《高温超导缆线交流损耗测量规范》

T/CSEE（/Z）XXXX—YYYYCSEE中国电机工程学会标准T/CSEEFORMTEXTXXXX—FORMTEXTYYYY高温超导电缆交流损耗测量规范FORMTEXTXXXX-FORMTEXTXX-FORMTEXTXX发布FORMTEXTXXXX-FORMTEXTXX-FORMTEXTXX实施FORMTEXT中国电机工程学会发布

高温超导电缆交流损耗测量规范范围本标准规定了高温超导电缆在高载流下传输交流损耗的补偿测量方法。本标准适用于测量由二代高温超导带材制作的超导电缆的传输交流损耗，超导电缆由多根1.6m长的带绝缘层的二代高温超导带堆叠组成，电压测量引线为8字型结构，电压引线间距1m，电缆临界电流为1000A~3000A。本标准给出的测量方法经过适当修改可适用于测量其他结构超导电缆的传输交流损耗。规范性引用文件下列文件中的条款通过在本标准中的引用而构成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准。凡是不注日期的引用文件，其最新版本使用于本标准。GB/T13811—2003电工术语超导电性[Internationalelectrotechnicalvolcabulary（IEV）—Part815：Superconductivity]GB/T27418—2017测量不确定度评定与表示术语和定义GB/T13811—2003、GB/T27418—2017界定的术语和定义以及下列术语定义适用于本文件。传输交流损耗transportalternative-current(AC)lossPt由传输电流的同相电压分量测量得到的交流损耗。罗氏线圈Rogowskicoil一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的空心环形线圈。注：罗氏线圈基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律，其输出信号是电流对时间的微分，通过对输出信号进行积分还原得到真实输入电流。补偿法compensationmethod一种通过补偿线圈消除超导电缆两端感性电压分量，得到超导电缆的阻性电压分量，进而确定超导电缆传输交流损耗的方法。注：在超导电缆主回路串接补偿线圈初级绕组，通过得到的次级绕组电压完全消除超导电缆感性电压组分，再乘以电流即得到超导电缆的传输交流损耗，这种方法称作补偿法。测量原理提出了一种高温超导电缆传输交流损耗补偿测量方法。通过串联补偿线圈并对补偿线圈中初、次级线圈的位置进行自动调节和高精度数字信号处理，获得与超导电缆感性电压同相位的补偿电压，将电压值相减再与电流相乘，得到阻性交流损耗值，实现对超导电缆在交变电流或变化磁场下传输交流损耗的实时测量。实施中，超导电缆与补偿线圈的初级线圈串联在同一回路中，连接kA级交流电源，该初级线圈采用具有高载流能力的单匝线圈结构，并设计有防涡流结构，利用高精度数据采集系统，在同一时钟下同步输入三路信号（超导单元两端电压Vs，次级线圈的电压Vc和回路电流I），其中，超导电缆中的回路电流通过罗氏线圈采集，然后经过数据转接线连接到数据采集系统；采用补偿线圈电机驱动定位系统，调节补偿线圈的位置，最后利用交流损耗补偿算法实时对超导电缆感性电压进行自动补偿，实现超导电缆阻性交流损耗的测量。该传输交流损耗补偿测量算法包括以下步骤：(1)调整初级线圈和次级线圈的位置，确定该位置下，初级线圈与所述次级线圈的互感M；(2)确定超导单元的端电压Vs和次级线圈的补偿电压Vc；(3)判断端电压Vs与补偿电压Vc之差的相位与回路电流I的相位是否相同；若相同则继续步骤(4)，若不同则返回步骤(1)；(4)将Vs-Vc与I积分，计算输出传输交流损耗值。装置电源直流电源：量程≥3000A，畸变率≤2%；交流电源：电流范围0~3000A，谐波畸变率≤2%。补偿线圈超导电缆因其具有μH级低电感且可通载kA级大电流等特性，补偿线圈需同时满足通载kA级大电流以及同等μH级别的互感值，才能实现补偿测量其传输交流损耗。因此，本标准设计补偿线圈如下：补偿线圈由一对同轴的初、次级线圈构成，次级线圈在内，μH~mH几档可供选择；初级线圈：应可承载3000A的大电流连续工作10分钟无明显温升，优化设计结果为直径20cm，高度30cm，厚度1cm的开口铜环；次级线圈：预估电缆电感值的大小，选择补偿线圈互感值档位应大于超导电缆电感值，最大互感值是电缆电感值的1~2.5倍最佳；通过直线位移电机调节初、次级线圈的轴向相对位置，从而改变补偿线圈互感值；补偿电压易受外界干扰，故补偿线圈放置于屏蔽箱内；屏蔽箱壁面距补偿线圈的距离不小于补偿线圈外形尺寸的3倍。带积分器的柔性罗氏线圈量程1~3000A，准确度≥0.2级（±0.2%），频率响应10Hz~100kHz，输出电压范围0.1-10mV/A。数据采集系统数据采集系统采用不低于16位测量精度的DSA数据采集卡，幅度精确度：±0.1dB（±1%），平坦度：±0.03dB（±0.3%）。直线位移电机驱动及控制系统直线电机可往复运动，位移分辨率能够达到0.1mm，并且具有反馈和自锁功能。数据处理与显示系统支持可编程和显示的计算机。高温超导电缆样品高温超导电缆样品制备本标准制作的超导电缆样品为多带堆叠电缆，长度1.6m，测量长度1m，自场临界电流为1000A~1200A。满足传输交流损耗测试条件的电缆接头设计电缆接头与每根超导带焊接，电流传输线与电缆接头螺栓连接，并保持电流传输线与超导电缆平行。测试条件电缆样品安装电流传输线与超导电缆平行，两根电流传输线折弯处跨距不短于超导电缆电压引线长度2倍，电压引线为“8”字型结构，电压引线所围矩形宽度不低于超导电缆外径3倍。大电流变频电源的供给条件通过串联电容补偿柜，保证测量过程中大电流变频电源的输出功率因数大于0.9，输出电流畸变率≤2%。高温超导电缆低温条件测量过程中超导电缆始终浸没在低温浴中，液面没过电缆2cm以上，保持平稳液氮浴。测试信号保障条件所有测量信号引线以双绞线引出，连接处以焊接为宜，并外裹屏蔽层。超导电缆四引线法测试条件测量信号引线焊接固定，保证测量电流信号与测量电压信号在同一时钟下采集。电流参考信号测试条件电流传输线处于罗氏线圈中心，并且垂直于罗氏线圈平面，罗氏线圈外型尺寸3倍内无其它电流通过。补偿电压测试条件补偿线圈位于屏蔽箱内，测量信号引线与次级线圈绕组的相对位置固定，并通过双绞线引出。标定条件一般情况下，本标准里涉及的补偿法测量传输交流损耗，标定是必要的。以超导电缆临界电流IC的半值作为交流损耗标定测试电流幅值，观察并校准超导电缆单位长度每周期内交流损耗测量结果到0.000365~0.000891，校准后即可测试超导电缆工作电流的交流损耗。测试分析软件量程估算适用于测量任何被测电缆两端电压大于0.1mV的超导以及非超导电缆样品。滤波条件三阶Butterworth（巴特沃斯）拓扑结构算法，无限长冲击响音（IIR）带通滤波器。电机程控设置在程序运行开始，电机快速回到初始设定位置，然后以0.1mm/s的速度沿预定轨迹移动，直至达到补偿效果，自动停止并锁定。补偿判定规则通过对采集的电压与电流信号进行数学处理，并实时监测电流信号I与补偿后电压信号Vs-Vc的相位，当两者的相位差小于等于0.1º时，认定补偿完成（等同于锁相），同时给驱动电机停止锁定指令。传输交流损耗计算经过精分步进电机自动追踪、补偿、测量，然后得到补偿后被测超导电缆两端阻性电压（VS-VC），将其与回路电流I相乘并积分得出传输交流损耗。（1）（2）测量结果评估及不确定度分析综述附录A概述了不确定度在补偿法中的应用。超导电缆的电流供给设备不确定度分析超导电缆的电流供给设备供应电流为正弦电流，其频率以及幅值的相对不确定度不超过0.8%。补偿线圈装置的不确定度分析补偿线圈装置处在屏蔽箱内，避免了外界环境干扰，相同条件下多次测量补偿电压相对不确定度不超过0.5%。数据采集系统的不确定度分析采用16位及以上的DSA数据采集卡，保证测量信号的相对不确定度不超过1.3%。测量环境的不确定度分析测量应在接近液氮正常沸点77.35K的温度下进行，温度测量精确度应在±0.1K以内，且周围环境气压保持相对恒定，以便获得所要求的温度测量的不确定度。测试报告样品情况简介如有可能，应给出被测样品的如下信息：生厂商名称；基体材料；基本超导线材的尺寸；最大弯曲半径；样品的结构尺寸：；电缆的自场下临界电流。测试条件应报告以下测试条件：测试温度以及测试方法；数据采集卡型号以及采样频率；电缆接头电阻。测试结果在传输交流损耗重复测量中，应报告重复测量的次数n、平均值、标准偏差s、不确定度（u）和变化系数COV。应报告的测试结果包括：超导电缆自场下临界电流测量V-I曲线；传输电流幅值、频率和波形；超导电缆和补偿线圈的电压幅值、频率与波形。传输交流损耗及波形；不确定度分析补偿法传输交流损耗测量的不确定度主要来自多次测量的A类不确定度以及测量条件的影响和信号处理等B类不确定度构成。测量条件对于B类不确定度评定的影响，只与测量装置的基本标准不确定度有关。B类标准不确定度计算公式为：A类标准不确定度uA(P)跟多次测量结果密切相关，计算规则参照附录A所示，则总的标准不确定度u(P)表示为：

附录A

（规范性附录）

补偿法传输交流损耗测量不确定度的估算补偿法传输交流损耗测量的不确定度主要来自多次测量的A类不确定度以及测量条件的影响和信号处理等B类不确定度构成。测量条件对于B类不确定度评定的影响，只与测量装置的基本标准不确定度有关。信号处理时计算传输交流损耗的一个关键步骤，由实验输出信号Vs、Vc和I，经过式（1）进行。则B类标准不确定度计算公式为：uA类标准不确定度uA(P)跟多次测量结果密切相关，总的标准不确定度u(P)=u附录B

（规范性附录）

补偿法传输交流损耗测量电路示意图补偿法传输交流损耗测量电路示意图见图1。图1补偿法传输交流损耗测量电路示意图

索引[1]ISO/IECGuide98-3:2008,Uncertaintyofmeasurement—Part3:Guidetotheexpressionofuncertaintyinmeasurement(GUM:1995).[2]ISO/IECGuide99:2007,Internationalvocabularyofmetrology—Basicandgeneralconceptsandassociatedterms(VIM).[3]TAYLOR,B.N.andKUYATT,C.E.,GuidelinesforEvaluatingandExpressingtheUncertaintyofNISTMeasurementResults.NISTTechnicalNote1297(1994)(Availableat</Pubs/pdf.html>)[4]Availableathttp://www.gum.dk/e-wb-home/gw_home.html[5]Availableat[6]CHURCHILL,E.,HARRY,H.K.,andCOLLE,R.,Expressionoftheuncertaintiesoffinalmeasurementresults.NBSSpecialPublication644(1983)[7]GB/T30109—2013/IEC61788-8Ed.2:2010,AClossmeasurements—TotalAClossmeasurementofroundsuperconductingwiresexposedtoatransversealternatingmagneticfieldatliquidheliumtemperaturebyapickupcoilmethod.

高温超导电缆交流损耗测量规范编制说明

目次1编制背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．132编制主要原则．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．133与其他标准文件的关系．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．134主要工作过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．135标准结构和内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．136条文说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

1编制背景本标准依据《中国电机工程学会关于印发“中国电机工程学会2018年标准计划（第一批）”的通知》（电机咨〔2018〕66号文）。近年来，随着国产化高温超导材料制备技术的不断进步，一系列性能优异的超导材料被制造并用来构造高温超导电缆，实现大功率电能传输。然而，当超导电缆传输交流电流或处于交变磁场中时，超导电缆内部会产生交流损耗，从而增加了制冷系统的功率消耗，在某些情况下更会抵消超导电缆技术在节能降耗方面的优势，影响了超导电缆的实际应用与发展，因此对于高温超导电缆交流损耗的准确测试与评估就变得至关重要。在交流损耗的实际测试研究中，设计实用化程度强的高精度交流损耗测量系统，提出高温超导电缆交流损耗的在线测试标准，对促进高温超导电缆的优化设计，降低其功率损耗，提高电能传输效率，从而推动社会节能减排具有重要的作用和意义。2编制主要原则本标准主要根据以下原则编制：a)规定了高载流超导电缆交流损耗补偿测量方法原理、构成以及技术要求；b)适用于高载流高温超导电缆在交变电流或变化磁场下的交流损耗测量。3与其他标准文件的关系本标准与相关技术领域的国家现行法律、法规和政策保持一致。本标准不涉及知识产权问题。本标准主要参考文件：ZhuJ,ChenX,YangWetal.ANovelACLossMeasurementTechnologyforHighTemperatureSuperconductingCableWithLargeCurrentCapacityUsingaCompensationCoil[J].IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity,2015,25(3):1–