专利名称：超导实验用脉冲电流发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及脉冲电流发生器，进一步是指应用于高温超导脉冲特性研究的大电流脉冲实验用脉冲电流发生器。
背景技术：
高温超导技术是二十一世纪最具有竞争力的高新技术，在电力、脉冲功率技术等方面具有广阔的应用前景。超导电力技术是超导技术与电工技术相结合而产生的一门新技术，超导电力技术主要研究开发各种超导电力装置，以及含超导装置的电力系统的各种特性。超导电力装置具有体积小、重量轻、容量大等基本特点，许多电力装备都可以采用超导技术来提高其性能，如输电电缆、电机、变压器、储能装置等，同时还可采用超导技术研制出常规技术无法实现的新型电力设备，如超导故障电流限制器等。超导电力技术的实际应用，不仅可以极大地提高电力系统中单机容量和电网的输送容量并大大降低电网的损耗，还可以明显改善电能的质量，提高电力系统运行的稳定性和可靠性，提高电网的安全性，并为电网向超大规模方向发展提供技术基础。近年来，超导电力技术受到了世界各国的广泛重视。1999年，美国开始了 SPI (Superconductivity Partnership Initiative)计划，开展了如超导电机、超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导磁悬浮飞轮储能等项目的研究。在“美国电网2030”计划中，还提出了采用超导电力技术建设骨干电网等建议，在其海军舰船先进电力系统计划中也列入了超导推进电机等研究项目。日本在20世纪90年代曾实施了 SuperGM等超导电力技术研究计划，并成立了国际超导技术研究中心(ISTEC)，其主要电力公司及电机制造厂家均积极参与超导电力技术研究工作。法国、德国、俄罗斯、以色列和印度等都相继开展了超导电力技术研究工作。韩国也于2001年制定了高温超导技术的十年发展规划。在超导电力装置方面，国内外研究开发的重点主要是高温超导电缆、高温超导限流器、超导储能系统、高温超导变压器、高温超导电动机以及无功功率补偿用的高温超导同步发电机。近些年来，国内外学者从不同的角度进行了大量的研究。并将研究重点放在了对超导装置失超与脉冲特性上；只有在满足特定的条件时超导体才能体现超导特性。 旦条件被破坏后，超导体将由超导态到正常态的相变，发生失超(Quench)，产生出大量热能并使超导体自身温度迅速升高，有时甚至会进一步破坏超导体内部结构并烧毁磁体。超导电缆输送电容量大，一旦产生失超故障，不仅会损坏超导电缆本体，还会严重影响其供电可靠性甚至整个电力系统运行的稳定性。超导电缆失超特性的研究是超导电缆失超保护的基础， 目前针对失超特性的研究主要集中在超导线材和超导磁体方面。在绝热条件下对超导磁体的失超过渡过程的相关物理量进行了测量计算，从而对磁体的安全性进行了评估。可以采用Ansys软件读入磁体几何外形文件(该文件采用CAD编写的)，并使用有限元分析法分析超导体失超的发展过程。并建立了超导磁体的3D模型，讨论了在不同材料和制造工艺下超导磁体的热稳定性。采用三维数值模拟方法，在考虑磁体出现扰动后，局部失超引起失超传播这一过程中材料的比热、热导率、电阻率随温度的变化的情况下，计算导致MgB2超导磁体不可自然恢复的最小起始失超区域以及对应的最小失超能量，模拟了超导磁体的失超传播过程和保护动作后的恢复过程。对Bi — 2223Ag超导带的失超传播过程进行了研究， 建立了导热冷却条件下的超导带失超模型，用数值模拟的方法来研究超导带的失超传播特性，通过对导热偏微分方程的有限差分数值求解获得了失超过程中超导带温度的空间、时间分布，并由此获得失超传播速度及其变化规律，同时分析了可导致失超传播的最小起始失超长度以及与导线承载电流的关系。可以测量在液氮保护冷气氛(77K)环境下零背景磁场时Bi — 2223Ag超导多芯带的纵向失超传播速度与传输电流的关系，并得到最小传播电流；同时采用有限元方法模拟出超导体失超传播过程中由超导态过渡到正常态的温度变化行为；比较了在相同传输电流、不同猝灭(失超)能量下的失超传播特性。高温超导电缆由多层超导带材绕制而成，其失超过程与超导磁体和超导带材有很多相同之处，但其结构决定了失超特性与前两者不同，需要针对高温超导电缆的具体结构和冷却方式研究其失超特性。快速、有效的失超检测原理是将高温超导电缆实用化的一个重要研究内容。目前已研究的失超检测，主要有温升检测、压力信号检测、流速信号检测、超声波检测、电压检测等。有的研究提出一种基于dv/dt和dr/dt的失超先兆预测方法。有研究提出了基于模糊理论的电压信号失超检测方法。温升检测、压力检测和流速检测分别受到低温传感器、压敏传感器和流速传感器的性能的限制，其检测速度和检测可靠性都存在瓶颈， 而且检测成本较高超声波检测法由超声波性质决定了易受到声波的干扰引起误动；电压检测方法对电压信号的准确性要求太高。由于高温超导电缆在电力系统中经常遭遇过电流等各种扰动，常规失超检测已不能完全满足要求，需要研究专门针对高温超导电缆失超的快速检测方法。在这些研究应用中，高温超导装置需要经受持续时间短、幅值高的脉冲电流的冲击。为了设计具有良好电气特性的超导装置，必须首先通过大量的实验研究，掌握高温超导体及磁体在脉冲过电流下的失超与恢复特性。作为开展高温超导脉冲特性的基础性实验研究条件。
发明内容
本发明要解决技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种超导实验用脉冲电流发生器，能使通过试验样品的电流为单向脉冲电流，并可获得不同幅值、脉宽、频率的脉冲或振荡电流，装置试验达到要求，为超导装置失超与脉冲特性研究创造了实验条件。本发明的技术方案是，所述超导实验用脉冲电流发生器的组成为，它包括一侧接交流电源的调压器，原边两端分别接调压器的滑动端和接地的高压试验变压器的副边一端依次串接充电隔离开关、充电限流电阻R、充电硅堆D1，充电硅堆D1的输出端和地端做为直流电源的两端；电阻R1和&串联后接直流电源的两端，电容器C接在直流电源两端；主合闸开关、电抗器L、放电回路二极管D3、试验样品、分流器依次串联后接在直流电源两端，且主合闸开关一端接直流电源正极，分流器一端接地，放电回路二极管D3的正极同电抗器L 一端连接；二极管A的正极接地而该二极管A的负极接在电抗器L与二极管D3的公共连接端；电阻R1与&的公共连接端接有高压计，示波器同分流器与试验样品相接。
以下对本发明做出进一步说明。高温超导技术在电力、脉冲功率技术等方面具有广阔的应用前景。在这些应用中， 高温超导装置需要经受持续时间短、幅值高的脉冲电流的冲击。为了设计具有良好电气特性的超导装置，必须首先通过大量的实验研究，掌握高温超导体及磁体在脉冲过电流下的失超与恢复特性。而本发明装置为开展高温超导脉冲特性的基础性实验提供了脉冲大电流。参见图1，本发明所述电流脉冲发生实验成套装置原理上为一个LC单频振荡回路，主要由电容器充电回路、放电回路两部分组成，其系统组成的原理电路如图1所示。首先给电容器C充电，然后接通主合闸开关使预先被充电的电容器C通过电抗器L和放电回路二极管D3对测试样品5放电，在测试样品5上通过的电流为一定频率、幅值衰减的脉冲电流。其频率近似地由电抗器L和电容器C确定。在回路中一定的电感和电容的条件下， 脉冲电流的幅值由充电电压确定。由以上可知，本发明为一种大电流脉冲发生装置，利用电容器C储能，通过电感 (电抗器L)放电形成LC振荡回路，放电回路中利用二极管D3使通过测试样品(负载)的电流为单向脉冲电流，通过改变电容器C储能电压、电感、电容参数，测试样品(负载)上可获得不同幅值、脉宽、频率的脉冲或振荡电流，装置试验达到要求，为超导装置失超与脉冲特性研究创造了实验条件。
图1是本发明一种实施例电路原理图；图2是超导样品在脉冲电流峰值为1002. 4A、单个脉冲的持续时间为1. 20ms时的电流、电压波形；图3是样品在持续时间为0. 91ms、峰值为119A的脉冲电流下的电流、电压波形。在图中1-调压器， 2-高压试验变压器， 3-充电隔离开关，4-主合闸开关，5-测试样品，6-分流器，7-示波器， 8-高压计。
具体实施例方式如图1所示，所述超导实验用脉冲电流发生器包括一侧接交流电源的调压器1，原边两端分别接调压器1的滑动端和接地的高压试验变压器2的副边一端依次串接充电隔离开关3、充电限流电阻R、充电硅堆0工，充电硅堆D1W输出端和地端做为直流电源的两端；电阻R1和&串联后接直流电源的两端，电容器C接在直流电源两端；主合闸开关4、电抗器 L、放电回路二极管D3、试验样品5、分流器6依次串联后接在直流电源两端，且主合闸开关4 一端接直流电源正极，分流器6 —端接地，放电回路二极管D3的正极同电抗器L 一端连接； 二极管A的正极接地而该二极管A的负极接在电抗器L与二极管D3的公共连接端；电阻 R1与&的公共连接端接有高压计，示波器同分流器与试验样品相接。器件参数(参见图2)(1)电容器C和电抗器L
电容器C参数为单台电容器为电容量22 μ F、耐压35kV的脉冲电容器，共12台。 电容器分3个单元，每单元4台并联。根据试验条件，可改变接入的电容器单元的数目，从而调节系统的频率和特征阻抗。电抗器L为自行绕制的空心电抗器，由6个饼组成，每饼的自感分别为L1 = 1. 2mH, L2 = 1. 52mH,L3 = 2. 8mH, L4 = 0. 68mH,L5 = 0. 82mH, L6 = 0. 64mH(2)充电设备调压器1 :电气操作，以兼顾系统的保护配置。输入电压380V，输出电压0 380V， 容量为IKVA ；高压试验变压器2 输出电压最大值IOOkV ；充电限流电阻R 考虑硅堆通流能力彡1A，高压试验变压器输出的最高电压 100kV，充电限流电阻阻值为1ΜΩ已足以保护硅堆。拟采用水电阻。外绝缘沿面闪络距离彡 IOOOmm ；充电隔离开关3 耐压水平200kV，沿面闪络距离400mm，空气绝缘距离200 300mm ；充电硅堆Dl 通流能力彡1A，单个硅堆耐压水平彡30kV ；主合闸开关4 起关合作用，选用ZN4-12. 5/630-25型真空断路器，其额定关合电流为1000A，可以满足要求。开关操作机构为CT8型电磁操作机构，需提供220V/100A的合闸操作电源和220V/40A的分闸操作电源放电回路二极管D3 采用IXYS系列的产品ME0450-12DA，单管的反向额定耐压值为1200V，额定电流为453A，导通时间小于450ns，45°C环境下，导通50Hz交流电峰值电流能力为4800A。放电回路中采用单极两管串联，提高反向耐压水平，并使回路放电的通载电流能力达到1000A ；(3)、保护配置包括电容器保护、充电硅堆保护、接地保护等。电容器保护采用熔断器作为保护元件，可同时实现电容器故障保护和反峰保护。充电硅堆保护采用限流电阻进行正常充电时的过流保护。连锁保护实现防误操作保护1)调压器不回零，充电系统不能重新启动；2)接地开关处于合闸状态时，充电隔离开关不能合闸；3)充电隔离开关合必须接地开关分、试验开关分、调压器输出处于零位；4)试验开关合必须充电隔离开关处于分位置。接地放电保护通过放电限流电阻对接地开关进行保护。为简化设计，放电限流电阻与充电限流电阻相同。接地开关接地保护。为简化设计，接地开关与充电隔离开关相同。接地钩人工接地采用。沿面闪络距离2000mm，接地线为宽度15mm的铜编织带。接地与屏蔽整个回路有一接地点与专用地网相连，在大电流放电时，控制台上的地电位可能与接地点之间有一电位差，应当加以注意。测量保护试验时，为了防止样品断裂而在测量仪表上形成高压，应在试验样品两端加装过电压保护，采用耐压50 100V压敏电阻，容量为10KVA。、测量系统包括调压器输出检测、电容器充电电压检测、主放电电流检测，示波器。调压器输出检测采用普通表头(1级)。电容器充电电压采用分压器测量，分压器精度为0. 5级。采用SSGB-30型额定电压 DC30kV，变比 1000 1。主放电电流采用同轴分流器测量，分流器精度为0. 5级。采用GF-I系列的管式分流器，在测量电流为1. 50kA时，方波响应30ns，实测值为3. 1058m Ω。应用本装置对Bi2223/Ag高温超导带材短样进行脉冲特性实验研究，图3显示样品在峰值为1002. 4A、单个脉冲的持续时间为1. 20ms的脉冲电流作用下的电流、电压波形， 可见装置能满足实验要求。
权利要求
1. 一种超导实验用脉冲电流发生器，包括一侧接交流电源的调压器1，原边两端分别接调压器1的滑动端和接地的高压试验变压器2的副边一端依次串接充电隔离开关3、充电限流电阻R、充电硅堆队，充电硅堆D1的输出端和地端做为直流电源的两端；其特征是，电阻 R1和&串联后接直流电源的两端，电容器C接在直流电源两端；主合闸开关4、电抗器L、放电回路二极管D3、试验样品5、分流器6依次串联后接在直流电源两端，且主合间开关4 一端接直流电源正极，分流器6 —端接地，放电回路二极管D3的正极同电抗器L 一端连接；二极管D2的正极接地而该二极管D2的负极接在电抗器L与二极管D3的公共连接端；电阻R1与 R2的公共连接端接有高压计，示波器同分流器与试验样品相接。
全文摘要
一种超导实验用脉冲电流发生器，电阻R1和R2串联后接直流电源的两端，电容器C接在直流电源两端；主合闸开关4、电抗器L、放电回路二极管D3、试验样品5、分流器6依次串联后接在直流电源两端，且主合闸开关4一端接直流电源正极，分流器6一端接地，放电回路二极管D3的正极同电抗器L一端连接；二极管D2的正极接地而该二极管D2的负极接在电抗器L与二极管D3的公共连接端；电阻R1与R2的公共连接端接有高压计，示波器同分流器与试验样品相接。测试样品上可获得不同幅值、脉宽、频率的脉冲或振荡电流，装置试验达到要求，为超导装置失超与脉冲特性研究提供了实验条件。
文档编号H03K3/011GK102185589SQ201110047558
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者周羽生, 唐跃进, 高小刚 申请人:长沙理工大学