一种高温超导带材冲击恢复特性测试方法及系统与流程

1.本申请涉及高温超导带材特性研究技术领域，尤其涉及一种高温超导带材冲击恢复特性测试方法及系统。


背景技术：

2.目前，由于超导材料的一部分优异物理特性，使其在电网电力行业的应用日趋广泛。尤其在电力传输方面，超导材料更是成为行业内研究人员争相角逐的热门。为了更好地利用超导材料的优异性能，以提升电网运输的效率和稳定性，需要对超导材料进行更为深入的特性研究。
3.譬如，在输电领域，柔性直流输电技术相比传统输电技术，显示出更加灵活、环保和经济的优势，势将成为未来可再生能源大规模接入和大范围互联的重要技术手段。但是，柔性直流电网阻尼很低，电流在故障初期的上升率会远大于交流系统，现有断路器对于故障的切断与清除需要一定的作用时间。因此，直流系统中的超导限流器、超导电机以及超导电缆等超导电力设备在电网故障时容易承受较大电流的冲击。
4.高温超导带材是超导电力设备的核心部分，高温超导带材的承受大电流冲击与恢复的能力在一定程度上决定了超导电力设备的性能。在高温超导带材的冲击及恢复过程中，其电流、磁场、温度以及电阻率等多种电、磁、热物理参量呈现非线性动态变化。目前国内外对高温超导带材的冲击特性研究较多，但对于其恢复特性研究尚未深入。现有的高温超导带材冲击恢复特性测试技术通常只对超导带材在恢复过程中的温度变化进行测量，但超导带材在失超恢复过程中的温度变化存在时间迟滞，因此测得的结果并不十分准确。
5.亟待一种精确的超导带材冲击恢复特性测量方法，填补恢复特性研究方面的空白。


技术实现要素：

6.本申请提供了一种高温超导带材冲击恢复特性测试方法及系统，以解决目前缺乏一种精确的超导带材冲击恢复特性测量方法和系统的问题。
7.本申请采用的技术方案如下：
8.本申请的第一方面，提供一种高温超导带材冲击恢复特性测试方法，包括以下步骤：
9.将待测高温超导带材的样品置于装有液氮的低温杜瓦中，两端接冲击电流源，再将恒流稳流源与延时继电器串联后接在样品的两端，在样品两端连接示波器，在冲击电流源的电流回路中设置第一电流夹子，在恒流稳流源的电流回路中设置第二电流夹子，在样品的表面设置温度传感器；
10.设置延时继电器的延迟时间，使恒流稳流源输出的小电流在冲击电流源的冲击电流变为0后再流过样品；
11.通过示波器测量样品两端的电压，得到样品两端的电压数据，通过第一电流夹子
测量冲击电流，通过第二电流夹子测量小电流，通过温度传感器测量样品的温度数据；
12.通过温度采集设备采集温度传感器测量的温度数据；
13.记录并分析所述电压数据、所述冲击电流数据、所述小电流数据以及所述温度数据。
14.可选的，所述待测高温超导带材为钇钡铜氧化物高温超导带材。
15.可选的，所述冲击电流源的冲击电流为高温超导带材临界电流以上至2000a范围的电流，所述小电流为不超过5a的小电流。
16.可选的，所述液氮的低温杜瓦可在无外来热源情况下维持1个大气压下77k的低温。
17.可选的，所述冲击电流源和恒流稳流源并联接入样品得到两端，并先后向样品通电。
18.可选的，所述记录并分析所述电压数据、所述冲击电流数据、所述小电流数据以及所述温度数据的步骤中，采用labview程控主机记录并分析。
19.可选的，所述示波器与所述温度采集设备设置labview接口，所述labview程控主机通过labview编程实现各个设备的远程、同步以及测量。
20.可选的，所述设置延时继电器的延迟时间，使恒流稳流源输出的小电流在冲击电流源的冲击电流变为0后再流过样品的步骤中，包括：
21.所述延时继电器的延迟时间使恒流稳流源输出的小电流在冲击电流源的冲击电流变为0后的0
‑
0.1s后再流过样品。
22.本申请的另一方面，提供一种高温超导带材冲击恢复特性测试系统，包括：装有液氮的低温杜瓦、待测高温超导带材样品、冲击电流源、恒流稳流源、延时继电器、示波器、温度传感器、温度采集设备以及程控主机；
23.所述待测高温超导带材样品布设在装有液氮的低温杜瓦中，所述待测高温超导带材样品的两端连接冲击电流源，再将所述恒流稳流源与所述延时继电器串联后接在样品的两端，在所述待测高温超导带材样品的两端连接示波器，在所述冲击电流源的电流回路中设置第一电流夹子，在所述恒流稳流源的电流回路中设置第二电流夹子，在所述待测高温超导带材样品的表面设置温度传感器；
24.所述延时继电器被配置为：设置延时继电器的延迟时间，使恒流稳流源输出的小电流在冲击电流源的冲击电流变为0后再流过样品；
25.所述示波器被配置为：通过示波器测量样品两端的电压，得到样品两端的电压数据；
26.所述第一电流夹子被配置为：采集冲击电流源的电流回路中的冲击电流，所述第二电流夹子被配置为：采集恒流稳流源的电流回路中的小电流；
27.所述温度采集设备被配置为：采集温度传感器测量的温度数据；
28.所述程控主机被配置为：记录并分析所述电压数据、所述冲击电流数据、所述小电流数据以及所述温度数据。
29.可选的，所述程控主机为labview程控主机，所述示波器与所述温度采集设备设置labview接口，所述labview程控主机通过labview编程实现各个设备的远程、同步以及测量。
30.采用本申请的技术方案的有益效果如下：
31.本申请的高温超导带材冲击恢复特性测试方法和系统，具有以下两方面的优点：
32.(一)本申请通过设置延时继电器的延迟时间，使恒流稳流源输出的小电流在冲击电流源的冲击电流变为0后再流过高温超导带材的样品，这样既不会影响高温超导带材在冲击过程中的特性，又能在冲击结束后，立即测试其恢复过程中的电压、电流等参量的变化情况，实现高温超导带材的冲击特性与恢复特性同步精确测量。
33.(二)高温超导带材在冲击电流变为0后，失超电阻可能尚未变为0，因此在接入小电流后，可根据恢复过程中测得的电压变化曲线来判断高温超导带材的恢复时间；同时，由于本申请还采用了通过测量高温超导带材的表面温度来判定恢复时间的方法，两种判定方法得到的结果可相互验证，增加了恢复特性测试的准确性。
附图说明
34.为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。
35.图1为本申请一个实施例的结构示意图；
36.图2为通流时间12ms下的超导带材r
‑
t曲线；
37.图3为电流幅值810a下的超导带材t
‑
t曲线；
38.图4为电流幅值925a下的超导带材t
‑
t曲线；
39.图示说明：
40.其中，1
‑
低温杜瓦、2
‑
待测高温超导带材的样品、3
‑
冲击电流源、31
‑
第一电流夹子、4
‑
恒流稳流源、41
‑
第二电流夹子、5
‑
延时继电器、6
‑
示波器、7
‑
温度采集设备、8
‑
程控主机。
具体实施方式
41.下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
42.本申请的第一方面，提供一种高温超导带材冲击恢复特性测试方法，包括以下步骤：
43.将待测高温超导带材的样品2置于装有液氮的低温杜瓦1中，两端接冲击电流源3，再将恒流稳流源4与延时继电器5串联后接在样品的两端，在样品两端连接示波器6，在冲击电流源3的电流回路中设置第一电流夹子31，在恒流稳流源4的电流回路中设置第二电流夹子41，在样品的表面设置温度传感器；
44.设置延时继电器5的延迟时间，使恒流稳流源4输出的小电流在冲击电流源3的冲击电流变为0后再流过样品；
45.通过示波器6测量样品两端的电压，得到样品两端的电压数据，通过第一电流夹子31测量冲击电流，通过第二电流夹子41测量小电流，通过温度传感器测量样品的温度数据；
46.通过温度采集设备7采集温度传感器测量的温度数据；
47.记录并分析所述电压数据、所述冲击电流数据、所述小电流数据以及所述温度数据。
48.本实施例中，示波器6可用以显示样品两端的电压，示例性地，示波器6还可以显示流经样品两端的电流。另外，本申请中，如无特殊说明，“样品”均指代“待测高温超导带材的样品。”49.可选的，所述待测高温超导带材为钇钡铜氧化物高温超导带材。
50.可选的，所述冲击电流源3的冲击电流为高温超导带材临界电流以上至2000a范围的电流，所述小电流为不超过5a的小电流。
51.可选的，所述液氮的低温杜瓦1可在无外来热源情况下维持1个大气压下77k的低温。
52.可选的，所述冲击电流源3和恒流稳流源4并联接入样品得到两端，并先后向样品通电。
53.可选的，所述记录并分析所述电压数据、所述冲击电流数据、所述小电流数据以及所述温度数据的步骤中，采用labview程控主机8记录并分析。
54.可选的，所述示波器6与所述温度采集设备7设置labview接口，所述labview程控主机8通过labview编程实现各个设备的远程、同步以及测量。
55.可选的，所述设置延时继电器5的延迟时间，使恒流稳流源4输出的小电流在冲击电流源3的冲击电流变为0后再流过样品的步骤中，包括：
56.所述延时继电器5的延迟时间使恒流稳流源4输出的小电流在冲击电流源3的冲击电流变为0后的0
‑
0.1s后再流过样品。
57.本申请的另一方面，提供一种高温超导带材冲击恢复特性测试系统，包括：装有液氮的低温杜瓦1、待测高温超导带材样品、冲击电流源3、恒流稳流源4、延时继电器5、示波器6、温度传感器、温度采集设备7以及程控主机8；
58.所述待测高温超导带材样品布设在装有液氮的低温杜瓦1中，所述待测高温超导带材样品的两端连接冲击电流源3，再将所述恒流稳流源4与所述延时继电器5串联后接在样品的两端，在所述待测高温超导带材样品的两端连接示波器6，在所述冲击电流源3的电流回路中设置第一电流夹子31，在所述恒流稳流源4的电流回路中设置第二电流夹子41，在所述待测高温超导带材样品的表面设置温度传感器；
59.所述延时继电器5被配置为：设置延时继电器5的延迟时间，使恒流稳流源4输出的小电流在冲击电流源3的冲击电流变为0后再流过样品；
60.所述示波器6被配置为：通过示波器6测量样品两端的电压，得到样品两端的电压数据；
61.所述第一电流夹子31被配置为：采集冲击电流源3的电流回路中的冲击电流，所述第二电流夹子41被配置为：采集恒流稳流源4的电流回路中的小电流；
62.所述温度采集设备7被配置为：采集温度传感器测量的温度数据；
63.所述程控主机8被配置为：记录并分析所述电压数据、所述冲击电流数据、所述小电流数据以及所述温度数据。
64.参考图1，为本实施例的结构示意图。通过设置延时继电器5，设置延时继电器5的
延迟时间，使恒流稳流源4输出的小电流在冲击电流源3的冲击电流变为0后再流过样品，这样，在不影响高温超导带材在冲击过程中的特性，又能在冲击结束后，立即测试其恢复过程中的电压、电流等参量的变化情况，实现高温超导带材的冲击特性与恢复特性同步精确测量。本实施例中的程控主机8，具备记录电压数据、冲击电流数据、小电流数据以及温度数据的功能，同时还具备根据上述数据进行高温超导带材冲击恢复特性分析的功能。高温超导带材冲击恢复特性至少包括冲击的恢复时间，冲击过程中的电压、电流和温度变化，高温超导带材由超导态转变为非超导态进而又转变为超导态的状态分析等。
65.可选的，所述程控主机8为labview程控主机8，所述示波器6与所述温度采集设备7设置labview接口，所述labview程控主机8通过labview编程实现各个设备的远程、同步以及测量。
66.为了进一步验证本申请实施例的技术效果，针对上述实施例的技术方案进行了如下实验，具体的实验步骤如下：
67.表1
68.带材属性具体参数厂商samri型号st
‑
1908
‑
31ab
‑
3平均厚度0.24
±
0.05mm平均宽度12.0
±
0.1mm银层厚度2.0
±
0.5μm铜层厚度5.0
±
2.0μm基带厚度65
±
3μm不锈钢层厚度80
×
2μm超导层厚度1μm临界电流200
±
20a室温电阻0.11ω/m
69.步骤一：实验设备包括苏州新材料研究所(samri)生产的st
‑
1908
‑
31ab
‑
3第二代ybco高温超导带材(具体参数如表1)，低温杜瓦1，2kv,40ka,频率可调的冲击电流源3，通流3a的恒流稳流源4，延时继电器5，电流夹子，横河dl850示波器6，pt100温度传感器，keithley 2700万用表，labview程控主机8；将待测样品带材置于装有液氮的低温杜瓦1中，两端接冲击电流源3，同时将恒流稳流源4与延时继电器5串联后接在样品带材两端，通过设置延时继电器5的延迟时间，使恒流稳流源4输出的小电流在冲击电流变为0后再流过带材。
70.步骤二：dl850示波器6直接测量带材两端电压，并通过电流夹子测得电流波形；pt100温度传感器紧贴带材表面，通过2700万用表将温度数据收集记录。实验原理及接线图如图1所示。
71.步骤三：labview程控主机8直接控制示波器6和温度采集设备7，实现各参量测试与采集的远程控制。根据测得的电压、电流波形曲线，由r＝u/i可得到电阻波形曲线。如图2所示为冲击电流大小分别为711a、714a、810a、924a，通流时间12ms下的带材失超电阻随时间变化的波形曲线。可以看到，当冲击电流幅值为711a和714a，通流时间12ms时，带材在12ms前失超电阻降为0，即此时带材已恢复超导态，仅有电流流过，带材两端无电压；当冲击
电流幅值为810a和925a，通流时间12ms时，带材在12ms后失超电阻尚未降为0，此时冲击电流已经为0，仅有3a的恒流稳流源4提供电流，可以从图2中看到，带材在恢复过程中的失超电阻得到测量。
72.步骤四：参考图2，为通流时间12ms下的带材r
‑
t曲线。从冲击电流降为0开始，到失超电阻降为0的时间为基于电压判据测得的恢复时间。图3和图4分别为电流幅值810a和925a下的带材t
‑
t曲线，通流时间12ms时测得的带材表面温度变化曲线，可以监测带材表面温度变化，并得到基于温度判据测得的恢复时间。基于电压判据和温度判据测得的恢复时间相对比，结合失超电阻变化曲线，可以对高温超导带材的冲击恢复特性进行描述。
73.本申请的高温超导带材冲击恢复特性测试方法和系统，具有以下两方面的优点：
74.(一)本申请通过设置延时继电器5的延迟时间，使恒流稳流源4输出的小电流在冲击电流源3的冲击电流变为0后再流过高温超导带材的样品，这样既不会影响高温超导带材在冲击过程中的特性，又能在冲击结束后，立即测试其恢复过程中的电压、电流等参量的变化情况，实现高温超导带材的冲击特性与恢复特性同步精确测量。
75.(二)高温超导带材在冲击电流变为0后，失超电阻可能尚未变为0，因此在接入小电流后，可根据恢复过程中测得的电压变化曲线来判断高温超导带材的恢复时间；同时，由于本申请还采用了通过测量高温超导带材的表面温度来判定恢复时间的方法，两种判定方法得到的结果可相互验证，增加了恢复特性测试的准确性。
76.本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。