CN112597671B - 一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法，根据阻值大小判断超导带材与导体间接触状态，该测量方法与传统伏安法相比有效降低了测量成本，在实际工艺难度与操作性上存在一定优越性。本方法利用了安培力及接触电阻对电流衰减的影响，过程如下：搭建低温接触电阻测量平台，检查测量回路是否处于超导状态；待测量回路检测正常，对磁铁速度分布情况进行采样分析；根据采样情况划分衡量连接处接触情况；利用磁铁下落轨迹进行建模，构建接触电阻与下落轨迹的仿真关联模型；基于关联模型拟合实际情况反向求解接触电阻。本发明在评估超导电力设备中线材的连接状态具有十分重要的意义。

Description

一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法

技术领域

本发明涉及低温超导技术领域，具体涉及一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法。

背景技术

二十世纪九十年代末，高温超导材料的制备技术取得了突破性的进展，高温超导线材形成产业化生产，促进了超导应用技术的研究。

目前，超导技术在电网中主要应用成果包括超导电缆、超导限流器、超导变压器及超导电动机等。其中，超导带材与普通线缆间连接部位作为超导电力设备的关键部分，其连接点的接触状态影响接触部位的发热状态。连接点接触不良将导致接触点局部发热明显，过高的温度使得超导线材失超，进而影响整个电力设备。因此，如何测量低温液氮环境下接触电阻显得至关重要。目前，接触电阻传统的测量方法采用伏安法进行测量，然而在液氮环境下传感器及纤细的导线难以承受过低的温度。更为重要的是，测量仪器由纳伏表与微安表组成，昂贵的仪器成本与测量点端头焊接工艺增加了测量难度。因此目前亟待改进测量超导电缆端头连接处电阻的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法。这种测量方法不仅克服了低温液氮环境下超导线材与电流引线接触电阻的测量问题，同时极大程度上降低了测量成本与操作难度。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法，所述方法包括以下步骤：

S1、搭建低温接触电阻测量试验平台，检查测量回路超导性能，其中，所述低温接触电阻测量平台包括低温恒温箱、保利龙泡沫构成的绝热层、超导带材、被测物体、光电门、数字计数器、高速摄像机、热电偶及配套数显温控器，其中，超导带材与被测物体之间采用铟基焊料In₅₁Bi_32.5Sn_16.5低温焊接形成完整回路，光电门与数字计数器采集磁铁下落至不同位置时所需时间，高速摄像机用于捕捉磁铁下落轨迹，热电偶及配套数显温控器用于监测测量回路温度变化情况，绝热层用于阻断恒温箱中液氮的低温入侵包括光电门、高速摄像机在内电子设备；

S2、待测量回路运行基本条件检测正常，开展接触电阻测量实验；

S3、在接触电阻测量实验时采用磁铁零初速释放的方式，根据磁铁下落轨迹对被测物体接触点接触状态进行初步判断并分类，利用低温接触电阻测量平台中光电门及高速摄像机记录磁铁的下落轨迹，通过数据处理绘制磁铁下落轨迹；

S4、利用磁铁下落轨迹进行建模，构建接触电阻与下落轨迹的仿真关联模型；

S5、基于关联模型拟合实际情况反向求解接触电阻，推断连接部位的接触状态。

进一步地，所述步骤S1中，通过热电阻采集与监测测量回路的温度，实现对超导带材性能的检测，

其中，回路性能检测标准如下：若测量回路热电偶温度高于92K，更换超导带材或对测量回路与被测物体的接触点重新焊接，若更换带材或重新焊接后测量点温度仍高于92K，则考虑增加液氮流量及低温恒温箱箱壁的厚度，增强箱体自身冷却效果。

进一步地，所述步骤S2中，基于测量回路正常工作状态，磁铁材质采用压制粘结钕铁硼，采用多组取均值的方式降低偶然偏差对结果的影响，其中，压制粘结钕铁硼密度为7.5g/cm³，多组磁铁规格如下，第一组：半径5mm，高度10mm，质量5.89g；第二组：半径6mm，高度10mm，质量8.48g；第三组：半径6.8mm，高度10mm，质量10.9g；第四组：半径7.5mm，高度10mm，质量13.25g；第五组：半径8.2mm，高度10mm，质量15.84g。

进一步地，所述步骤S3中，在磁铁下落过程中，超导带材绕组不断变化的磁通量在测量回路中产生感生电流，其以安培力的形式影响磁铁下落加速度，同时，感生电流受被测物体接触电阻的影响不断衰减，与磁通量变化产生的感生电流形成一个动态的过程，磁铁下落过程中的支配方程如下：

其中，r为超导带材线圈的半径，单位m；N为多层超导带材线圈的匝数；R_touch为被测物体的接触电阻，单位Ω；R_sup为超导带材超导态时自身的电阻,单位Ω；m为磁铁的质量，单位kg；v(t₁)是磁铁t₁时刻的下落速度，单位m/s；a(t)是t时刻磁铁加速度，单位m/s²；I(t)为t时刻由超导带材构成的测量回路中流过的电流，单位A；E(t)为t时刻测量回路中的感应电动势，单位V；Ф(t,z)为t时刻磁铁产生的磁场通过测量回路高度为z处的磁通量，单位Wb；F(t)为t时刻测量回路产生的感应电流作用在磁铁上的安培力，单位N，方向垂直向上；B(z,t)为t时刻由磁铁产生的通过高度为z的超导带材绕组的磁通量密度，单位T；θ(z,t)为t时刻磁感线与高度为z超导带材绕组缠绕角；g为重力加速度；

其中，记测量回路首尾相接时磁铁触底时间为t₀，测量回路断路时磁铁触底时间为t₁，根据磁铁触底时间将被测物体接触点接触状态进行分类：(1)接触不良：磁铁触底时间超过0.8t₀，(2)一般接触：磁铁触底时间范围1.2t₁～0.8t₀，(3)接触良好：磁铁触底时间小于1.2t₁。

进一步地，所述超导带材与被测物体间采用铟基焊料In₅₁Bi_32.5Sn_16.5低温焊接形成完整回路，控制测量回路与被测物体间接触电阻低于10nΩ，以消除测量回路与被测物体间焊接点对结果分析的影响。

进一步地，所述步骤S4中，基于连接部位不同的接触状态，采用有限元软件Comsol构建被测物体接触点的等效模型，模拟低温接触电阻测量平台中磁铁下落的情况。

进一步地，所述的步骤S5中，基于仿真模型描绘的磁铁的运动轨迹，与实验中记录的运动轨迹进行相似度对比，对比分析采用欧几里得距离算法：

其中，v_i为仿真中高度为z_i处磁铁速度，单位m/s；v_exp为实验中对应高度下磁铁的速度，单位m/s；n为一组实验测得的速度数据的数量；

根据欧几里得距离算法所得轨迹误差数值情况对仿真中接触电阻的阻值进行调整：

(1)若轨迹误差ε≤0.1，将被测物体接触点处的接触电阻作为仿真中设置的接触电阻的数值；

(2)若轨迹误差0.1<ε≤10，在不改变接触电阻阻值数量级的前提下调整接触电阻阻值大小，调整方法采用二分法直至满足轨迹误差ε≤0.1；

(3)若轨迹误差ε≥10，调整接触电阻阻值的数量级，直至满足轨迹误差0.1<ε≤10。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、本发明基于磁悬浮法，采用实验与仿真相结合的方式：实验捕捉轨迹，仿真拟合实验反向求解接触电阻，避免使用纳伏表与微安表等昂贵测量器材，有效降低测量的成本。

2)、本发明方法通过间接测量的方式，可通过磁铁的下落情况对被测物体接触点的接触情况进行分类。该方法拥有在不同数量级下接触电阻测量的普遍适用性。

附图说明

图1是本发明公开的一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法中测量装置示意图；

图2是本发明一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法，该方法包括以下步骤：

S1、搭建低温接触电阻测量试验平台，检查测量回路超导性能；

该步骤S1中，搭建实验装置需要设定相关装置的静态参数，实验采用苏州新材料生产的第二代超导带材YBCO(钇钡铜氧)，带材厚度为0.18mm、宽度为4mm；采用PPLP(聚丙烯层压纸)包裹带材进行绝缘处理；圆柱通道外侧的超导带材绕组匝数为100；低温恒温箱的材质采用铝合金，箱体内部真空绝热区域厚度为10cm。低温恒温箱规格如下：长×宽×高3m×1m×1m；磁铁下落的圆柱通道外径为60cm，内径为52cm。

低温接触电阻测量试验平台的安装步骤如下：

S11、将超导带材紧密缠绕在圆柱通道下端，并引出两端端头作为连接点；

S12、采用铟基焊料In₅₁Bi_32.5Sn_16.5将超导带材端头与被测物体间用低温焊接的方式形成完整回路。控制测量回路与被测物体间接触电阻低于10nΩ，以消除测量回路与被测物体间焊接点对结果分析的影响；

S13、在超导带材绕组处等间距安置温度传感器PT100，共计10组，用于监测超导带材温度分布情况；

S14、在圆柱通道内侧铺设厚度为4cm的保利龙泡沫形成绝热层；

S15、在绝热层上安置光电门，相邻光电门之间间距保持5cm，共计20个，以粘附的形式贴在泡沫板上作为测量装置；

S16、将被测物体与测量回路形成的整体放入低温恒温箱中。

值得注意的是，在缠绕超导带材时，要保证超导带材圆环中弯曲曲率应处处小于超导带材临界弯曲曲率，实验测量装置如图1所示。

搭建低温接触电阻测量试验平台后，需要对测量回路超导带材的性能进行检测，检测标准如下：若测量回路热电偶温度高于92K，更换超导带材或对测量回路与被测物体的接触点重新焊接，若更换带材或重新焊接后测量点温度仍高于92K，则考虑增加液氮流量及低温恒温箱箱壁的厚度，增强低温恒温箱自身冷却效果。

S2、待测量回路运行基本条件检测正常，开展接触电阻测量实验；

该步骤S2中，基于测量回路正常工作状态，磁铁材质采用压制粘结钕铁硼，采用多组取均值的方式降低偶然偏差对结果的影响。其中，压制粘结钕铁硼密度为7.5g/cm³，磁铁规格如下表所示。

表1.磁铁规格表

S3、在接触电阻测量实验时采用磁铁零初速释放的方式，根据磁铁下落轨迹对被测物体接触点接触状态进行初步判断并分类，利用低温接触电阻测量平台中光电门及高速摄像机记录磁铁的下落轨迹，通过数据处理绘制磁铁下落轨迹；

该步骤S3中，实验采用磁铁零初速释放的方式，根据磁铁下落轨迹对被测物体接触点接触状态进行初步判断并分类，利用试验平台中光电门及高速摄像机记录磁铁的下落轨迹。

磁铁下落过程中，超导带材绕组不断变化的磁通量在测量回路中产生感生电流，其以安培力的形式影响磁铁下落加速度。与此同时，感生电流受被测物体接触电阻的影响不断衰减，与磁通量变化产生的感生电流形成一个动态的过程。磁铁下落过程中的支配方程：

其中，r为超导带材线圈的半径，单位m；N为多层超导带材线圈的匝数；R_touch为被测物体的接触电阻，单位Ω；R_sup为超导带材超导态时自身的电阻,单位Ω；m为磁铁的质量，单位kg；v(t₁)是磁铁t₁时刻的下落速度，单位m/s；a(t)是t时刻磁铁加速度，单位m/s²；I(t)为t时刻由超导带材构成的测量回路中流过的电流，单位A；E(t)为t时刻测量回路中的感应电动势，单位V；Ф(t,z)为t时刻磁铁产生的磁场通过测量回路高度为z处的磁通量，单位Wb；F(t)为t时刻测量回路产生的感应电流作用在磁铁上的安培力，单位N，方向垂直向上；B(z,t)为t时刻由磁铁产生的通过高度为z的超导带材绕组的磁通量密度，单位T；θ(z,t)为t时刻磁感线与高度为z超导带材绕组缠绕角；g为重力加速度，取均值9.8m/s²。

S4、利用磁铁下落轨迹进行建模，构建接触电阻与下落轨迹的仿真关联模型；

该步骤S4中，开始进行实验，实验采用磁铁零初速释放的方式，分别采用不同组别小磁铁从圆柱通道上方20cm处自由下落。利用试验平台中光电门及高速摄像机记录磁铁的下落轨迹，根据磁铁下落轨迹对被测物体接触点接触状态进行初步判断并分类，具体判断方法，记测量回路首尾相接时磁铁触底时间为t₀，测量回路断路时磁铁触底时间为t₁，根据磁铁触底时间可将被测物体接触点接触状态进行分类：(1)接触不良：磁铁触底时间小于1.2t₁，(2)一般接触：磁铁触底时间范围1.2t₁～0.8t₀，(3)接触良好：磁铁触底时间超过0.8t₀。

使用光电门记录不同组磁铁下落过程，每组数据采用多次试验取均值的方式减小误差，分别绘制出不同组别磁铁下落过程的v-x图像。这样就能够得到小磁铁在x＝5cm、10cm、15cm……100cm处的下落速度，每组数据记作(v₁,v₂,v₃,v₄……v₁₉,v₂₀)。

S5、基于关联模型拟合实际情况反向求解接触电阻，推断连接部位的接触状态。

该步骤S5中，基于对被测物体接触状态的分类，采用有限元分析软件Comsol构建被测物体接触点等效模型，模拟低温接触电阻测量平台中磁铁下落的情况。通过对被测物体连接处接触电阻阻值的参数化扫描，通过仿真得到的v-x图像中选取与实验终光电门位置相同的点，记作(v₁ ⁿ,v₂ ⁿ,v₃ ⁿ,v₄ ⁿ……v₁₉ ⁿ,v₂₀ ⁿ)。利用仿真来模拟磁铁的下落过程，得到的v-x图像与实际图像相似度越高，说明设置的接触电阻与实际接触电阻越相近。基于仿真模型描绘的磁铁运动轨迹，与实验中记录的运动轨迹进行相似度对比，对比分析采用欧几里得距离算法：

其中，v_i为仿真中高度为z_i处磁铁速度，单位m/s；v_exp为实验中对应高度下磁铁的速度，单位m/s；n为一组实验测得的速度数据的数量。

根据算法所得轨迹误差数值情况对仿真中接触电阻的阻值进行调整：

条件(1)：若轨迹误差ε≤0.1，可认为被测物体接触点处的接触电阻即为仿真中设置的接触电阻的数值。

条件(2)：若轨迹误差0.1<ε≤10，在不改变接触电阻阻值数量级的前提下调整接触电阻阻值大小。调整方法采用二分法直至满足轨迹误差ε≤0.1。

条件(3)：若轨迹误差ε≥10，调整接触电阻阻值的数量级，直至满足轨迹误差0.1<ε≤10。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、搭建低温接触电阻测量试验平台，检查测量回路超导性能，其中，所述低温接触电阻测量试验平台包括低温恒温箱、保利龙泡沫构成的绝热层、超导带材、被测物体、光电门、数字计数器、高速摄像机、热电偶及配套数显温控器，其中，超导带材与被测物体之间采用铟基焊料In₅₁Bi_32.5Sn_16.5低温焊接形成完整回路，光电门与数字计数器采集磁铁下落至不同位置时所需时间，高速摄像机用于捕捉磁铁下落轨迹，热电偶及配套数显温控器用于监测测量回路温度变化情况，绝热层用于阻断恒温箱中液氮的低温入侵包括光电门、高速摄像机在内电子设备；

S2、待测量回路运行基本条件检测正常，开展接触电阻测量实验；

S3、在接触电阻测量实验时采用磁铁零初速释放的方式，根据磁铁下落轨迹对被测物体接触点接触状态进行初步判断并分类，利用低温接触电阻测量平台中光电门及高速摄像机记录磁铁的下落轨迹，通过数据处理绘制磁铁下落轨迹；

S4、利用磁铁下落轨迹进行建模，构建接触电阻与下落轨迹的仿真关联模型；

S5、基于关联模型拟合实际情况反向求解接触电阻，推断连接部位的接触状态。

2.根据权利要求1所述的一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过热电阻采集与监测测量回路的温度，实现对超导带材性能的检测，

其中，回路性能检测标准如下：若测量回路热电偶温度高于92K，更换超导带材或对测量回路与被测物体的接触点重新焊接，若更换带材或重新焊接后测量点温度仍高于92K，则考虑增加液氮流量及低温恒温箱箱壁的厚度，增强箱体自身冷却效果。

3.根据权利要求1所述的一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法，其特征在于，所述步骤S2中，基于测量回路正常工作状态，磁铁材质采用压制粘结钕铁硼，采用多组取均值的方式降低偶然偏差对结果的影响，其中，压制粘结钕铁硼密度为7.5g/cm³，多组磁铁规格如下，第一组：半径5mm，高度10mm，质量5.89g；第二组：半径6mm，高度10mm，质量8.48g；第三组：半径6.8mm，高度10mm，质量10.9g；第四组：半径7.5mm，高度10mm，质量13.25g；第五组：半径8.2mm，高度10mm，质量15.84g。

4.根据权利要求1所述的一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法，其特征在于，所述步骤S3中，在磁铁下落过程中，超导带材绕组不断变化的磁通量在测量回路中产生感生电流，其以安培力的形式影响磁铁下落加速度，同时，感生电流受被测物体接触电阻的影响不断衰减，与磁通量变化产生的感生电流形成一个动态的过程，磁铁下落过程中的支配方程如下：

其中，r为超导带材线圈的半径，单位m；N为多层超导带材线圈的匝数；R_touch为被测物体的接触电阻，单位Ω；R_sup为超导带材超导态时自身的电阻,单位Ω；m为磁铁的质量，单位kg；v(t₁)是磁铁t₁时刻的下落速度，单位m/s；a(t)是t时刻磁铁加速度，单位m/s²；I(t)为t时刻由超导带材构成的测量回路中流过的电流，单位A；E(t)为t时刻测量回路中的感应电动势，单位V；Ф(t,z)为t时刻磁铁产生的磁场通过测量回路高度为z处的磁通量，单位Wb；F(t)为t时刻测量回路产生的感应电流作用在磁铁上的安培力，单位N，方向垂直向上；B(z,t)为t时刻由磁铁产生的通过高度为z的超导带材绕组的磁通量密度，单位T；θ(z,t)为t时刻磁感线与高度为z超导带材绕组缠绕角；g为重力加速度；

其中，记测量回路首尾相接时磁铁触底时间为t₀，测量回路断路时磁铁触底时间为t₁，根据磁铁触底时间将被测物体接触点接触状态进行分类：(1)接触不良：磁铁触底时间小于1.2t₁，(2)一般接触：磁铁触底时间范围1.2t₁～0.8t₀，(3)接触良好：磁铁触底时间超过0.8t₀。

5.根据权利要求4所述的一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法，其特征在于，所述超导带材与被测物体间采用铟基焊料In₅₁Bi_32.5Sn_16.5低温焊接形成完整回路，控制测量回路与被测物体间接触电阻低于10nΩ，以消除测量回路与被测物体间焊接点对结果分析的影响。

6.根据权利要求1所述的一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法，其特征在于，所述步骤S4中，基于连接部位不同的接触状态，采用有限元软件Comsol构建被测物体接触点的等效模型，模拟低温接触电阻测量平台中磁铁下落的情况。

7.根据权利要求1所述的一种液氮环境中超导线材与电流引线接触电阻测量的方法，其特征在于，所述的步骤S5中，基于仿真模型描绘的磁铁的运动轨迹，与实验中记录的运动轨迹进行相似度对比，对比分析采用欧几里得距离算法：

其中，v_i为仿真中高度为z_i处磁铁速度，单位m/s；v_exp为实验中对应高度下磁铁的速度，单位m/s；n为一组实验测得的速度数据的数量；

根据欧几里得距离算法所得轨迹误差数值情况对仿真中接触电阻的阻值进行调整：

(1)若轨迹误差ε≤0.1，将被测物体接触点处的接触电阻作为仿真中设置的接触电阻的数值；

(2)若轨迹误差0.1<ε≤10，在不改变接触电阻阻值数量级的前提下调整接触电阻阻值大小，调整方法采用二分法直至满足轨迹误差ε≤0.1；

(3)若轨迹误差ε≥10，调整接触电阻阻值的数量级，直至满足轨迹误差0.1<ε≤10。

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