CN112415302A - 一种传导冷却高温超导电缆的运行与测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种传导冷却高温超导电缆的运行与测试装置及方法，包括模拟太空环境试验装置、低温系统模块、测量系统模块和供电系统模块；通过模拟太空环境试验装置提供真空环境，测量模拟太空环境试验装置内的传导冷却高温超导电缆的应变、温度和通流能力；通过调节传导冷却高温超导电缆的电流，得到传导冷却高温超导电缆电压、温度和应变值。本发明能在无低温液体浸泡的低温环境下对传导冷却高温超导电缆的本征特性和物理参数进行综合测量，具有能实时测量、精度高等优点。

Description

一种传导冷却高温超导电缆的运行与测试装置及方法

技术领域

本发明属于超导电缆领域，涉及传导冷却高温超导电缆的运行过程中温度场和应变场的测试装置及方法。

背景技术

随着高温超导带材制造工艺的成熟，利用高载流密度的传导冷却高温超导电缆进行输电的研究进一步发展起来。相比于常规电缆，传导冷却高温超导电缆具有容量大，损耗低，体积小等优点。

采用制冷机传导冷却方式为超导系统的运行提供低温环境的优点在于结构简单，操作方便，制冷系统的体积和质量大幅下降，同时不需要低温液体输送和补充操作，在空间太阳能电站等电流容量大、不易维护的地方有很重要的研究意义，然而在制冷机冷却高温超导直流电缆的过程中，由于传导冷却高温超导电缆传热性能和制冷机冷量的限制，制冷机冷却的超导电缆降温速度慢、抗热扰动能力低，不可避免地在电缆运行过程中会产生温度的不均匀分布以及附加的热应力，而线(带)材在温度变化和应力作用的情况下，均会出现超导电性(如通流能力等)的退化现象。所以，通过对制冷机传导冷却的高温超导电缆进行实验，研究传导冷却高温超导电缆冷却效率、热稳定性以及失超恢复特性是现有技术中的一大难点。

目前，传导冷却超导电缆应用的研究处于初级阶段，各项技术均不完善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种传导冷却高温超导电缆运行与测试装置及方法，监测传导冷却高温超导电缆的稳定运行。本发明能在无低温液体浸泡的低温环境下对传导冷却高温超导电缆的本征特性和物理参数进行综合测量，具有能实时测量、精度高的特点。

本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：

一种传导冷却超导电缆的运行与测试装置，包括模拟太空环境试验装置、低温系统模块、测量系统模块和供电系统模块；

所述模拟太空环境试验装置内置有传导冷却高温超导电缆，低温系统模块、测量系统模块和供电系统模块分别连接模拟太空环境试验装置；

所述低温系统模块，用于对高温超导电缆采用传导冷却方式进行制冷，为其提供冷量；并对模拟太空环境试验装置提供真空环境；

所述测量系统模块，用于测量模拟太空环境试验装置内的传导冷却高温超导电缆的应变、温度和通流能力；

所述供电系统模块，为模拟太空环境试验装置、低温系统模块和测量系统模块提供电能；

通过调节传导冷却高温超导电缆的电流，得到传导冷却高温超导电缆的电压、温度和应变值。

优选的，所述低温系统模块包括制冷机组和真空机组，所述制冷机组包括压缩机和冷头，压缩机连接冷头，冷头连接至传导冷却高温超导电缆；

所述真空机组包括前级机械泵、真空波纹管和分子泵，机械前置泵与分子泵连接；分子泵通过分子泵控制仪控制，将压缩机和分子泵分别与水冷机组进行连接。

优选的，所述测量系统模块包括传感器和数据采集仪器；所述传感器包括铂电阻、低温应变片和真空规管；所述数据采集仪器包括温度监视器、动态应变仪和复合真空计，复合真空计通过真空规管连接到模拟太空环境试验装置上；真空规管与试验腔体通过法兰连接；

所述铂电阻和低温应变片分别与温度监视器和动态应变仪连接。

优选的，所述测量系统模块还包括辅助监测装置，包括分流器和电压表；分流器串联在传导冷却高温超导电缆所在的电路中，测得的电压与可编程直流电源上的输出电压进行对比，对可编程直流电源输出电压进行监视。

优选的，在模拟太空环境试验装置两端安装多个航空插头，传感器通过所述航空插头与数据采集仪器连接。

优选的，所述供电系统模块包括供电闸箱和可编程直流电源，供电闸箱内设有空气开关，供电闸箱分别与前级机械泵、可编程直流电源和压缩机连接。

进而，本发明提供了一种传导冷却超导电缆的运行与测试方法，包括以下步骤：

1)开启前级机械泵和分子泵给模拟太空环境试验装置进行抽真空，当模拟太空环境试验装置腔体内真空度小于10^-2Pa时，启动制冷机对模拟太空环境试验装置内的传导冷却高温超导电缆进行制冷，使得模拟太空环境试验装置腔体内的高温超导电缆达到超导运行温度；

2)通过温度监视器和动态应变仪记录降温过程中传导冷却高温超导电缆整体的温度和应变分布；

3)采用供电系统模块对被测传导冷却高温超导电缆加电，控制可编程直流电源改变电流，检测传导冷却高温超导电缆两端的电压变化；

4)分时分段调节通过传导冷却高温超导电缆的电流，利用温度监视器和动态应变仪记录正常电流阶段和故障电流阶段被测点的温度和应变值；

5)将测试点的数据拟合，得到正常电流阶段以及故障电流阶段传导冷却高温超导电缆的温度和应变分布。

优选的，通过铜导冷带与传导冷却高温超导电缆相连，冷却传导高温超导电缆冷却至20K～80K之间，冷头和铜导冷带与传导冷却高温超导电缆电流引线之间应绝缘。

优选的，当通过电流超过额定电流20％时，判断传导冷却高温超导电缆两端电压有无明显上升，有明显上升，则测量得到主导体通流能力未达到120％；无明显上升，则主导体通流能力超过120％。

优选的，控制可编程直流电源改变电流，可编程直流电源的电流变化规律分为正常电流阶段和故障电流阶段，通过计算得到正常电流阶段和故障电流阶段的电流大小。

本发明的有益效果在于：

1.本发明在试验腔体上安装有制冷机冷头，利用传导冷却方式实现对高温超导电缆的制冷，与传统低温制冷剂浸泡制冷的方式相比，不需要频繁的补充低温液体，可用于无人值守的环境，为高温超导电缆的应用拓展了范围。

2.本发明测量系统中的数据采集仪器与超导电缆上布置的传感器的连接通过试验腔体上的航空插头实现，使得测量过程中试验腔体的真空度能够得到保证，从而减少了试验环境的漏热，提高了超导电缆测试过程中的稳定性。

3.本发明通过试验腔体上的航空插头将高温超导电缆和电压表、温度监视器以及动态应变仪连接，可以测量得到传导冷却超导电缆的通流能力，同时采用分时分段供流的方法对超导电缆进行电流加载，能够测量高温超导电缆通电过程中的温度和应变的分布，实现了高温超导电缆的各类物理参数的综合测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明传导冷却超导电缆温度和应变测试实验台原理图；

图2是低温系统模块示意图；

图3是供电系统示意图；

图4是测量系统示意图。

图中：11、压缩机；12、冷头；13、前级机械泵；14、真空波纹管；15、分子泵。

21、供电闸箱；22、空气开关；23、可编程直流电源。

31、动态应变仪；32、复合真空计；33、真空规管；34、温度监视器；35、电压表；36、分流器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：

如图1-4所示，本发明是一种测量传导冷却高温超导电缆温度场和应变场的装置，该装置包括模拟太空环境试验装置、低温系统模块、测量系统模块和供电系统模块；模拟太空环境试验装置内置有传导冷却高温超导电缆，低温系统模块、测量系统模块和供电系统模块分别连接模拟太空环境试验装置。低温系统模块，用于对高温超导电缆采用传导冷却方式进行制冷，为其提供冷量；并对模拟太空环境试验装置提供真空环境。测量系统模块，用于测量模拟太空环境试验装置内的传导冷却高温超导电缆的应变、温度和通流能力。供电系统模块，为模拟太空环境试验装置、低温系统模块和测量系统模块提供电能。

图2是低温系统模块的示意图，包括制冷机组和真空机组两大部分，制冷机组包括压缩机11和冷头12，压缩机11和冷头12之间通过密封氦气连管连接，冷头12连接至传导冷却高温超导电缆；真空机组包括前级机械泵13、真空波纹管14以及分子泵15，前级机械泵13与分子泵15之间通过真空波纹管14连接，分子泵15的启闭通过分子泵控制仪来控制，将压缩机11和分子泵15分别与水冷机组进行连接，将压缩机11和分子泵15运行产生的热量通过水冷机组带走。

图3是供电系统模块的示意图，包括供电闸箱21和可编程直流电源23，供电闸箱21里面安装有空气开关22用来保护系统，从供电闸箱上21引出三相导线，分别与前级机械泵13、可编程直流电源23以及压缩机11连接，为前级机械泵13、压缩机11和可编程直流电源23供电。

图4是测量系统模块的示意图，测量系统包括传感器和数据采集仪器；传感器包括铂电阻、低温应变片和真空规管33；数据采集仪器包括温度监视器34、动态应变仪31和复合真空计32，复合真空计32通过真空规管33连接到模拟太空环境试验装置上；真空规管33与试验腔体通过法兰连接，监测模拟太空环境试验装置的真空度数据。

模拟太空环境试验装置中的传导冷却高温超导电缆上设置有包括低温应变片和铂电阻的传感器，低温应变片和铂电阻的引线分别与动态应变仪31和温度监视器34连接，通过低温应变片和铂电阻将采集传导冷却高温超导电缆的应变和温度的数据传输至动态应变仪31和温度监视器34，采集传导冷却高温超导电缆的应变和温度。

测量系统模块还包括辅助监测装置，包括分流器36和电压表35；电压表35连接分流器36，分流器36串联在传导冷却高温超导电缆所在的电路中，电压表35并联在分流器36两端，电压表35测量分流器36两端的电压，与可编程直流电源23上的输出电压进行对比，对输出电压进行监视，确保实验环境的安全。

在本实施例中，首先在传导冷却高温超导电缆上布置低温应变片和已标定的铂电阻，低温应变片采用四分之一桥连接方法，应变片的粘贴质量直接影响数据测量的准确性，而低温应变片需要用低温胶水来固定，铂电阻采用四引线连接方法；其次将传导冷却高温超导电缆安装到模拟太空环境试验装置内，低温应变片和铂电阻引线分别焊接在模拟太空环境试验装置法兰内侧的航空插头接线柱上，法兰外侧对应的航空插头接线柱用引线与动态应变仪31和温度监视器34相连接。

在本实施例中，图3所示，首先供电闸箱与电力系统的连接，需要用万用表测量各相之间以及各相与中性点之间的电压，任意两相之间的电压为380V，各相与中性点之间的电压应该为220V，确保空气开关能正常起保护的作用；然后从供电闸箱引出导线，对各个设备进行供电。在接线的过程中，使用万用表检查可能漏电的位置，确保整个系统运行时的安全性。在连接压缩机、前级机械泵、可编程直流电源的过程中，三相线的顺序要与设备一致，否则设备不能启动。完成供电系统的检查，闭合总开关，给整个实验系统供电。

在本实施例中，图2所示，实验系统要达到20K～80K的超低温环境，必须在真空环境下进行，因此需要给模拟太空环境试验装置进行抽真空，首先开启前级机械泵给模拟太空环境试验装置进行预抽真空，当模拟太空环境试验装置腔体内真空度小于10Pa时，通过分子泵控制仪启动分子泵，须注意启动分子泵之前，要将水冷循环管接至分子泵的进水口和出水口，待分子泵运转至额定转速时，通过复合真空计观察模拟太空环境试验装置中的真空度，小于10^-2Pa时，启动两台制冷机对模拟太空环境试验装置内的传导冷却高温超导电缆进行制冷。

同样的，在启动压缩机之前须将水冷循环管接至压缩机的进水口和出水口，两台制冷机的冷头分别安装在模拟太空环境试验装置两端下方位置，通过铜导冷带与传导冷却高温超导电缆，冷却传导高温超导电缆至20K～80K之间，须注意冷头和铜导冷带与传导冷却高温超导电缆电流引线之间的绝缘，通过温度监视器和动态应变仪记录降温过程中传导冷却高温超导电缆整体的温度分布和应变分布。

在本实施例中，选取1m长1kA/10kV的Bi系高温超导直流电缆，从被测传导冷却高温超导电缆两端通过航空插头引出导线，与电压表相连接，控制可编程直流电源改变电流，当通过电流超过额定电流20％时，测量传导冷却高温超导电缆两端电压有无明显上升，有明显上升，则测量得到主导体通流能力小于1.2kA，即通流能力未达到120％；无明显上升，则主导体通流能力大于1.2kA，即通流能力超过120％。

在本实施例中，传导冷却高温超导电缆的通电过程：用大电流铜电缆分别连接模拟太空环境试验装置两端法兰外侧电流引线的接线柱，然后与分流器串联，接至可编程直流电源两端，形成传导冷却高温超导电缆回路，待模拟太空环境试验装置内的温度低于80K时，开启电源通电，利用可编程直流电源输出电流可控的特点，分时分段调节通过传导冷却高温超导电缆的电流，利用温度监视器和动态应变仪记录正常电流阶段和故障电流阶段被测点的温度和应变值，最后将测试点的数据拟合，得到正常电流阶段以及故障电流阶段传导冷却高温超导电缆的温度和应变分布，根据温度和应变分布对传导冷却高温超导电缆的运行状态进行监视。

通过控制低温系统模块使得传导冷却高温超导电缆处于某一温度以下，控制可编程直流电源分时分段改变电流，通过温度监视器和动态应变仪记录超导电缆在不同电流下超导带材层的温度分布和应变分布，可编程直流电源的电流变化规律分为正常电流阶段(如式(1))和故障电流阶段(如式(2))，

式中，i为正常电流大小，t_d表示降温时间，t_s1表示达到正常电流的时间，(t_s2-t_s2)表示电缆通过正常电流的时间，i_s表示正常电流的大小。

式中，i₁为故障电流大小，t_f1表示达到故障电流的时间，(t_f2-t_f1)表示电缆通过故障电流的时间，i_f表示故障电流的大小。

综上所述，本发明在试验腔体上安装有制冷机冷头，利用传导冷却方式实现对高温超导电缆的制冷，与传统低温制冷剂浸泡制冷的方式相比，不需要频繁的补充低温液体，可用于无人值守的环境，为高温超导电缆的应用拓展了范围。高温超导电缆通过试验腔体上的航空插头和电压表、温度监视器以及动态应变仪连接，减少了系统的漏热，提高了测试过程的稳定性，同时本发明可以测量得到传导冷却超导电缆的通流能力，采用分时分段供流的方法对超导电缆进行电流加载，能测量高温超导电缆通电情况下的温度和应变的分布，实现了高温超导电缆的各类物理参数的综合测量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种传导冷却高温超导电缆的运行与测试装置，其特征在于，包括模拟太空环境试验装置、低温系统模块、测量系统模块和供电系统模块；

所述模拟太空环境试验装置内置有传导冷却高温超导电缆，低温系统模块、测量系统模块和供电系统模块分别连接模拟太空环境试验装置；

所述低温系统模块，用于对高温超导电缆采用传导冷却方式进行制冷，为其提供冷量；并对模拟太空环境试验装置提供真空环境；

所述测量系统模块，用于测量模拟太空环境试验装置内的传导冷却高温超导电缆的应变、温度和通流能力；

所述供电系统模块，为模拟太空环境试验装置、低温系统模块和测量系统模块提供电能；

通过调节传导冷却高温超导电缆的电流，得到传导冷却高温超导电缆的电压、温度和应变值。

2.根据权利要求1所述的一种传导冷却高温超导电缆的运行与测试装置，其特征在于，所述低温系统模块包括制冷机组和真空机组，所述制冷机组包括压缩机(11)和冷头(12)，压缩机(11)连接冷头(12)，冷头(12)连接至传导冷却高温超导电缆；

所述真空机组包括前级机械泵(13)、真空波纹管(14)和分子泵(15)，机械前置泵(13)与分子泵(15)连接；分子泵(15)通过分子泵控制仪控制，将压缩机(11)和分子泵(15)分别与水冷机组进行连接。

3.根据权利要求1所述的一种传导冷却高温超导电缆的运行与测试装置，其特征在于，所述测量系统模块包括传感器和数据采集仪器；所述传感器包括铂电阻、低温应变片和真空规管(33)；所述数据采集仪器包括温度监视器(34)、动态应变仪(31)和复合真空计(32)，复合真空计(32)通过真空规管(33)连接到模拟太空环境试验装置上；真空规管(33)与试验腔体通过法兰连接；

所述铂电阻和低温应变片分别与温度监视器(34)和动态应变仪(31)连接。

4.根据权利要求3所述的一种传导冷却高温超导电缆的运行与测试装置，其特征在于，所述测量系统模块还包括辅助监测装置，包括分流器(36)和电压表(35)；分流器(36)串联在传导冷却高温超导电缆所在的电路中，测得的电压与可编程直流电源(23)上的输出电压进行对比，对可编程直流电源(23)输出电压进行监视。

5.根据权利要求3所述的一种传导冷却高温超导电缆的运行与测试装置，其特征在于，在模拟太空环境试验装置两端安装多个航空插头，传感器通过所述航空插头与数据采集仪器连接。

6.根据权利要求1所述的一种传导冷却高温超导电缆的运行与测试装置，其特征在于，所述供电系统模块包括供电闸箱(21)和可编程直流电源(23)，供电闸箱内设有空气开关(22)，供电闸箱(21)分别与前级机械泵(13)、可编程直流电源(23)和压缩机(11)连接。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述装置的传导冷却高温超导电缆的运行与测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)开启前级机械泵和分子泵给模拟太空环境试验装置进行抽真空，当模拟太空环境试验装置腔体内真空度小于10^-2Pa时，启动制冷机对模拟太空环境试验装置内的传导冷却高温超导电缆进行制冷，使得模拟太空环境试验装置腔体内的高温超导电缆达到超导运行温度；

2)通过温度监视器和动态应变仪记录降温过程中传导冷却高温超导电缆整体的温度和应变分布；

3)采用供电系统模块对被测传导冷却高温超导电缆加电，控制可编程直流电源改变电流，检测传导冷却高温超导电缆两端的电压变化；

4)分时分段调节通过传导冷却高温超导电缆的电流，利用温度监视器和动态应变仪记录正常电流阶段和故障电流阶段被测点的温度和应变值；

5)将测试点的数据拟合，得到正常电流阶段以及故障电流阶段传导冷却高温超导电缆的温度和应变分布。

8.根据权利要求7所述的传导冷却高温超导电缆的运行与测试方法，其特征在于，通过铜导冷带与传导冷却高温超导电缆相连，冷却传导高温超导电缆至20K～80K之间，冷头和铜导冷带与传导冷却高温超导电缆电流引线之间应绝缘。

9.根据权利要求7所述的传导冷却高温超导电缆的运行与测试方法，其特征在于，当通过电流超过额定电流20％时，判断传导冷却高温超导电缆两端电压有无明显上升，有明显上升，则测量得到主导体通流能力未达到120％；无明显上升，则主导体通流能力超过120％。

10.根据权利要求7所述的传导冷却高温超导电缆的运行与测试方法，其特征在于，控制可编程直流电源改变电流，可编程直流电源的电流变化规律分为正常电流阶段和故障电流阶段，正常电流阶段和故障电流阶段的电流通过下式计算：

正常电流：

式中，i为正常电流大小，t_d表示降温时间，t_s1表示达到正常电流的时间，(t_s2-t_s2)表示电缆通过正常电流的时间，i_s表示正常电流的大小；

故障电流：

式中，i₁为故障电流大小，t_f1表示达到故障电流的时间，(t_f2-t_f1)表示电缆通过故障电流的时间，i_f表示故障电流的大小。

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