一種交流大電流衝擊測試裝置和測試方法
2023-09-20 01:54:35 1
一種交流大電流衝擊測試裝置和測試方法
【專利摘要】一種交流大電流衝擊測試裝置，包括調壓器（Uac）、超導磁體電源（Udc）、調壓變壓器（Tr1）、變壓器（Tr2）、斷路器（SW1）、第一單刀雙擲開關（S1）、第二單刀雙擲開關（S2）、第一電流傳感器（A1）、第二電流傳感器（A2）、電壓傳感器（V1）、第一晶閘管組（G1）、第二晶閘管組（G2）和電阻（R）。採用本發測試裝置的交流大電流衝擊測試方法在控制衝擊電流大小、衝擊時間和初始相位角的情況下，實現對超導帶材和磁體的交流大電流衝擊，同時，配合了超導帶材和磁體的臨界電流測試，簡化了測試流程，使測試過程更加合理，節約了測試時間。
【專利說明】一種交流大電流衝擊測試裝置和測試方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種用於超導帶材和線圈的交流大電流衝擊測試裝置和測試方法。
【背景技術】
[0002]隨著超導技術的快速發展，特別是Bi系和YBCO超導帶材的快速發展，超導帶材在諸如電力系統(超導儲能、超導限流器、超導變壓器、超導電纜和超導電機等)、重大科學工程(熱核聚變實驗堆)、醫療(核磁共振儀)、交通(超導磁懸浮列車)和軍事等方面得到了廣泛的實際應用。因此，為了保證超導磁體的優化設計和安全可靠運行，對超導帶材和磁體的過流衝擊等性能測試是必不可少的。
[0003]超導帶材和磁體的交流大電流衝擊測試，使超導帶材和磁體經歷從超導態到正常態的轉變，超導帶材和磁體的電流將是其臨界電流的3-5倍，甚至更高。
[0004]目前，超導帶材和磁體的交流大電流衝擊測試所需的交流大電流是通過脫扣器或斷路器的開合等來實現的。例如文獻「橋式超導故障限流器的短路試驗研究」(葉林，林良真，電力系統自動化，第23卷第18期)，如圖1所示，通過開關S實現大電流衝擊控制。穩態運行時，開關S處於斷開狀態；需要觸發故障時，手動閉合開關S，這時電路中就產生了大電流；隨後，手動斷開開關S，大電流衝擊結束。在大電流衝擊過程中，沒有對衝擊電流的大小、衝擊時間、初始相位角等進行控制，缺乏控制的精確性。
[0005]同時，超導帶材和磁體的交流大電流衝擊是對一種對超導帶材和磁體的過流衝擊，伴隨著大量的熱量產生，可能造成超導帶材和磁體的性能衰退甚至燒毀。在每次大電流衝擊後，需要對超導帶材和磁體的臨界電流進行測試。
[0006]因此。在實現超導帶材和磁體的交流大電流衝擊測試時，對衝擊時間、衝擊相位角等進行控制，並且，及時方便地進行其臨界電流的測試是非常必要的。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是克服已有技術在實現超導帶材和磁體的交流大電流衝擊測試時，對衝擊時間、衝擊相位角等控制不力的缺點，提出一種用於超導帶材和線圈的交流大電流衝擊測試的裝置及其測試方法。本發明不但能夠控制衝擊電流大小、初始相位角和衝擊時間，而且可以方便地及時測試超導帶材和磁體的臨界電流的衰減情況。
[0008]本發明採用的技術方案如下:
[0009]本發明交流大電流衝擊測試裝置，包括交流電源、超導磁體電源、調壓變壓器、變壓器、斷路器、第一單刀雙擲開關、第二單刀雙擲開關、第一電流傳感器、第二電流傳感器、電壓傳感器、第一晶閘管組、第二晶閘管組和電阻。
[0010]交流電源連接在調壓變壓器的原邊線圈上，調壓變壓器的副邊線圈與斷路器串聯後連接在變壓器的原邊線圈上，變壓器的副邊線圈的第一連接點與第二晶閘管組和第一電流傳感器的串聯電路的一端相連，第二晶閘管組和第一電流傳感器串聯電路的另一端連接在第一單刀雙擲開關的第二連接點；變壓器的副邊線圈的第二連接點與電阻和第一晶閘管組的並聯電路的一端相連，電阻和第一晶閘管組的並聯電路的另一端連接在第二單刀雙擲開關的第二連接點；第一單刀雙擲開關的第一連接點與第一測試點相連，第二單刀雙擲開關的第一連接點與第二測試點相連，電壓傳感器並聯在第一測試點和第二測試點之間，第二電流傳感器和超導磁體電源的串聯電路連接在第一單刀雙擲開關的第三連接點和第二單刀雙擲開關的第三連接點之間。
[0011]採用本發明裝置的測試方法通過對電流信號的過零檢測，獲得相應的方波信號；在過零點檢測的基礎上，給定初始相位角Θ，然後求解控制大電流觸發時間h:
[0012]t0= Θ /360f
[0013]其中，f為交流電源Uac的頻率，初始相位角Θ的單位為度(° ) 』U為從過零點開始的大電流觸發延遲時間。
[0014]具體測試步驟如下:
[0015]1、將超導樣品連接在第一測試點和第二測試點之間；
[0016]2、將第一單刀雙擲開關和第二單刀雙擲開關分別置於第一單刀雙擲開關的第三連接點和第二單刀雙擲開關的第三連接點；
[0017]3、調節超導磁體電源，測試超導樣品的臨界電流；
[0018]4、將第一單刀雙擲開關和第二單刀雙擲開關分別置於第一單刀雙擲開關的第二連接點和第二單刀雙擲開關的第二連接點；
[0019]5、調節調壓變壓器，改變調壓變壓器的輸出電壓，調節線路電流；
[0020]6、通過控制器設置大電流衝擊時間和初始相位角Θ ；
[0021]7、通過控制器發出故障觸發指令；
[0022]8、控制器通過控制信號控制第一晶閘管組導通而觸發大電流衝擊，通過控制信號控制第二晶閘管組關斷。
[0023]9、記錄第一電流傳感器、第二電流傳感器和電壓傳感器的數據；
[0024]10、重複步驟1-9，實現超導樣品的多次測試，或更換超導樣品，進行新樣品測試。
[0025]本發明的主要優點:
[0026]1.能夠在控制衝擊電流、衝擊時間和初始相位角的情況下，實現對超導帶材和磁體的交流大電流衝擊；
[0027]2.通過升壓調壓器和降壓變壓器有效地實現了對衝擊大電流的有效控制；
[0028]3.通過反並聯晶閘管來實現短路控制產生大電流，控制精度高、可靠性高，有效避免了對超導帶材和磁體的損壞；
[0029]4.在實現交流大電流衝擊的同時，配合了超導帶材和磁體的臨界電流測試，有效簡化了測試流程，使測試過程更加合理，有效節約了測試時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為已有技術超導故障限流器的短路試驗裝置的電路原理圖；
[0031 ] 圖2為本發明實施例的電路原理圖；
[0032]圖3為本發明實施例的大電流衝擊的控制原理圖；
[0033]圖4為本發明實施例的線路電流和相應的方波信號波形；
[0034]圖5為本發明實施例在大電流衝擊過程中的線路電流信號和第一晶閘管組Gl的控制信號波形；
[0035]圖6為本發明實施例在大電流衝擊過程中的線路電流信號和第二晶閘管組G2的控制信號波形。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步描述:
[0037]如圖2所示，本發明的實施例為一種用於超導帶材和磁體的大電流衝擊裝置，該裝置具有大電流衝擊和臨界電流測試兩種功能。該大電流衝擊裝置包括交流電源Uac、超導磁體電源Udc、調壓變壓器Trl、變壓器Tr2、斷路器SW1、第一單刀雙擲開關S1、第二單刀雙擲開關S2、第一電流傳感器Al、第二電流傳感器A2、電壓傳感器V1、第一晶閘管組G1、第二晶閘管組G2和電阻R。
[0038]交流電源Uac連接在調壓變壓器Trl的原邊線圈Lll上，調壓變壓器Trl的副邊線圈L12與斷路器SWl串聯後連接在變壓器Tr2的原邊線圈L21上，變壓器Tr2的副邊線圈L22的第一連接點a與第二晶閘管組G2和第一電流傳感器Al的串聯電路的一端相連，第二晶閘管組G2和第一電流傳感器Al串聯電路的另一端連接在第一單刀雙擲開關SI的第二連接點11 ;變壓器Tr2的副邊線圈L22的第二連接點b與電阻R和第一晶閘管組Gl的並聯電路的一端相連，電阻R和第一晶閘管組Gl的並聯電路的另一端連接在第二單刀雙擲開關S2的第二連接點21 ;第一單刀雙擲開關SI的第一連接點10與第一測試點Pl相連，第二單刀雙擲開關S2的第一連接點20與第二測試點P2相連，電壓傳感器Vl並聯在第一測試點Pl和第二測試點P2之間，第二電流傳感器A2和超導磁體電源Udc的串聯電路連接在第一單刀雙擲開關SI的第三連接點12和第二單刀雙擲開關S2的第三連接點22之間，超導樣品SP連接在第一測試點Pl和第二測試點P2之間。
[0039]調壓變壓器Trl為升壓調壓變壓器，一方面，通過升壓提高電壓的可調範圍；另一方面，通過調壓，控制和調節超導帶材和磁體測試所需電流。
[0040]變壓器Tr2為降壓變壓器，通過降壓產生較大的輸出電流。
[0041]第一單刀雙擲開關SI和第二單刀雙擲開關S2用於交流電源Uac和超導磁體電源Udc的切換,具有空載切換和帶載運行能力。
[0042]第一晶閘管組Gl和第二晶閘管組G2由晶閘管相互反並聯組成，實現衝擊大電流的初始導通角、衝擊時間等的精確控制。
[0043]超導磁體電源Udc為調壓變流的直流電源，用於超導樣品SP的臨界電流測試，臨界電流的判據為1μ V/cm。
[0044]交流電源Uac為單相交流電源，為超導樣品SP的交流大電流衝擊提供測試電源。
[0045]超導樣品SP為用於測試的超導帶材和超導磁體。
[0046]超導樣品SP的臨界電流測試的工作原理如下:超導樣品SP連接在第一測試點Pl和第二測試點P2之間，第一單刀雙擲開關SI和第二單刀雙擲開關S2分別置於連接點12和連接點22，這時，超導磁體電源Udc和超導樣品SP形成迴路，調節電源升流輸出，監視電壓傳感器Vl的輸出，當電壓傳感器Vl的輸出達到I μ V/cm時，電流傳感器A2的示數就是超導樣品SP的臨界電流。
[0047]超導樣品SP的大電流衝擊測試的工作原理如下:保持超導樣品SP連接方式不變，第一單刀雙擲開關SI和第二單刀雙擲開關S2分別置於第一單刀雙擲開關SI的第二連接點11和第二單刀雙擲開關S2的第二連接點21，調節調壓變壓器Trl改變輸出電壓，調節線路電流lac。通過控制器設置大電流衝擊的時間和初始相位角，檢測線路電流信號Iac，通過控制器控制第一晶閘管組Gl和第二晶閘管組G2觸發故障，實現對超導樣品SP的大電流衝擊測試。
[0048]圖3為本發明實施例的控制器的原理圖。通過第一模擬輸入口 SOl輸入線路電流信號Iac，通過第二模擬輸入口 S02輸入故障觸發指令Fault，通過第三模擬輸入口 S03輸入初始相位角Θ，通過第四模擬輸入口 S04輸入大電流衝擊時間Tf，通過第一數字輸出口Sll和第二數字輸出口 S12分別輸出第一晶閘管組Gl和第二晶閘管組G2的觸發信號。在控制器的初始狀態時，第一數字輸出口 Sll輸出零電平，第一晶閘管組Gl處於關斷狀態，第二數字輸出口 S12輸出高電平，第二晶閘管組G2處於導通狀態。
[0049]控制器的工作原理:線路電流信號Iac首先經過濾波，然後用於過零檢測，通過初始相位角Θ計算觸發延遲時間控制器發出故障觸發指令Fault且產生高電平，控制器開始對線路電流信號Iac進行過零檢測，並根據線路電流信號Iac的正負給出對應的正負方波信號，從正負方波信號的第一個上升沿開始，給正負方波信號進行一個觸發延遲時間to的信號延遲，延遲後的信號Sigl通過第一數字輸出口 SI I輸出，控制第一晶閘管組Gl使其導通。從延遲後的正負方波的第一上升沿開始，根據所設置一個時間為大電流衝擊時間Tf的計時器，計時結束後，控制信號Sig2變為零電平，從第二數字輸出口 S12輸出，關斷第二晶閘管組G2。
[0050]圖4為本發明實施例的線路電流信號Iac和相應的方波信號Si，電流傳感器Al檢測到的線路電流信號Iac，通過對線路電流信號Iac的過零檢測，獲得相應的方波信號Si。
[0051]圖5為本發明實施例在大電流衝擊過程中的線路電流信號Iac和第一晶閘管組Gl的控制信號Sigl的波形。在過零點檢測的基礎上，給定初始相位角Θ，然後求解控制大電流觸發延遲時間h:
[0052]t0= Θ /360f
[0053]( I)
[0054]其中，f為交流電源Uac的頻率，初始相位角Θ的單位為度(° ),t0為從過零點開始的大電流觸發延遲時間。電流傳感器Al檢測到線路電流信號Iac，通過對線路電流信號Iac的過零檢測，獲得相應的正負方波信號Sigl，實現對第一晶閘管組Gl的控制。在故障觸發指令Fault高電平到來之前，控制信號Sigl為零電平，第一晶閘管組Gl處於關斷狀態，電阻R投入電路；在初始相位角Θ，圖示為54°，即對應的觸發延遲時間t0的延時後，控制信號Sigl呈現正負方波信號，控制第一晶閘管組Gl導通，產生衝擊大電流。
[0055]圖6為本發明實施例在大電流衝擊過程中的線路電流信號Iac和第二晶閘管組G2的控制信號Sig2的波形。控制器啟動後，控制信號Sig2—直輸出高電平，第二晶閘管組G2導通。當計時器的計時結束時，控制信號Sig2變為零電平，控制第二晶閘管組G2關斷。
[0056]採用本發明裝置實施例的測試方法的步驟如下:
[0057]1、將超導樣品SP連接在第一測試點Pl和第二測試點P2之間；
[0058]2、將第一單刀雙擲開關SI和第二單刀雙擲開關S2分別置於第一單刀雙擲開關SI的第三連接點12和第二單刀雙擲開關S2的第三連接點22 ；[0059]3、調節超導磁體電源Udc，測試超導樣品SP的臨界電流；
[0060]4、第一單刀雙擲開關SI和第二單刀雙擲開關S2分別置於第一單刀雙擲開關SI的第二連接點11和第二單刀雙擲開關S2的第二連接點21 ；
[0061]5、調節調壓變壓器Trl，改變調壓變壓器Trl的輸出電壓，以調節線路電流Iac ；
[0062]6、通過控制器設置大電流衝擊時間Tf和初始相位角Θ ；
[0063]7、通過控制器發出故障觸發指令Fault ；
[0064]8、控制器通過控制信號Sigl控制第一晶閘管組Gl導通而觸發大電流衝擊，通過控制信號Sig2控制第二晶閘管組G2的關斷；
[0065]9、記錄第一電流傳感器Al、第二電流傳感器A2和電壓傳感器Vl的數據；
[0066]10、重複步驟1-9，實現超導樣品SP的多次測試，或更換超導樣品SP的進行新樣品測試。
[0067]本發明能夠在控制衝擊電流、衝擊時間和初始相位角的情況下，實現對超導帶材和磁體的交流大電流衝擊；並且，在實現交流大電流衝擊的同時，配合了超導帶材和磁體的臨界電流測試，有效簡化了測試流程，使測試過程更加合理，有效節約了測試時間，具有一定的實用價值。
【權利要求】
1.一種交流大電流衝擊測試裝置，其特徵是所述的測試裝置包括交流電源(Uac)、超導磁體電源(Udc)、調壓變壓器(Trl)、變壓器(Tr2)、斷路器(SW1)、第一單刀雙擲開關(SI)、第二單刀雙擲開關(S2)、第一電流傳感器(Al)、第二電流傳感器(A2)、電壓傳感器(VI)、第一晶閘管組(G1)、第二晶閘管組(G2)和電阻(R);交流電源(Uac)連接在調壓變壓器(Trl)的原邊線圈(Lll)上，調壓變壓器(Trl)的副邊線圈(L12)與斷路器(SWl)串聯後連接在變壓器(Tr2)的原邊線圈(L21)上，變壓器(Tr2)的副邊線圈(L22)的第一連接點(a)與第二晶閘管組(G2)和第一電流傳感器(Al)串聯電路的一端相連，第二晶閘管組(G2)和第一電流傳感器(Al)串聯電路的另一端連接在第一單刀雙擲開關(SI)的第二連接點(11);變壓器(Tr2)的副邊線圈(L22)的第二連接點(b)與電阻(R)和第一晶閘管組(Gl)的並聯電路的一端相連，電阻(R)和第一晶閘管組(Gl)的並聯電路的另一端連接在第二單刀雙擲開關(S2)的第二連接點(21);第一單刀雙擲開關(SI)的第一連接點(10)與第一測試點(Pl)相連，第二單刀雙擲開關(S2)的第一連接點(20)與第二測試點(P2)相連，電壓傳感器(Vl)並聯在第一測試點(Pl)和第二測試點(P2)之間，第二電流傳感器(A2)和超導磁體電源(Udc)的串聯電路連接在第一單刀雙擲開關(SI)的第三連接點(12)和第二單刀雙擲開關(S2)的第三連接點(22)之間。
2.按照權利要求1所述的交流大電流衝擊測試裝置，其特徵是所述的調壓變壓器(Trl)為升壓調壓變壓器，一方面，通過升壓提高電壓的可調範圍，另一方面，通過調壓，控制和調節超導帶材和磁體測試所需的電流。
3.按照權利要求1所述的交流大電流衝擊測試裝置，其特徵是所述的變壓器(Tr2)為降壓變壓器，通過降壓產生較大的輸出電流。
4.按照權利要求1所述的交流大電流衝擊測試裝置，其特徵是所述的第一單刀雙擲開關(SI)和第二單刀雙擲開關(S2)用於第一交流電源(Uac)和超導磁體電源(Udc)的切換，具有空載切換和帶載運行能力。
5.按照權利要求1所述的`交流大電流衝擊測試裝置，其特徵是所述的第一晶閘管組(Gl)和第二晶閘管組(G2)由晶閘管相互反並聯組成。
6.按照權利要求1所述的交流大電流衝擊測試裝置，其特徵是所述的超導磁體電源(Udc)為調壓變流的直流電源，用於第一超導樣品(SP)的臨界電流測試，臨界電流的判據為IyV/cm。
7.按照權利要求1所述的交流大電流衝擊測試裝置，其特徵是所述的交流電源(Uac)為單相交流電源。
8.按照權利要求1所述的交流大電流衝擊測試裝置，其特徵是所述的控制器通過第一模擬輸入口(SOl)輸入線路電流信號(Iac)，通過第二模擬輸入口(S02)輸入故障觸發指令(Fault)，通過第三模擬輸入口(S03)輸入初始相位角Θ，通過第四模擬輸入口(S04)輸入大電流衝擊時間Tf，通過第一數字輸出口(Sll)和第二數字輸出口(S12)分別輸出第一晶閘管組(Gl)和第二晶閘管組(G2)的觸發信號；在控制器的初始狀態時，第一數字輸出口(Sll)輸出零電平，第一晶閘管組(Gl)處於關斷狀態，第二數字輸出口(S12)輸出高電平，第二晶閘管組(G2)處於導通狀態，線路電流信號(Iac)首先經過濾波，然後用於過零檢測，通過初始相位角Θ計算觸發延遲時間控制器發出故障觸發指令(Fault)且產生高電平，控制器開始對線路電流信號(Iac)進行過零檢測，並根據線路電流信號(Iac)的正負給出對應的正負方波信號，從正負方波信號的第一個上升沿開始，給正負方波信號進行一個觸發延遲時間h的信號延遲，延遲後的信號(Sigl)通過第一數字輸出口(Sll)輸出，控制第一晶閘管組(Gl)使其導通；從延遲後的正負方波的第一上升沿開始，根據所設置一個時間為大電流衝擊時間(Tf)的計時器，計時結束後，控制信號(Sig2)變為零電平，從第二數字輸出口(S12)輸出，關斷第二晶閘管組(G2)。
9.應用權利要求1所述的交流大電流衝擊測試裝置的測試方法，其特徵是所述的測試方法通過對電流信號(Iac)的過零檢測，獲得相應的方波信號(Si);在過零點檢測的基礎上，給定初始相位角Θ，然後求解控制大電流觸發時間h:
t0=Θ/360f 其中，f為交流電源(Uac)的頻率，初始相位角Θ的單位為度(° Xtci為從過零點開始的大電流觸發延遲時間。
10.按照權利要求9所述的交流大電流衝擊測試方法，其特徵是所述的測試方法的步驟是: 步驟1:將超導樣品(SP)連接在第一測試點(Pl)和第二測試點(P2)之間； 步驟2:將第一單刀雙擲開關(SI)和第二單刀雙擲開關(S2)分別置於第一單刀雙擲開關(SI)的第三連接點(12)和第二單刀雙擲開關(S2)的第三連接點(22)； 步驟3:調節超導磁體電源(Udc)，測試超導樣品(SP)的臨界電流； 步驟4:將第一單刀雙擲開關(SI)和第二單刀雙擲開關(S2)分別置於第一單刀雙擲開關(SI)的第二連接點(11)和第 二單刀雙擲開關(S2)的第二連接點(21)； 步驟5:調節調壓變壓器(Trl)，改變調壓變壓器(Trl)的輸出電壓，以調節線路電流(Iac)； 步驟6:通過控制器設置大電流衝擊時間Tf和初始相位角Θ ； 步驟7:通過控制器發出故障觸發指令(Fault)； 步驟8:控制器通過控制信號控制第一晶閘管組(Gl)導通而觸發大電流衝擊，並通過控制信號控制第二晶閘管組(G2)的關斷； 步驟9:記錄第一電流傳感器(Al)、第二電流傳感器(A2)和電壓傳感器(Vl)的數據；步驟10:重複所述步驟1-9，實現超導樣品(SP)的多次測試，或更換超導樣品(SP)的進行新的樣品的測試。
【文檔編號】G01R31/00GK103630775SQ201310576717
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月16日 優先權日:2013年11月16日
【發明者】張志豐, 孫強, 劉大千, 邱清泉, 肖立業, 戴少濤, 張國民 申請人:中國科學院電工研究所