二中间恒温件2上的螺孔5。第一连接件和第二连接件可以是对应的螺钉。可选地，第一连接件和第二连接件可以是同一连接件，也可以是不同连接件。例如，可以通过同一螺钉贯穿第一中间恒温件9和第二中间恒温件2上的螺孔，将二者固定在一起。可选地，固定板12上也可以具有螺孔，贯穿第一中间恒温件9和第二中间恒温件2上的螺孔的螺钉可以进一步与固定板12上的螺孔接合，进而将第一中间恒温件9固定在固定板12上。上述螺孔和螺钉的方案仅是示例而非对本发明的限制，可以采用其他任何合适的连接件(例如连接销)将固定板、第一中间恒温件和第二中间恒温件固定在一起。固定板可以用来放置在样品架上。将固定板、第一中间恒温件和第二中间恒温件固定在一起，这便于保持测试过程中超导带材的位置稳定，并便于使超导带材与恒温组件充分接触、实现良好的导热性。

根据本发明实施例，左侧恒温组件可以包括第一左侧恒温件和第二左侧恒温件，第一左侧恒温件用于在测试时间内通过第三连接件固定在固定板上，第二左侧恒温件用于在测试时间内通过第四连接件固定在第一左侧恒温件上，其中，在测试时间内，第一左侧恒温件和第二左侧恒温件贴合，左侧带材段夹在第一左侧恒温件和第二左侧恒温件之间。

参见图3，示出第一左侧恒温件8、第二左侧恒温件1、第一左侧恒温件8上的螺孔11以及第二左侧恒温件1上的螺孔4。与中间恒温组件类似地，可以通过螺钉将固定板12、第一左侧恒温件8和第二左侧恒温件4固定在一起。同样地，上述螺孔和螺钉的方案仅是示例而非对本发明的限制，可以采用其他任何合适的连接件(例如连接销)将固定板、第一左侧恒温件和第二左侧恒温件固定在一起。将固定板、第一左侧恒温件和第二左侧恒温件固定在一起，这便于保持测试过程中超导带材的位置稳定，并便于使超导带材与恒温组件充分接触、实现良好的导热性。

根据本发明实施例，右侧恒温组件可以包括第一右侧恒温件和第二右侧恒温件，第一右侧恒温件用于在测试时间内通过第五连接件固定在固定板上，第二右侧恒温件用于在测试时间内通过第六连接件固定在第一右侧恒温件上，其中，在测试时间内，第一右侧恒温件和第二右侧恒温件贴合，右侧带材段夹在第一右侧恒温件和第二右侧恒温件之间。

参见图3，示出第一右侧恒温件10、第二右侧恒温件3、第一右侧恒温件10上的螺孔18以及第二右侧恒温件3上的螺孔6。与中间恒温组件和左侧恒温组件类似地，可以通过螺钉将固定板12、第一右侧恒温件10和第二右侧恒温件3固定在一起。同样地，上述螺孔和螺钉的方案仅是示例而非对本发明的限制，可以采用其他任何合适的连接件(例如连接销)将固定板、第一右侧恒温件和第二右侧恒温件固定在一起。将固定板、第一右侧恒温件和第二右侧恒温件固定在一起，这便于保持测试过程中超导带材的位置稳定，并便于使超导带材与恒温组件充分接触、实现良好的导热性。

根据本发明另一方面，提供一种用于测试超导带材载流特性的方法，应用于上述用于测试超导带材载流特性的系统。图4示出根据本发明一个实施例的用于测试超导带材载流特性的方法400的示意性流程图。如图4所示，所述方法400包括步骤S410、S420、S430、S440、S450、S460、S470、S480和S490。需注意，图4所示仅是示例，方法400中的各步骤并不局限于图4所示的执行顺序，例如，步骤S430可以在步骤S410之前、之后或与其同时执行，步骤S440可以在步骤S460之前的任意时刻执行，步骤S480可以在步骤S470之前、之后或与其同时执行。

在步骤S410，将超导带材夹放在恒温装置内部，其中，中间带材段、左侧带材段和右侧带材段分别夹放在中间恒温组件、左侧恒温组件和右侧恒温组件内部。

在步骤S420，将加热装置和恒温装置布置在容器本体中。

在步骤S430，将温度传感器布置在超导带材周围预设距离内。

在步骤S440，将电压引线、电流引线、温度引线和加热引线分别与电压引线端子、电流引线端子、温度引线端子和加热电源端子连接。

在步骤S450，向容器本体内加入液氮，直至液氮浸没加热装置和恒温装置。

在步骤S460，将容器盖与容器本体结合，以使容器本体处于密封状态。

在步骤S470，将电压电流测量装置与电压引线端子和电流引线端子连接。

在步骤S480，将控制装置与电流引线端子、温度引线端子、加热电源端子和电压电流测量装置连接。

在步骤S490，通过控制装置控制加热装置对液氮进行加热，当基于温度信号确定超导带材达到任一目标温度时，基于电压信号和电流信号确定超导带材在当前目标温度下的载流特性。

可以按照步骤S410-S480组装用于测试超导带材载流特性的系统，组装完毕后，可以开始进行测试。下面以85-90K温区下的超导带材载流特性测试为例描述测试流程。

首先控制加热装置120工作，当温度传感器测得的超导带材温度达到85K时停止加热，测试此时超导带材的载流特性并记录测试时的温度。可选地，在当前温度下可以进行上述两种载流特性的测试。例如，可以将图2的双掷开关转换装置合向直流电源，并测试临界电流；还可以将图2的双掷开关转换装置合向冲击电流发生器，并测试短路电流冲击特性。在该温度条件下测试结束后可以继续加热液氮，在85-90K温区每隔一段温度区间即可重复上述测试过程。通过这种方式，可以测试获得超导带材在85-90K温区内的若干目标温度下的载流特性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的用于测试超导带材载流特性的系统中的一些模块的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种用于测试超导带材载流特性的系统，包括：

密封容器，所述密封容器包括容器本体和容器盖，所述容器本体用于容纳液氮，所述容器盖具有电压引线端子、电流引线端子、温度引线端子和加热电源端子；

加热装置，用于在测试时间内布置在所述容器本体内部并用于加热所述液氮，所述加热装置具有用于连接至所述加热电源端子的加热引线，所述测试时间是测试所述超导带材的载流特性的时间；

恒温装置，用于在所述测试时间内布置在所述容器本体内部，所述恒温装置包括左侧恒温组件、右侧恒温组件以及位于所述左侧恒温组件和所述右侧恒温组件之间的中间恒温组件，所述左侧恒温组件、所述右侧恒温组件和所述中间恒温组件中的每一个的热导率高于预设热导率阈值并且比热容高于预设比热容阈值，其中，所述中间恒温组件用于在所述测试时间内将所述超导带材的中间带材段夹在内部，并且所述中间恒温组件与所述超导带材相互绝缘，所述左侧恒温组件和所述右侧恒温组件分别用于在所述测试时间内将所述超导带材的左侧带材段和右侧带材段夹在各自内部，并且所述左侧恒温组件和所述右侧恒温组件与所述超导带材电气连通，其中，所述左侧恒温组件和所述右侧恒温组件分别连接有用于连接至所述电流引线端子的电流引线，所述中间带材段连接有用于连接至所述电压引线端子的电压引线；

温度传感器，用于在所述测试时间内布置在所述超导带材周围预设距离内，以检测所述超导带材的温度，所述温度传感器具有用于连接至所述温度引线端子的温度引线；

电压电流测量装置，用于在所述测试时间内与所述电压引线端子和所述电流引线端子连接并测量对应的电压信号和电流信号；

控制装置，用于在所述测试时间内与所述电流引线端子、所述温度引线端子、所述加热电源端子和所述电压电流测量装置连接，用于经由所述电流引线端子为所述超导带材提供测试电流，经由所述加热电源端子为所述加热装置提供加热电流，经由所述温度引线端子接收所述温度传感器输出的温度信号，接收所述电压电流测量装置输出的电压信号和电流信号，并基于所述温度信号、所述电压信号和所述电流信号确定所述超导带材在各目标温度下的载流特性，

其中，在所述测试时间开始前，所述液氮浸没所述恒温装置和所述加热装置，并且所加入的所述液氮的体积小于所述容器本体的容积，所述液氮的体积与所述容器本体的容积之间的差距大于预设体积阈值。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制装置包括冲击电流发生器和/或直流电源，所述冲击电流发生器用于在所述测试时间内经由所述电流引线端子为所述超导带材提供冲击电流，所述直流电源用于在所述测试时间内经由所述电流引线端子为所述超导带材提供直流电流，所述测试电流包括所述冲击电流和/或所述直流电流，所述电流信号包括与所述冲击电流相对应的冲击电流信号和/或与所述直流电流相对应的直流电流信号；

所述控制装置还包括控制单元，所述控制单元用于基于所述温度信号、所述电压信号和所述冲击电流信号确定所述超导带材在各目标温度下的短路电流冲击特性，和/或基于所述温度信号、所述电压信号和所述直流电流信号确定所述超导带材在各目标温度下的临界电流，所述载流特性包括所述短路电流冲击特性和所述临界电流。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述控制装置还包括双掷开关转换装置，所述冲击电流发生器和所述直流电源经由所述双掷开关转换装置与所述电流引线端子连接，

所述双掷开关转换装置用于控制输入所述电流引线端子的电流在所述冲击电流和所述直流电流之间切换。

4.如权利要求1至3任一项所述的系统，其中，所述中间恒温组件具有电压引线凹槽和温度引线凹槽，所述电压引线凹槽用于容纳所述电压引线，所述温度引线凹槽用于容纳所述温度引线。

5.如权利要求1至3任一项所述的系统，其中，所述温度传感器紧贴所述超导带材布置，和/或所述温度传感器采用热敏电阻实现。

6.如权利要求1至3任一项所述的系统，其中，所述中间带材段采用绝缘胶带包裹。

7.如权利要求1至3任一项所述的系统，其中，所述中间恒温组件、所述左侧恒温组件和所述右侧恒温组件采用铜块实现。

8.如权利要求1至3任一项所述的系统，其中，所述电压电流测量装置包括霍尔元件和电压表，

所述霍尔元件用于在所述测试时间内与所述电流引线端子连接并测量对应的电流信号；

所述电压表用于在所述测试时间内与所述电压引线端子连接并测量对应的电压信号。

9.如权利要求1至3任一项所述的系统，其中，所述恒温装置还包括固定板，所述中间恒温组件包括第一中间恒温件和第二中间恒温件，所述第一中间恒温件用于在所述测试时间内通过第一连接件固定在所述固定板上，所述第二中间恒温件用于在所述测试时间内通过第二连接件固定在所述第一中间恒温件上，

其中，在所述测试时间内，所述第一中间恒温件和所述第二中间恒温件贴合，所述中间带材段夹在所述第一中间恒温件和所述第二中间恒温件之间。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所述左侧恒温组件包括第一左侧恒温件和第二左侧恒温件，所述第一左侧恒温件用于在所述测试时间内通过第三连接件固定在所述固定板上，所述第二左侧恒温件用于在所述测试时间内通过第四连接件固定在所述第一左侧恒温件上，

其中，在所述测试时间内，所述第一左侧恒温件和所述第二左侧恒温件贴合，所述左侧带材段夹在所述第一左侧恒温件和所述第二左侧恒温件之间。

11.如权利要求9所述的系统，其中，所述右侧恒温组件包括第一右侧恒温件和第二右侧恒温件，所述第一右侧恒温件用于在所述测试时间内通过第五连接件固定在所述固定板上，所述第二右侧恒温件用于在所述测试时间内通过第六连接件固定在所述第一右侧恒温件上，

其中，在所述测试时间内，所述第一右侧恒温件和所述第二右侧恒温件贴合，所述右侧带材段夹在所述第一右侧恒温件和所述第二右侧恒温件之间。

12.如权利要求1至3任一项所述的系统，其中，所述密封容器是杜瓦。

13.一种用于测试超导带材载流特性的方法，应用于如权利要求1至12任一项所述的系统，所述方法包括：

将所述超导带材夹放在所述恒温装置内部，其中，所述中间带材段、所述左侧带材段和所述右侧带材段分别夹放在所述中间恒温组件、所述左侧恒温组件和所述右侧恒温组件内部；

将所述加热装置和所述恒温装置布置在所述容器本体中；

将所述温度传感器布置在所述超导带材周围预设距离内；

将所述电压引线、所述电流引线、所述温度引线和所述加热引线分别与所述电压引线端子、所述电流引线端子、所述温度引线端子和所述加热电源端子连接；

向所述容器本体内加入所述液氮，直至所述液氮浸没所述加热装置和所述恒温装置，其中所加入的所述液氮的体积小于所述容器本体的容积，所述液氮的体积与所述容器本体的容积之间的差距大于预设体积阈值；

将所述容器盖与所述容器本体结合，以使所述容器本体处于密封状态；

将所述电压电流测量装置与所述电压引线端子和所述电流引线端子连接；

将所述控制装置与所述电流引线端子、所述温度引线端子、所述加热电源端子和所述电压电流测量装置连接；

通过所述控制装置控制所述加热装置对所述液氮进行加热，当基于所述温度信号确定所述超导带材达到任一目标温度时，基于所述电压信号和所述电流信号确定所述超导带材在当前目标温度下的载流特性。

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