CN116256590A - 一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置及测试方法，测试装置主要包括：背场磁体，测试样品杜瓦，测试样品腔，测试样品，加热器，换热器，气体流量计，数据采集处理系统。加热器与待测样品置于测试样品腔内，施加变化的背景磁场，通过收集样品因交流损耗发热而蒸发的液氦量评估交流损耗；设置加热器的目的是为了标定实验装置，通过采集实验过程中流量计的示数，对数据后处理得到样品的交流损耗。该测试通过建立输入能量与液氦蒸发量的关联来测试样品的交流损耗，该方法可以解决高温超导电缆及线圈由于交流损耗大不便使用磁测法和电测法的难题，同时可以测试高场（最高20T）下的交流损耗，对高温超导电缆及线圈的应用具有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及高温超导材料测试技术领域，尤其涉及一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置及测试方法。
背景技术
高温超导材料由于其载流能力大、临界磁场高、临界温度高等优点，在电力、磁体、储能、动力、核聚变等行业具有重大应用前景，高温超导材料其直流载流时具有无损的特点，但是传输交变电流或工作在交变磁场环境时会由于磁感线的频繁进出超导体内部导致损耗产生，损耗的产生不仅会对低温系统造成额外的运行负荷，更有可能诱发超导体失超，影响稳定运行。以此对高温超导电缆及线圈的交流损耗进行测试评估是很有意义且必要的。
交流损耗测试方法有电测法、磁测法和量热法。其中电测法和磁测法灵敏度高，适合测试超导线材、带材及超导电缆小样，测试损耗量级较小，测试系统复杂且容易受外界电磁干扰。量热法测试交流损耗测试范围广，不受外界电磁环境影响。
传统采用量热法测试超导体交流损耗方法需要等待系统平衡，耗时长，且只能测试样品交变磁场环境下的周期内平均损耗，且受限于测试装置，无法得到高场下的测试数据，由于高温超导材料上临界场高的特性，其在高场下的交流损耗对应用来说依然至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置及测试方法，用以解决磁测法和电测法测试损耗测试量级小，测试容易受电磁干扰的问题，同时本发明的装置和方法可以测试由低场到高场(20T)的大范围内的交流损耗。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置，包括背场磁体、测试样品杜瓦、测试样品腔、测试样品、加热器、换热器、气体流量计和数据采集处理系统；
所述背场磁体为水冷磁体，其励磁速率达到0.1T/s，退磁速率达到0.2T/s，最高磁场达到20T，为测试样品提供变化的背景磁场；
所述测试样品杜瓦为真空隔热杜瓦，为测试样品提供液氦环境，测试样品杜瓦插入所述背场磁体的中心孔内；
所述测试样品腔内放置测试样品，同时测试样品腔的上部连接测试样品腔出气管，下部连接测试样品腔与杜瓦内液氦连通弯管，测试样品腔通过所述测试样品腔与杜瓦内液氦连通弯管与测试样品杜瓦内的液氦连通，用以收集蒸发的氦气；
所述测试样品为高温超导电缆；
所述加热器用以标定输入能量与气体流量计的测试流量之间的关系；
所述换热器为冷氦气换热器，将测试样品腔内液氦蒸发的冷氦气与换热介质进行换热，换热器的出口氦气温度为室温；
所述气体流量计为氦气流量计，用于测量测试样品腔内的液氦蒸发量；
所述数据采集处理系统由采集卡、采集仪表以及采集及数据储存电脑组成，通过采集卡和采集仪表对信号进行采集后由采集及数据储存电脑进行保存和数据处理；
所述测试样品和加热器位于测试样品腔内，测试样品腔通过测试样品腔出气管连接到测试样品杜瓦的上端法兰上的出口，再通过波纹管连接至换热器的冷端，换热器的热端通过波纹管连接至气体流量计，气体流量计、加热器的信号均通过数据采集信号线连接至采集卡和采集仪表。
进一步地，所述测试样品腔为G10材料，所述测试样品杜瓦为无磁不锈钢304材料。
进一步地，所述高温超导电缆包括高温超导线圈或带材制成的电缆或导体；所述高温超导线圈包括CORC缆、HFRC缆、TSTC缆、Robel缆或VIPER高温超导线圈。
本发明还提供一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试方法，基于输入能量与蒸发的氦气量的对应关系对测试样品交流损耗进行测量，将测试样品置于样品测试腔内，由液氦浸泡进行冷却，同时施加变化的外磁场，测量并记录由外磁场变化在超导磁体上产生损耗而蒸发的氦气量；在测试之前通过安装在测试样品腔内的加热器对标准输入能量与氦气流量计的流量之间的关系进行标定，建立输入能量与氦气流量之间的关系式，然后通过记录测试样品在外磁场变化时产生的氦气量换算得到测试样品在该外磁场变化的范围内的能量损耗。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供了一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置，包括背场磁体，测试样品杜瓦，测试样品腔，测试样品，加热器，换热器，流量计，数据采集处理。测试装置相较电测法和磁测法来说结构简单，不需要复杂的放大补偿电路，组装容易，测试过程易操作，同时不存在外界电磁对测试结果的干扰。可以测试磁化强度大，电测法和磁测法不能测量的样品，测试范围大，对高温超导电缆、导体、线圈等在低场及高场下的交流损耗均可以实施测量。
本发明提供了一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试方法，该方法较传统量热法，不需要等待气体流量稳定，大大缩短了测试时间，相交电测法和磁测法可以测试磁化信号更强的大样品，同时不受外界电磁环境的干扰。该方法测试磁场范围广，最高场可达20T，同时可以测试交流损耗量级大的样品，如导体，线圈等。
附图说明
为更清晰的说明本发明的装置具体结构及其技术方案，下面对装置结构使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明中提到的高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置的结构示意图。
其中附图标记为：1、背场磁体，2、测试样品杜瓦，3、测试样品腔，4、加热器，5、测试样品腔与杜瓦内液氦连通弯管，6、测试样品，7、测试样品吊杆，8、测试样品腔吊杆，9、测试样品腔出气管，10、换热器，11、截止阀，12、气体流量计，13、数据采集信号线，14、采集及数据储存电脑。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行完整清晰的描述，显然，所描述的实施案例是本发明的一部分实施例，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。
如图1所示，本发明的一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置包括背场磁体1，测试样品杜瓦2，测试样品腔3，测试样品6，加热器4，换热器10，气体流量计12，数据采集处理系统。所述数据采集处理系统由采集卡、采集仪表以及采集及数据储存电脑14组成，通过采集卡和采集仪表对信号进行采集后由采集及数据储存电脑14进行保存和数据处理。
对所述测试样品6进行准备，根据测试样品6的几何形状设置固定骨架，该固定骨架起固定支撑作用，不能在交变磁场环境下产生热损耗，影响测试结果，同时该固定骨架不应把测试样品6完全包覆，影响测试样品6与液氦接触传热。
所述测试样品6固定在固定骨架后通过测试样品吊杆7或其他形式固定在测试样品腔3内，同时避免测试样品6接触测试样品腔3，避免产生的热量传递给测试样品腔3。
所述加热器4固定在测试样品6的固定骨架上。
测试样品腔3上端与测试样品腔出气管9连接，下端通过测试样品腔与杜瓦内液氦连通弯管5与测试样品杜瓦2内的液氦连通，使用所述测试样品腔与杜瓦内液氦连通弯管5的目的是避免液氦杜瓦蒸发的氦气泡进入测试样品腔3内，影响测试结果，测试样品腔3的本体及与其他部件的连接缝需用环氧胶进行密封，避免漏气影响测试结果。
测试样品腔3通过测试样品腔吊杆8固定于测试样品杜瓦2的上法兰上，测试样品腔3通过测试样品腔出气管9穿过测试样品杜瓦2的上法兰连接外管道，上法兰出气口通过波纹管连接换热器10的进口，换热器10的出口经波纹管和截止阀11连接至气体流量计12。测试样品腔出气管9为环氧材质，其目的是减少由测试样品杜瓦2上端法兰向测试样品腔的传导漏热。
将测试样品杜瓦2放置于背场磁体1中心室温孔内，并对测试样品杜瓦2的上法兰进行固定。连接加热器4，气体流量计12的控制线及数据采集信号线13，关闭氦气的截止阀11，对气体流量计12的示数进行调零校准。
实验开始时，需要往测试样品杜瓦2内输入液氮进行预冷，减少液氦的消耗量，测试样品6及测试样品腔3经液氮浸泡半小时后将液氮赶出，然后将液氦输入测试样品杜瓦2内，液氦的液面到测试样品腔3上端面位置处停止输液。
停止输液后待系统稳定，此时记录氦气的气体流量计12的示数w1，此时的氦气流量对应的是测试装置静态下的本底损耗。在对测试样品6进行交流损耗测试之前需要对装置进行标准标定，标定的目的主要是建立测试样品腔3内输入能量与氦气蒸发量之间的关系。对测试装置进行标定时，通过外置电流源对加热器4进行供电，通过调整加热器4的电流大小及加热时间来控制测试样品腔3内输入能量的大小。例如对加热器4施加1W的功率，时间30s，能量Q为30J，加热器4加热时气体流量计12的流量开始上升，加热器4停止加热时气体流量计12的流量开始下降，待气体流量计12的示数下降到本底附近时为一个数据点标定结束，从气体流量计12的示数开始上升到气体流量计12的示数下降到本底时经历的时间为t，对这个过程气体流量计12的示数进行积分可以得到氦气的体积V1，由此可以得到30J能量引起的氦气流量为
。由此过程可以得到不同加热能量Q对应的氦气体积V，经数据处理后可得到之间的对应关系/>
，其中k、b为拟合系数。
对测试装置标定结束后对测试样品6进行交流损耗的测试，背场磁体1的磁场强度由B1励磁或退磁至B2后稳定保持，B1、B2分别为一个测试过程的开始和终止磁场强度，磁场变化时由于测试样品6由交流损耗的存在会导致液氦蒸发，气体流量计12的示数上升，磁场变化结束，气体流量计12的示数开始下降，待气体流量计12的示数下降到本底附近时为一个数据点测试结束，根据标定过程的数据数据处理方法可以得到B1-B2过程中由磁场变化蒸发的氦气体积
，根据标定得到的氦气体积与加热能量的关系可以得到该过程中对应的交流损耗能量/>
。
根据上述过程可以测试不同磁场区间的能量损耗，测试励磁和退磁的不同过程，可以得到励磁和退磁过程中不同磁场强度下的交流损耗。励磁和退磁过程采用不同的磁场变化率，可以得到相同磁场区间内磁场损耗能量与磁场变化率的关系，根据和磁场变化率有无关系可以从测试结果中分离出磁滞损耗和耦合损耗，磁滞损耗与磁场变化率无关，耦合损耗与磁场变化率的平方成正比，通过公式拟合即可分离磁滞损耗和耦合损耗部分。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置，其特征在于：包括背场磁体、测试样品杜瓦、测试样品腔、测试样品、加热器、换热器、气体流量计和数据采集处理系统；
所述背场磁体为水冷磁体，其励磁速率达到0.1T/s，退磁速率达到0.2T/s，最高磁场达到20T，为测试样品提供变化的背景磁场；
所述测试样品杜瓦为真空隔热杜瓦，为测试样品提供液氦环境，测试样品杜瓦插入所述背场磁体的中心孔内；
所述测试样品腔内放置测试样品，同时测试样品腔的上部连接测试样品腔出气管，下部连接测试样品腔与杜瓦内液氦连通弯管，测试样品腔通过所述测试样品腔与杜瓦内液氦连通弯管与测试样品杜瓦内的液氦连通，用以收集蒸发的氦气；
所述测试样品为高温超导电缆；
所述加热器用以标定输入能量与气体流量计的测试流量之间的关系；
所述换热器为冷氦气换热器，将测试样品腔内液氦蒸发的冷氦气与换热介质进行换热，换热器的出口氦气温度为室温；
所述气体流量计为氦气流量计，用于测量测试样品腔内的液氦蒸发量；
所述数据采集处理系统由采集卡、采集仪表以及采集及数据储存电脑组成，通过采集卡和采集仪表对信号进行采集后由采集及数据储存电脑进行保存和数据处理；
所述测试样品和加热器位于测试样品腔内，测试样品腔通过测试样品腔出气管连接到测试样品杜瓦的上端法兰上的出口，再通过波纹管连接至换热器的冷端，换热器的热端通过波纹管连接至气体流量计，气体流量计、加热器的信号均通过数据采集信号线连接至采集卡和采集仪表。
2.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置，其特征在于：所述测试样品腔为G10材料，所述测试样品杜瓦为无磁不锈钢304材料。
3.根据权利要求1所述的一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置，其特征在于：所述高温超导电缆包括高温超导线圈或带材制成的电缆或导体；所述高温超导线圈包括CORC缆、HFRC缆、TSTC缆、Robel缆或VIPER高温超导线圈。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种高温超导电缆及线圈交流损耗测试装置的测试方法，其特征在于，基于输入能量与蒸发的氦气量的对应关系对测试样品交流损耗进行测量，将测试样品置于样品测试腔内，由液氦浸泡进行冷却，同时施加变化的外磁场，测量并记录由外磁场变化在超导磁体上产生损耗而蒸发的氦气量；在测试之前通过安装在测试样品腔内的加热器对标准输入能量与氦气流量计的流量之间的关系进行标定，建立输入能量与氦气流量之间的关系式，然后通过记录测试样品在外磁场变化时产生的氦气量换算得到测试样品在该外磁场变化的范围内的能量损耗。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20230613 |