LNG温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台

本发明属于超导电工装备技术领域，具体设计一种lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台。

背景技术：

我国地域广大，能源资源分布极不理想，80％的一次能源在西部，70％以上的负荷却在东中部，两者之间相距1000-3000公里，电力能源分布和区域发展不平衡的现状，意味着目前及今后很长一段时间内，西电东送和西气东输是我国电力、能源输送的基本格局；然而，这种“逆向分布”，使交通运输不堪重负，一是受巨量电煤所累，铁路车皮紧张；二是高速公路上超载大货车排成长龙，构成中国独特的汽车运煤现象，这一不经济，二不安全，三带来大量污染，东部地区环境承载力几至极限。特高压输电是目前解决这个问题的重要手段，而随着经济的发展和技术的进步，我国西电东送与西气东输、近海风电与液化天然气(lng)站等能源工程加速建设，同时超导输电技术迅速发展，利用超导技术实现输气输电一体化可能在未来成为更加优越的解决方案。

近来，高温超导带材的性能得到了很大的提高，其应用领域也在不断的发展；在实际应用中，高温超导带材最重要的特性是它可以零电阻的情况下，仍然能保持高的传输电流，或者说具有高的临界电流密度。高温超导带材允许通过的最大电流决定了其应用的范围，但环境温度和背景磁场都会影响带材的临界电流。

到目前为止，国内外对bi-2223超导带材或由制成的元件在液氮温度及其以下温区的临界电流做的研究较为深入，尤其是在液氮(77k)或过冷液氮(70k)温度，开展了各种不同条件的临界电流的测量实验，得到了大量的数据。在77k以下温度区间内对高温超导带材或由其制成得元件通流能力的测量也得到了很多系统化的数据，从而，利用lng等混合燃料液体冷却超导电缆，实现电力/lng一体化输送，可共用能源通道，提高整体效率，降低综合成本，为能源互联网建设提供先进技术方案。bi-2223超导带材作为目前最佳的可用于能源一体化输送管道中超导电缆本体中的导体，其在能源管道用超导电缆中工作环境温度为85-90k，然而，目前国内外缺乏能够对bi-2223超导带材在lng温区中的变温变磁场环境下的临界电流测试平台、缺乏对bi-2223超导带材在这一温区中的载流能力缺乏系统化的实验数据以及缺乏对lng温区超导电缆周围的强磁场环境的变化引起超导电缆临界电流的变化没有实验测试平台；此外，lng对温度要求的安全性要求需要进一步提升，装置对温升的测量准确度与精细度也需要进一步提高。

本发明的目的是建立超导带材及超导电缆在lng温区的变温变磁场环境下的临界电流测试平台，从而填补bi-2223超导带材及超导电缆在lng温区的不同磁场环境下的临界电流特性的数据空白，以更好地推动高温超导带材的应用。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了填补bi-2223超导带材及超导电缆在lng温区的不同磁场环境下的临界电流特性的数据空白，以更好地推动高温超导带材以及超导电缆的应用，本发明提供了一种lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台，该测试平台包括样品室、样品台、背景磁场磁体系统、温控装置和工况机，所述工况机与所述背景磁场磁体系统、所述温控装置通信连接；

所述样品室包括内部设置有超导带材或超导电缆的绝热腔体，所述绝热腔体的一端通过真空电极连接设置有电流引线、电压测量线和温度测量线；所述绝热腔体内部设置有制冷机的冷头，所述冷头包括一级冷头和二级冷头；所述样品台设置于所述二级冷头远离所述一级冷头的一侧，所述样品台通过导冷杆与所述二级冷头连接，通过电流引线与所述一级冷头连接；同时,样品室浸泡在液氮冷却介质中,被测试样品超导带材及超导电缆的温度可以通过制冷机或者液氮的加压冷却两种方式获得；所述样品室具有沿自身轴线移动的自由度以及沿自身轴线转动的自由度；

所述背景磁场磁体系统配置为提供超导带材或超导电缆的变温变磁场临界电流测试的背景磁场；

所述温控装置配置为提供超导带材或超导电缆所需的不同温度环境。

在一些优选实施例中，所述温控装置包括磁体直流源、温控容器和温度监控系统，所述温控装置通过对杜瓦加压以提高所述温控容器的温度或者通过对杜瓦抽真空以降低所述温控容器的温度；

所述磁体直流源配置为提供实验所需电流；

所述温度控制系统配置为进行所述温控容器的温度监控。

在一些优选实施例中，所述温控容器为变温变压杜瓦罐；所述温度控制系统包括温度传感器，所述温度传感器的材料为陶制的氧化物。

在一些优选实施例中，该测试平台还包括用于固定所述样品室的基座，所述基座上设置有平移装置和旋转支撑装置，所述平移装置用于控制所述样品室沿所述基座的长度方向的移动；所述旋转支撑装置用于控制所述样品室的旋转角度，以调节超导带材及超导电缆方向与所述背景磁场磁体系统提供的背景磁场磁力线方向的角度。

在一些优选实施例中，所述基座的材料为非导磁材料；所述非导磁材料为铝、不锈钢、环氧材料或者尼龙材料的任一种。

在一些优选实施例中，所述超导带材或所述超导电缆的固定装置的材料为大热容材料；所述大热容材料为铝或环氧树脂。

在一些优选实施例中，所述导冷杆为铜杆。

在一些优选实施例中，该测试平台还包括水冷机组、真空泵和仪表柜；

所述水冷机组配置为对所述真空泵和所述制冷机工作降温；

所述真空泵配置为对所述绝热腔体、所述背景磁场磁体系统的磁体抽真空；

所述仪表柜包括温控仪、纳伏表、直流电源、高斯计、复合真空计、数字温度测量仪和高精度磁体电源；所述纳伏表、所述直流电源均与所述工况机通信连接；所述温控仪配置为监测所述电流引线的温度以及所述超导带材及超导电缆的温度；所述纳伏表配置为检测超导带材及超导电缆两端的电压；所述直流电源配置为提供样品所需电流；所述高斯计与设置在样品上的霍尔传感器电性连接以显示超导带材或超导电缆所处的磁场强度；所述复合真空计配置为检测所述样品室内真空度；所述数字温度测量仪配置为监测制冷机的冷头、磁体以及被测样品的温度。

在一些优选实施例中，该测试平台还包括分流器，所述分流器与所述纳伏表电性连接；所述分流器用于检测超导带材或超导电缆电流。

在一些优选实施例中，所述背景磁场磁体系统中包括磁体；所述磁体与所述高精度磁体电源通信连接，以调整磁场强度的大小。

本发明的有益效果为：

1)通过本发明提供的lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台，能够针对bi-2223超导带材及超导电缆的数据获取提供一种测试平台，可以有效填补bi-2223超导带材及超导电缆在液氮温度以上温区的不同磁场环境下的临界电流特性的数据空白。

2)在本发明中，样品台分别通过导冷杆、电流引线与制冷机的二级冷头、一级冷头连接设置,同时,样品室浸泡在液氮冷却介质中,被测试样品超导带材及超导电缆的温度可以通过制冷机或者液氮的加压冷却两种方式获得，使样品台可以顺利降温至预想测试温度以下。

3)在本发明中，通过将基座使用非导磁材料制作，可有效避免对励磁系统磁场均匀度、磁场强度造成的影响。

4)通过滑动平台上设置的旋转支撑机构，可精确控制样品室的旋转角度，进而实现被测样品与背景磁场磁力线方向的角度精准调节。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台中的电路连接原理一种具体实施例的示意图。

图2是本发明lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台的一种具体实施例的结构示意图；

图3是本发明lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台中的待测样品为超导电缆时的一种具体实施例的结构示意图；

图4是本发明lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台中的待测样品为超导带材时的一种具体实施例的结构示意图。

附图标记说明：

1、背景场磁体；2、待测样品；3、电流引线；4、测试线；5、机械连转装置；6、杜瓦容器；7、ln2；8、ln2加热器；9、加热层；10、温度传感器；11、超导电缆；12、超导带材；13、超导电缆固定装置；14、超导带材固定装置。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台，该测试平台包括样品室、样品台、背景磁场磁体系统、温控装置和工况机，工况机与背景磁场磁体系统、温控装置通信连接，用于监控各个部分的参数设定，并可存储实验过程中的不同阶段设定的磁场强度、温度等的试验数据，以及在对应设定条件下测得的临界电流的数值；样品室包括内部设置有超导带材或超导电缆的绝热腔体，绝热腔体的一端通过真空电极连接设置有电流引线、电压测量线和温度测量线，通过电流引线、电压测量线、温度测量线分别与直流电源供电装置、电压检测装置、温度检测装置连接，以进行超导带材或超导电缆在不同试验条件下的临界电流模拟测试试验；绝热腔体内部设置有制冷机的冷头，冷头包括一级冷头和二级冷头，样品台设置于二级冷头远离一级冷头的一侧，样品台通过导冷杆与二级冷头连接，通过电流引线与一级冷头连接，同时,样品室浸泡在液氮冷却介质中,被测试样品超导带材及超导电缆的温度可以通过制冷机或者液氮的加压冷却两种方式获得；，使样品台可以顺利降温至预想测试温区；样品室可通过设置的平移装置和旋转支撑装置实现自身的位置调整，可以实现对样品室内的超导带材或超导电缆与背景磁场磁体系统中磁力线方向的角度精确调节，提高试验精度，使通过本发明获得的lng温区的超导带材或超导电缆的变温变磁场的临界电流数据具有高可靠性；背景磁场磁体系统配置为提供超导带材或超导电缆的变温变磁场临界电流测试的背景磁场；温控装置配置为提供超导带材或超导电缆所需的不同温度环境，以进行超导带材或超导电缆在不同温度条件下的试验数据获取。

以下参照附图结合具体实施例进一步说明本发明。

参照附图1，图示是本发明lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台中的电路连接原理一种具体实施例的示意图；本发明提供了一种lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台，该测试平台包括样品室、样品台、背景磁场磁体系统、温控装置、真空泵、水冷机组和工况机，其中，工况机与背景磁场磁体系统、温控装置、真空泵、水冷机组均通信连接，以实时获取各个部件的工作状态；样品室包括内部设置有超导带材的绝热腔体，绝热腔体的一端通过真空电极连接设置有电流引线、电压测量线和温度测量线，以对应与直流电源、吉时利纳伏表、温控仪连接；绝热腔体内部设置有制冷机的冷头，冷头包括一级冷头和二级冷头；样品台设置于二级冷头远离一级冷头的一侧，样品台通过导冷杆与二级冷头连接，通过电流引线与一级冷头连接；样品室具有沿自身轴线移动的自由度以及沿自身轴线转动的自由度，以实现对样品室内的超导带材与背景磁场磁体系统中磁力线方向的角度精确调节，提高试验精度；背景磁场磁体系统配置为提供超导带材或超导电缆的变温变磁场临界电流测试的背景磁场；温控装置配置为提供超导带材或超导电缆所需的不同温度环境；吉时利纳伏表的数据采集与直流电源的输出均由工控机内labview控制程序通过gpib信号线传输进行控制。

进一步地，温控装置包括磁体直流源、温控容器和温度监控系统，温控装置通过对杜瓦加压以提高温控容器的温度或者通过对杜瓦抽真空以降低温控容器的温度；磁体直流源配置为提供实验所需电流；温度控制系统配置为进行温控容器的温度监控。

进一步地，温控容器为变温变压杜瓦罐。

进一步地，温度控制系统包括温度传感器，温度传感器的材料为陶制的氧化物，在磁场变化的环境下温漂小，稳定可靠。

进一步地，该测试平台还包括水冷机组、真空泵和仪表柜；水冷机组用于对真空泵和制冷机工作降温；真空泵为样品腔和磁体抽真空，实现样品腔和磁体的真空绝热环境，以减少系统漏热，并通过仪表柜中的复合真空计监测磁体杜瓦内真空度；仪表柜包括温控仪、纳伏表、直流电源、高斯计、复合真空计、数字温度测量仪和高精度磁体电源；纳伏表、直流电源均与工况机通信连接；温控仪配置为监测电流引线的温度以及超导带材或超导电缆的温度；纳伏表配置为检测超导带材及超导电缆两端的电压；直流电源用于为样品提供超导带材和超导电缆的测电流，电流通过流经的分流器进行检测，以获取超导带材的电流；分流器电压与超导带材或超导电缆引线两端的电压同时由吉时利纳伏表监测；高斯计与设置在样品上的霍尔传感器电性连接以显示超导带材或超导电缆所处的磁场强度；复合真空计配置为检测样品室内真空度；数字温度测量仪配置为监测制冷机的冷头以及磁体温度；两台制冷机分别满足给样品腔和磁体的致冷需要；数字温度测量仪用于监测磁体内部冷头及磁体温度；温控仪用于监测样品腔内两根电流引线的温度以及样品温度，并可控制内置加热器件，与制冷机配合，得到实验所需的稳定温度。

进一步地，背景磁场磁体系统中的磁体的最大磁通密度为1.5t，其为所测样品提供背景磁场，磁场强度可以通过改变高精度磁体电源励磁电流的大小进行精确控制，并由仪表柜中lakeshore425高斯计通过样品表面的霍尔传感器监测样品表面磁场强度；磁场角度可以通过控制改变样品腔的旋转角度实现精确控制；磁体与高精度磁体电源通信连接，以调整磁场强度的大小。

优选地，工况机采用研华工况机；温控仪采用lakeshore336温控仪；高斯计采用lakeshore425高斯计。

在本发明中，首先通过温控仪将待测样品(即超导带材及超导电缆)冷却至所需温度，之后通过直流电源为样品提供持续电流，分流器检测样品电流，吉时利纳伏表监测分流器电压与带材样品电压，高斯计显示附于样品上的霍尔传感器探测到的样品此时所处的磁场强度；通过控制样品腔的旋转机构调整磁场角度，最终测定此时样品在此温度、磁场强度、磁场角度下的临界电流。

优选地，水冷机组采用fl系列；真空泵采用fj-620分子泵机组；制冷机采用kde415-kdc6000gm。

一种lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试方法，该测试方法基于lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台，包括以下步骤：步骤s100，对测试平台进行气密性检测；具体地，在开始实验之前对杜瓦容器进行气密性的检查，灌输液氮，同时打开温度监控系统labview对预冷过程进行监控，同时确保各个部分正常工作，等到温度降到液氮温度并稳定保持一段时间后再开始实验；步骤s200，按照实验原理，正确把电流引线接好，确定要测量的实验样品；然后打开加热器，对液氮加热，同时使用labview温度采集平台监控温度上升情况，查看所测量样品的温度，获取并记录对应角度时超导带材或超导电缆在此温度、磁场强度、磁场角度下的临界电流；步骤s300，以1k温升为一个测量点，在实验完成后，更换样品，重复进行下一次实验。

测试方法中温度变化控制具体如下：实验通过给杜瓦加压来提高液氮温度，该实验装置所能承受的温度上升的最大极限为100k；之后，在液氮温区的基础上，通过给杜瓦进行抽真空来降低杜瓦内部压强达到降温的目的，该实验装置所能达到的最低温度为69.3k；电源采用600a磁体直流源，设置升流速度为0.5-2a/s；这样可以提高实验的效率也能保证正确性，同时也为了防止电流增加过快，保护测试样品在失超后不致损坏。

测试方法中磁场变化控制具体如下：通过旋转承载装置调整bi2223高温超导带材或电缆的不同多角度，通过背景磁场磁体系统调整磁场强度，以进行不同角度不同磁场的临界电流的测量。

进一步地，参照附图2、附图3和附图4，图2是本发明lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台的一种具体实施例的结构示意图，图3是本发明lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台中的待测样品为超导电缆时的一种具体实施例的结构示意图；图4是本发明lng温区的超导带材及电缆的变温变磁场临界电流测试平台中的待测样品为超导带材时的一种具体实施例的结构示意图；包括背景场磁体1、待测样品2、电流引线3、测试线4、机械连转装置5、杜瓦容器6、ln27、ln2加热器8、加热层9和温度传感器10，其中，背景场磁体1置于待测样品2(超导带材或超导电缆)的两侧，为其提供工作所需的强磁场环境。待测样品2为用于实验的超导带材或超导电缆的样品。电流引线3由电源装置引出，为试验样品提供模拟的长时间大电流。测试线4用于测量磁场与温度的传输引线。机械连转装置5的末端与超导带材或超导电缆相连，通过调节转轴可以改变试验样品受到的磁场角度，通过机械联动机构能够使样品在背景磁场中旋转，以获得不同方向的磁场，如平行于超导带材，垂直于超导带材；还可以选取特定角度，比如30°、60°。杜瓦容器6用于装ln2，提供一个低温的实验环境；杜瓦容器密封，ln2加热获得不同的容器内冷却液体的压力，不同的压力对应不同的温度，从而通过加压升温的方式获得不同温度下临界电流特性。本实施例提供的ln2为超导带材及超导电缆提供正常的工作环境。ln2加热器8用于加热ln2改变试验样品的温度环境。加热层9伸入液体的加热端；通过设置在加热层端部的温度传感器10测量温度；超导电缆11通过超导电缆固定装置13固定设置；超导带材12通过超导带材固定装置14固定设置,其中，13和14试验样品的固定装置均选用大热容材料，具有很好的热沉特性，例如：铝或环氧树脂，其大热容特性可以使得样品处于特定的温度具有更为长的时间，这段时间内完成超导带材及超导电缆的特性测试。

优选地，温度传感器的材料为陶制的氮氧化物，在磁场变化的环境下温漂小，稳定可靠。

优选地，该测试平台还包括用于固定样品室的基座，基座上设置有平移装置和旋转支撑装置，平移装置用于控制样品室沿基座的长度方向的移动；旋转支撑装置用于控制样品室的旋转角度，以调节超导带材或超导电缆方向与背景磁场磁体系统提供的背景磁场磁力线方向的角度。

优选地，基座的材料为非导磁材料；非导磁材料为铝、不锈钢、环氧材料或者尼龙材料的任一种，本领域技术人员可知晓的是，基座的材料选择并不限制于这几种，本实施例为提出的几种优选实施例，并不限制本发明的保护范围。

优选地，导冷杆为铜杆。

优选地，试验样品的固定装置均选用大热容材料，具有很好的热沉特性。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来；本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。