一种无绝缘超导线圈匝间接触电阻的测试装置及方法

1.本发明涉及超导带材电阻测量技术领域，尤其涉及一种无绝缘超导线圈匝间接触电阻的测试装置及方法。


背景技术：

2.高磁场超导磁体的研究与发展主要受到磁体稳定性的限制，良好的稳定性可保证磁体在运行过程中不会退出超导态。国内外学者针对高温超导磁体运行的安全稳定性问题，已进行了多种失超检测与保护方法的研究，但目前的失超检测技术还存在检测速度缓慢、精度不高、经济可靠性不够等缺点，无法较好地满足高温超导磁体的失超检测需要。
3.无绝缘磁体技术可用于增强高场超导磁体的热稳定性，该技术将超导带材外部的绝缘层省去，使用裸带绕制线圈，线圈的匝间分流特性使其具有失超自保护功能，且在过电流工况下运行不会被烧毁，有利于提高磁体热稳定性，其自保护功能也在一定程度上缓解了失超保护困难的问题。然而，在采用无绝缘磁体技术的大型电力设备中，无绝缘线圈完成励磁需要较长的励磁等待时间，也带来了传统绝缘磁体所没有的充电延迟问题，而匝间接触电阻是导致该问题的主要因素之一，因此，有必要对无绝缘超导带材的匝间接触电阻的测试进行研究。
4.目前对于无绝缘超导带材匝间接触电阻的测量，很多方法都是通过调整封装包覆带材的材料、宽度、厚度来对带材匝间接触电阻进行测量，或者通过并绕带材的方式对带材匝间接触电阻进一步调制，甚至对并绕带材的表面做一些处理进一步优化匝间电阻这一性能。这些测量方法存在一定的误差，因为超导带材的匝间接触电阻的影响因素较为复杂，除了带材自身相关的参数之外，还会受到接触压应力的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述问题，提供一种无绝缘超导线圈匝间接触电阻的测试装置及方法
6.本发明提供如下技术方案：一种无绝缘超导线圈匝间接触电阻的测试装置，包括：
7.冷温罐，其空腔用于放置超导带材，其外壁夹层内设置有液氮；
8.充气泵，与冷温罐的空腔连通；
9.万用表，用于检测不同压应力下超导带材的不同匝间的电压值及电流值；
10.控制单元，与充气泵电连接，且通过电压值及电流值计算得到不同压应力下的匝间接触电阻值rc与匝间接触电阻率ρc。
11.优选地，所述超导带材放置在空腔内的矩形中心轴上，超导带材所受压应力方向垂直于超导带材表面。
12.优选地，还包括设置在冷温罐空腔内的压力传感器，所述压力传感器与所述控制单元电连接。
13.优选地，所述冷温罐内的压应力变化范围为0-39mpa。
14.优选地，所述空腔内设置有温度传感器。
15.优选地，所述超导带材由不同层数超导带材片堆叠构成，包括由外至内依次设置铜保护层、基底层、缓冲层、超导层、镀银层与铜保护层，其中铜保护层和基底层的厚度大于其他层。
16.优选地，还包括外部电源，所述外部电源为所述测试装置提供10a的电流。
17.本发明的另一目的在于提供一种无绝缘超导线圈匝间接触电阻的测试方法，包括如下步骤：
18.准备若干测试超导带材片，将其堆叠形成不同层数的超导带材；
19.将所述超导带材放入冷温罐内，并将所述超导带材固定于冷温罐内层空腔的矩形中心轴上；
20.在所述冷温罐夹层中填充液氮，为所述超导带材提供处于超导态所需的低温环境；
21.控制单元控制气泵启动，向冷温罐内的空腔注入气体，增大空腔内部压强来对所述超导带材施加压应力；
22.压力传感器测量超导带材所受压应力大小，判断超导带材是否达到合适的压应力值；
23.记录万用表测量超导带材不同匝间的的电压值与电流值；
24.控制单元通过电压值与电流值计算得到超导带材的匝间接触电阻值rc与匝间接触电阻率ρc；
25.改变压应力大小，重复获取匝间接触电阻率的步骤，得到所述超导带材处于不同压应力下的匝间接触电阻值rc与匝间接触电阻率ρc。
26.优选地，所述接触电阻值rc与匝间接触电阻率ρc的计算过程为：
27.通过电压差除以电流和层数差，获得匝间接触电阻值rc；
[0028][0029]
重复n组获取匝间接触电阻值rc的过程，得到n组匝间接触电阻值rc；
[0030]
将n次计算得到的匝间接触电阻取平均值并乘以接触面积，得到匝间接触电阻率ρc；
[0031][0032]
其中：i为带材堆叠层数，i》2；vi为带材层数为i时的电压；i为加载电流。
[0033]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0034]
1、本发明通过对处于超导态且具有不同层数的待测超导带材施加不同压应力，测得不同压应力影响下超导带材的电阻值，充分考虑了待测超导带材电阻受压应力影响时的实际分布情况以及动态变化过程，可以快速有效地测出不同压应力下的无绝缘超导线圈匝间接触电阻值，提高效率，更符合实际应用。
[0035]
2、本发明提供的测量方法减少了带材样品差异带来的误差，取平均值的方法也可提高匝间接触电阻率计算的准确性。
[0036]
3、本发明可以满足对多种型号的待测超导带材进行测试。
附图说明
[0037]
图1为本发明提供的匝间接触电阻测试装置工作原理图；
[0038]
图2为本发明提供的超导带材堆叠不同层数的结构示意图；
[0039]
图3为本发明提供的超导带材的结构示意图；
[0040]
图4为本发明提供的超导带材固定于冷温罐内层空腔中心轴局部示意图。
[0041]
附图标记：1-充气泵；2-控制单元；3-压应力发生装置；4-冷温罐；5-压力传感器；6-温度传感器；7-外部电源；8-万用表；9-超导带材；10-液氮；901-铜保护层；902-基底层；903-缓冲层；904-超导层；905-镀银层。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0043]
为了理解和说明，下面详细说明本发明实施例的一种无绝缘超导线圈匝间接触电阻的测试装置及方法。
[0044]
如图1-4所示，本发明公开的一种无绝缘超导线圈匝间接触电阻的测试装置包括控制单元2、压应力发生装置3、压力传感器5、温度传感器6、外部电源7、万用表8。压应力发生装置3用于提供压应力，由充气泵1、冷温罐4组成，充气泵1与冷温罐4连接，充气泵1与控制单元2电连接，用于控制充气泵1的功率，充气泵1通过向冷温罐4内层空腔注入气体增大其内部压强来产生压应力，空腔内设置压力传感器5用来测量向超导带材9所施加的具体压应力值，设置温度传感器6用来测量超导带材9的温度。在测试时将其固定在冷温罐4空腔内的矩形中心轴上，超导带材9设置在保证其处于超导态的低温液氮10环境中，且超导带材9所受压应力方向垂直于超导带材表面，压应力发生装置3对超导带材9施加的压应力变化范围为0-39mpa。万用表8与待测的超导带材9并联或串联连接，分别检测不同压应力下不同层数超导带材9的电压值及电流值，控制单元2通过电压值及电流值分析得到不同压应力下的匝间接触电阻值rc与匝间接触电阻率ρc。
[0045]
冷温罐4夹层的上下两端分别留有进液口和排液口。
[0046]
在上述实施例中，为了减小超导带材层对测试结果的影响，加载电流不超过带材临界电流，但也要足够大以保证电压信号达到测量范围，取电流值为10a可满足测量需求。本实施例中，超导带材9由不同层数超导带材片堆叠构成，其中所考虑的超导带材9由铜保护层901、基底层902、缓冲层903、超导层904以及镀银层905构成，因为带材中铜保护层901和基底层902的厚度远大于其他层，所以带材的机械特性主要由铜保护层901和基底层902决定。
[0047]
下面对一种无绝缘超导线圈匝间接触电阻的测试方法进行详细说明，其包括如现步骤：
[0048]
准备若干测试超导带材片，将其堆叠形成不同层数的超导带材9。
[0049]
将超导带材9固定于压应力发生装置3中冷温罐内层空腔的矩形轴上。
[0050]
在冷温罐夹层中填充液氮10，为超导带材9提供处于超导态所需的低温环境。测试
中，如果空腔中的温度传感器检测到超导带材的温度接近其临界值，则由出液口排出液氮，由进液口重新填充进行冷却。
[0051]
控制单元控制气泵1启动，同时用来控制气泵的功率，当充气泵1不断向放有待测超导带材9的冷温罐内层空腔注入气体时，其内部压强会逐渐增大，通过增大空腔内部压强向待测超导带材9施加压应力。
[0052]
压力传感器5测量超导带材9所受压应力大小并将压应力发送至控制单元，控制单元判断超导带材9是否达到合适的压应力值。超导带材9所受压应力的大小由空腔内的压力传感器5来测量，当压力传感器5检测到待测超导带材所受压应力接近测试所需值时，由控制单元2来控制降低气泵功率，缓慢注入气体达到合适的压应力值。
[0053]
外部电源7通入电流，记录万用表8所测不同层数的超导带材9的电压值与电流值，将其带入接触电阻率公式计算得到超导带材9的匝间接触电阻率。万用表8串联后用来检测电流大小，为了减小超导带材层对测试结果的影响，且能够满足测试需求，选取通入电流大小为10a。
[0054]
改变压应力大小，重复获取匝间接触电阻率的步骤，得到超导带材9处于不同压应力下的匝间接触电阻率。
[0055]
测试三组堆叠带材的层数分别为2，3，4层，通过测试得到不同层数堆叠带材的总电压，由总电压差除以电流和层数差，可得到匝间接触电阻值rc，计算n组结果，将n次计算得到的匝间接触电阻取平均值并乘以接触面积，得到匝间接触电阻率ρc，其计算公式为：
[0056][0057][0058]
式中：i为带材层数，i》2；vi为带材层数为i时的电压；i为加载电流。待测超导带材9与万用表8并联连接，测试中记录万用表8所测不同堆叠层数的超导带材的电压值，将所记录的电流、电压值代入公式进行计算。
[0059]
拟合电阻率与压应力ρ
c-σ曲线，观测并分析超导带材匝间接触电阻率随应力变化趋势。
[0060]
通过采用无绝缘超导磁体技术，可以克服现有技术中的一些缺陷，从而达到减少测试误差、提高计算准确性；测试效率高、更符合实际应用；可以满足对多种型号超导带材的测试；原件易备、成本较低、经济环保的有益效果。
[0061]
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。