PK-CWT mini/600 柔性电流探头在磁约束聚变脉冲磁体电源测量中的应用案例

一、项目背景与测试痛点

国内某等离子体物理研究所开展中小型托卡马克磁约束聚变实验，装置纵场磁体采用大容量储能电容脉冲放电供电，单次放电峰值电流最高可达 220kA，电流上升沿 di/dt 可达 38kA/μs，脉冲持续时间 10ms～3s，同时叠加低频直流偏置与 MHz 级高频开关谐波信号。

实验前期采用传统刚性罗氏线圈与分流器开展电流采集，存在四大核心难题：

1.量程不足、磁饱和失真：常规刚性线圈最大量程仅百千安以内，接近峰值时波形顶部削波，无法还原真实脉冲峰值；分流器耐压低、需串联接入高压回路，存在 10kV 级触电安全风险。

2.带宽断层，高低频无法兼顾：老式传感器低频截止几十赫兹，无法捕捉磁体缓慢衰减的低频电流分量；高频上限不足 1MHz，开关瞬态尖峰完全丢失，无法计算磁体励磁损耗。

3.安装受限，测量误差大：磁体馈电母线粗、布线空间狭窄，刚性线圈无法包裹导体；多组相邻磁体线圈形成强交变磁场，普通探头抗干扰能力弱，波形噪声严重。

4.测试效率低：传统线圈需断电拆装，单次放电实验间隔短，频繁拆装大幅拖慢实验进度，且多批次测量重复性差。

为完整复现脉冲全频段电流波形、精准获取峰值、变化率、谐波畸变等关键参数，实验室选定PK-CWT mini/600 柔性电流探头作为核心测量设备，配套 RIGOL DHO4804 数字示波器搭建完整脉冲电流测试系统。

二、PK-CWT mini/600 探头适配性分析

对照实验需求，该型号核心参数完美匹配聚变装置测量工况：

1.量程与动态耐受：灵敏度 0.05mV/A，峰值电流 240kA，覆盖实验 220kA 最大放电电流；耐受 40kA/μs 电流变化率，高于实验 38kA/μs 的 di/dt 峰值，不会出现信号饱和失真。

2.全频段覆盖：低频 3dB 带宽 0.2Hz，高频上限 16MHz，既能捕捉秒级慢衰减低频电流，又可完整采集 IGBT 开关产生的高频谐波，无高低频信号丢失。

3.低噪声、高精度：噪声仅 5mVp-p，脉冲衰减 0.2%/ms，典型测量精度 1%，长时脉冲测量漂移极小，满足科研级数据精度要求。

4.安全与安装优势：柔性开环软线圈可任意弯折包裹粗大母线，无需断电拆装；线圈对地安全峰值耐压 10kVpk，隔离高压回路，杜绝触电隐患；标配 2.5m 屏蔽同轴电缆，远离强磁场辐射源，降低电磁串扰。

5.供电便携：支持 4 节 5 号电池独立供电，单次连续工作 8 小时，无需外接电源适配器，适配实验舱无冗余供电接口环境。

三、现场测试操作流程

（一）测试系统搭建

整套采集系统组成：PK-CWT mini/600 柔性电流探头、RIGOL DHO4804 示波器、2.5m 标准 BNC 同轴输出线、4 节 AA 碱性电池、手提收纳箱。

1.探头供电设置：装入 4 节 5 号电池，按下探头电源开关，绿色指示灯常亮代表供电正常；依据 0.05mV/A 灵敏度，将示波器输入衰减档位设置为 20000X，示波器输入阻抗切换至 1MΩ 匹配探头输出标准。

2.抗干扰预处理：将探头环空载放置母线周边，不夹持导体，观测示波器基线噪声，确认无周边磁体磁场带来的大幅杂波干扰；若噪声超标，将探头线缆远离磁体励磁线圈。

3.探头安装固定：打开柔性感应环卡扣，完整包裹磁体主馈电母线，保证母线处于线圈几何正中心，避开感应环交界处高误差阴影区域；将感应环插头完全插入积分器底部，防止信号虚接波动。

4.接线校准：BNC 线缆一端接探头积分输出端，另一端接入示波器通道，执行示波器通道零点校准，消除基线偏移。

（二）脉冲放电测量操作

1.确认探头安装牢固、接线无误后，启动储能电容充电回路，完成磁体电源预充；

2.同步触发示波器单次采集模式，下达放电指令，磁体电源输出脉冲大电流；

3.示波器实时捕获完整电流波形，自动记录峰值电流、上升沿 di/dt、脉冲持续时长、谐波纹波数据；

4.单次放电结束后，先切断被测脉冲电源，待母线残余电荷释放完毕，再取下柔性线圈，避免残余电流冲击损坏探头积分电路；

5.多组重复放电实验无需反复拆装线圈，仅重置示波器采集参数即可连续测试，提升实验效率。

（三）实验后收尾

全部批次测试完成，关闭探头电源，取出电池，将柔性线圈、线缆整理收纳至配套手提箱，妥善存放于恒温干燥实验室。

四、实测数据与应用价值

1. 核心实测结果

单次储能放电实验波形关键数据：

实测峰值电流：218.6kA，与理论计算 220kA 偏差仅 0.64%，符合 1% 典型精度指标；

电流上升沿最大 di/dt：37.2kA/μs，波形边沿完整无畸变，无高频尖峰丢失；

低频衰减段：脉冲放电 3s 后低频分量清晰可见，无低频截断、波形漂移；

噪声水平：全程波形噪声稳定在 5mVp-p 以内，相邻多次放电波形重复性高度一致。

对比传统刚性线圈测试数据：老式设备峰值测量偏差超 7%，高频尖峰完全消失，低频波形直接截断，无法支撑磁体电源参数迭代优化。

2. 项目落地价值

1.支撑聚变装置参数优化：依托完整全频段电流波形，科研人员精准计算磁体励磁损耗、电容储能释放效率，调整脉冲电源 IGBT 驱动时序，将磁体电流波形畸变率由 12% 降至 3.5%，提升等离子体约束稳定性。

2.规避设备安全隐患：10kVpk 耐压隔离设计，实现高压母线非接触测量，彻底消除分流器串联带来的高压触电风险；柔性线圈无需断电拆装，避免母线反复通断产生的电弧损伤。

3.缩短实验周期：柔性线圈可快速缠绕母线，单次实验拆装时间由 15 分钟缩短至 1 分钟；探头低衰减、高重复性特性，减少重复放电校准次数，整体实验效率提升 60%。

4.拓展多工况复用能力：同一支 PK-CWT mini/600 探头可兼顾纵场、平衡场、加热场多组磁体电源测量，线圈周长支持定制，后续新增实验回路无需额外采购测量设备，降低实验室仪器采购成本。

五、使用注意事项（现场实操总结）

1.测量全程必须将母线置于线圈中心，禁止导线贴靠感应环拼接缝隙，否则峰值测量误差会骤增至 5% 以上；

2.实验舱内多磁体同时工作时，探头线缆尽量远离多匝励磁线圈等强磁场源，降低杂波噪声；

3.单次脉冲放电结束必须先关断被测电源，待母线放电完成再拆卸探头，防止瞬态电流冲击积分电路；

4.积分电路工作温度区间为 0℃~50℃，实验舱高温环境下需做好通风散热，避免探头温漂增大；

5.长期闲置时取出内部电池，防止漏液腐蚀探头电路，标准 3 年主机质保可保障长期科研使用。

六、总结

在磁约束聚变超大脉冲电流测量这一严苛科研场景中，PK-CWT mini/600 柔性电流探头凭借 240kA 超大量程、0.2Hz~16MHz 全带宽、低衰减、柔性易安装、高压隔离安全等核心优势，解决了传统电流传感器量程不足、频带缺失、安装困难、安全风险高等痛点，精准输出可复现、高可靠的脉冲电流原始波形数据，为托卡马克磁体电源迭代、聚变实验参数标定提供了关键测量支撑，同时也可广泛应用于大功率脉冲电源、冶金电弧炉、电网雷击浪涌、电磁兼容脉冲测试等超大时变电流测量场景。

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