1kA级铋系高温超导模型电缆的研制.doc

1kA级铋系高温超导模型电缆的研制*林玉宝林良真李绍萍张丰元陈少飞王银顺徐励宋乃浩温华明李健周廉张平祥李成山段镇忠郑会玲冯勇于泽铭吴晓祖周贻茹林蔚付雪奎华佩文邓华华志强华崇远袁冠森我们研制了一根1000A级铋系高温超导模型电缆.电缆由不锈钢波纹管骨架、导体层、层间绝缘和外绝缘绑扎带组成.电缆的导体层由6层共171根Bi-2223/Ag多芯带材绕制而成，电缆外径为45.2mm，长度为1m.在液氮下的通电实验表明，电缆的临界电流超过1180A（1V/cm判据），接头总电阻小于0.06,均超过设计指标.经两次热循环实验，电缆的临界电流仅退化2.7%.在半小时传输电流1kA的实验中，电缆的传输特性稳定.本文介绍铋系带材的主要性能和1kA级铋系高温超导模型电缆的设计、绕制和实验结果.DEVELOPMENT OF A 100NM CLASSBISMUTH-BASED HTS MODEL CABLELin Yu-bao Lin Liang-zhen Li Shao-pingZhang Feng-yuan Chen Shao-fei Wang Yin-shunXu Li Song Nai-hao Wen Hua-ming Li JianInstitute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080Zhou Lian Zhang Ping-xiang Feng YongLi Cheng-shan Zheng Hui-ling Wu Xiao-zuNorthwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xian 710016Zhou Yi-ru Lin Wei Fu Xue-kui Hua Pei-wenDeng Hua Hua Zhi-qiang Hua Chong-yuan Yuan Guan-senGeneral Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088(Received 9 November, 1998)A 1000A class Bismuth-based HTS model cable has been developed. The cable consists of a flexible frame, the conductor layer, the inter-layer insulation and an outer insulation-binding layer. The conductor layer is wound from 171 Bi-2223/Ag multifilamentary tapes which are divided into six layers. The cable has a 45.2mm outer diameter and 1m length. The tests at 77K show that the critical current of the cable is more than 1180A (at 1V/cm criterion) and the total joint resistance is less than, and both get the better of the design specifications. The critical current of the cable was only degraded 2.7% after 2 thermal cycles. The HTS cable was running in 30 minutes with 1000A steadily and reliably.The main properties of the Bi-2223/Ag tapes and the design, fabrication and test results of the HTS cable are presented in this paper.1 引 言高温超导电缆可以实现低损耗、大容量输电，其结构紧凑，体积小.利用高温超导电缆输电，是解决大功率输电的有效途径，被认为是高温超导应用最有希望的领域.铋系高温超导电缆是当今世界各国在高温超导技术强电应用研究领域的重要项目.我国国家超导专家委员会已将其列入“九五”重要攻关项目.其目标是研制6米长、2000安的铋系高温超导电缆.这是一项综合研制任务，西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院提供性能均匀、稳定的铋系高温超导带材，中国科学院电工研究所负责铋系带材性能的测试、电缆的研制与试验以及电缆终端与低温冷却系统的研制.为了掌握高温超导电缆的结构设计、绕制与终端连接工艺等技术，第一步是研制一根1m长、1000A高温超导直流电缆.中国科学院电工研究所在进行铋系带材性能测试和接头电阻实验研究后，设计、绕制了我国第一根1m长的1kA/1kV铋系高温超导模型电缆，并成功地进行了液氮下的通电试验.目前我们正在进行6m长、2000A的铋系高温超导电缆的研制工作.2 铋系带材的性能铋系高温超导电缆采用银包套Bi-2223多芯带材（以下简称铋系带材）绕制.这些铋系带材是西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院研制的，主要参数如表1所示.带材的性能是设计高温超导电缆的基本依据.在研制高温超导电缆之前，我们测试了带材的主要性能，这些性能包括：带材的I-V特性、热循环性能、机械性能（拉应变和弯曲应变特性）和外加磁场特性.(1)铋系带材的I-V特性超导带材的I-V特性通常可以用函数公式V=V0(I/I0)n表示，式中，V0 和I0分别为参考的电压和电流.带材的临界电流采用通用的1V/cm判据确定. 幂指数n是一个重要的参数，它反映V-I曲线的陡峭程度，n值规定为在0.1V/cm到1.0V/cm范围内的logV-logI曲线的斜率1.铋系带材的I-V特性用标准的四引线法测试，测得带材在77K下的平均临界电流为11.6A，平均n值为15.3.图1为电缆所用的171根带材临界电流的分布图.图1 电缆所用的171根带材临界电流的分布图(2)铋系带材的热循环性能铋系高温超导电缆在测试和运行过程中不可避免地要经过从室温到液氮温区的多次冷热循环，设计高温超导电缆时应该知道铋系带材的热循环性能.图2 示出了我们的铋系带材典型的临界电流和n值随热循环次数的变化.图2 铋系带材的典型的临界电流和n值随热循环次数的变化(3)铋系带材的机械性能铋系带材的机械性能主要包括拉应变特性和弯曲应变特性.图3是77K下铋系带材的归一化临界电流与拉应变的关系曲线.由曲线可以看出铋系带材的临界电流不退化的临界拉应变为0.16%.图4 是77K下铋系带材的归一化临界电流和n值与弯曲应变的关系曲线.由图4可得，铋系带材的临界弯曲应变为0.39.图3 77K下铋系带材的拉应变特性图4 77K下铋系带材的弯曲应变特性(4)铋系带材的外加磁场特性在77K下，铋系带材的临界电流随外磁场的增加而明显降低，并具有强烈的各向异性.高温超导电缆的传输电流所产生的磁场会影响带材的临界电流，所以设计高温超导电缆时，应当考虑带材的外加磁场特性.图5是我们的铋系带材在77K下的外加磁场特性.图5 77K下铋系带材的外加磁场特性表1列出1000A铋系高温超导模型电缆用铋系带材的主要参数和性能.表1 Bi-2223/Ag多芯带材的主要参数和性能带材尺寸：宽w厚t (mm)(4.00.2)(0.250.05)银超比41芯数27，37和61平均临界电流(A)11.6平均n值15.377K下临界拉伸应变ct(%)0.1677K下临界弯曲应变cb(%)0.39从室温到77K自由热收缩率（%）0.2523 1000A铋系高温超导模型电缆的设计(1)设计的要求a.电缆从室温冷却至液氮温度时，应保持其整体紧密性，并防止因冷收缩产生的应力导致带材临界电流的退化.b.尽量降低电缆中轴向净磁场，以减小自场效应.c.能稳定地传输1000A直流，并具有1000V耐压水平.d.电缆的总接头电阻应小于微欧级.(2)电缆的结构超导电缆有刚性和挠性两种结构.挠性电缆具有对热收缩的适应性，可绕制成长电缆，而且便于运输和安装.考虑到大容量长距离输电的高温超导电缆的发展方向，1000A铋系高温超导模型电缆拟采用挠性结构，它由骨架、导体层、层间绝缘和外绝缘绑扎层等四部分组成.骨架是外径40.3mm，长度1m的不锈钢波纹管，其两端分别与紫铜的终端接头焊接，终端接头有多个与导体层数对应的台阶，便于各层带材的焊接.导体层采用铋系带材在骨架上一根挨一根地绕成多层（偶数层）螺旋形结构，以防止冷收缩时产生的应力损坏铋系带材.导体层中相邻共轭层的带材绕向相反，且螺距相等，以消除轴向磁场.骨架上及导体层间缠绕绝缘带，以降低电缆因升降电流产生磁耦合而引起的交流损耗.电缆最外层以绝缘带半迭绕作为外绝缘兼绑扎带.图6示出1000A铋系高温超导模型电缆的结构示意图.图6 1000A铋系高温超导模型电缆的结构示意图(3)电缆导体层参数的确定a. 螺旋角的计算由铋系带材以螺旋角缠绕成的螺线管的径向收缩率r可表示为3,4(1)式中，l为铋系带材的长度变化率，p为螺距的变化率.若铋系带材的自由热收缩率为t，在冷却过程中产生的拉应变为s，则l=t-s(2)由式(1)及(2)可得(3)当厚度为t的带材自由弯成曲率半径为R的圆环时，带材的弯曲应变为5(4)以螺旋角缠绕在半径为r的圆柱上的带材的弯曲曲率半径为4(5)由式(4)及(5)可得(6)从室温冷却到液氮温区时，为保证电缆的紧密性，铋系带材螺线管的径向热收缩率应略大于不锈钢波纹管骨架的径向热收缩率0.28%,取r=0.3%,p=0.05%4，电缆导体层的内半径r1=20.25mm，为保证带材冷却到液氮时临界电流不因拉应变和弯曲应变而退化，就要求sct和bcb，由表1，取s0.15%和b0.3% ，由式（3）和（6）可得：26.644.2.b.电缆导体层的层数和铋系带材的根数如果铋系高温超导电缆的导体层有N根铋系带材，这些带材的平均临界电流为Ic(0)，由电缆磁场引起的带材临界电流的退化系数为k1，在电缆制造过程中由应变引起的临界电流的退化率为k2，由带材的热循环引起的临界电流的退化率为k3，设计的安全系数为k4，则电缆的传输电流为It=NIc(0)k1k2k3k4(7)电缆的最内层导体所放置的带材根数是(8)式中，w为带材宽度，g为带材放置的间隙.知道了电缆导体层中的最大磁场值后，就可以由图5的曲线来确定k1值.假定电缆导体层中的电流呈均匀分布，由于电缆的结构设计能使轴向磁场为零，因此电缆导体中只存在环向磁场，它的分布可以由下式表示(9)式中，r1和r2和分别为电缆导体层的内半径和外半径.当r=r2时，电缆导体层的外半径处存在最大的环向磁场，我们设计电缆有6层，r2=22.25mm, It=1000A，则导体层中最大的环向磁场Bm=89.9Gs，该环向磁场与材表面平行，由图5可得Ic(Bm)/Ic(0)=0.84，取k1=0.8.在电缆的制造过程中，铋系带材不可避免地会发生机械应变而导致Ic退化，取k2=0.8.铋系带材具有热循环退化的特性，我们为此采取了某些有效的措施改善了热循环性能，这样可以取k3=0.9.安全系数也取k4=0.9.当Ic(0)=11.6A，It=1000A时，由(7)式得N=166根.取w=4.0mm，g=0.1mm和27，由(8)式可得最内层导体放置的带材根数为N127根，所以电缆的导体层的层数有6层.c.电缆各导体层的螺距及螺旋角的确定半径为r的电缆导体层带材放置的螺旋角与螺距p有如下关系(10)当电缆导体层中每对电流共轭层的螺旋带材的螺距p1=p2时，电缆的轴向净磁场为零，由式(10)可得(11)式中，r1，r2和1,2分别为导体层中每对电流共轭层的半径和螺旋角.电缆导体层的层间绝缘厚度为0.1mm，(由50m厚的聚酯带半迭绕而成)，可以算出各导体层的内径.为了节省带材的用量，应该在带材缠绕所允许的螺旋角的范围内取较小的值(27)，借助式(8)、(9)、(10)和(11)，可得出表2的电缆各导体层的设计参数.按表2绕制的铋系高温超导电缆可以传输1010A的电流.表2 铋系高温超导电缆各导体层的设计参数层数各层内径（mm）带材根数螺旋角（度）螺距(mm)环向磁场（Gs）单根带材长度(m)140.52726.925101.15241.22727.325116.31.18341.92826.826132.41.20442.62827.126148.21.23543.32926.727163.81.25644.02927.027179.11.29(4)电缆的外绝缘绑扎带电缆的绝缘厚度d可由下式确定 (12)式中，V为电缆的击穿电压，EDmax为绝缘的最大电场强度(kV/mm)，rd为绝缘的内半径.由于电缆的导体层带材有间隙，所以电缆外绝缘与带材接触面间会渗进液氮，在这种情况下，液氮间隙上的最大电场ELmax和电缆绝缘上的最大电场EDmax的关系为LELmax=dEDmax(13)式中，L和d分别为液氮和电缆固体绝缘的介电常数.我们选择具有优异的电及机械性能的聚酰亚胺带为电缆的外绝缘.电缆的rd=22.25mm ，额定电压为1kV，取V=1.6kV，d=3.1，L=1.4，聚酰亚胺和液氮的直流击穿电场分别为100kV/mm和40kV/mm6，避免聚酰亚胺和液氮不被击穿的条件是：EDmax100kV/mm和ELmax0.088mm，取d=0.1mm.为保证电缆的紧密性，我们将聚酰亚胺绝缘层兼作绑扎层.该绝缘层的径向收缩率应大于导体层带材径向收缩率，取rD=0.31%，从室温到液氮温区聚酰亚胺的自由热收缩率tD=0.5%7，绝缘带的螺距的变化率pD=0.05%.外绝缘绑扎带缠绕的螺旋角采用d=80，由式(1)和(2)得：绑扎带由冷收缩产生的拉应变sD=0.2%，该值远小于在液氮中的最大允许应变5.8%.所以我们用50m厚的聚酰亚胺带以80o螺旋角半迭绕作为电缆的外绝缘绑扎带.4 铋系高温超导模型电缆的绕制1000A铋系高温超导模型电缆是按设计参数采用手工绕制的.绕制中要遵循两个原则：电性能较好的带材尽量放在外层；每对电流共轭层的带材的临界电流之和应基本相同.在绕制过程中，我们把导体层带材的螺旋角调控在27左右，并保持每对电流共轭层的带材螺旋线的螺距相等.电缆的导体层的层间绝缘缠以0.1mm厚的聚酯带.电缆的导体层带材与终端接头的焊接采用In-Ag合金焊料.为了完善绕制工艺，我们在绕完头两层导体层后把电缆放在液氮中进行通电试验，以检查绕制质量.实验获得良好的结果：临界电流为，退化率为73%，接头总电阻为0.072.在确信电缆的良好绕制质量能得到保证之后，我们继续完成后4层导体层的绕制.表3是1000A铋系高温超导模型电缆的主要参数.图7是该模型电缆的照片.表3 1kA、1m长铋系高温超导模型电缆的参数传输电流(A)1000额定电压(V)1000骨架材料40mm不锈钢波纹管导体层内径(mm)40.5导体层外径(mm)45.0电缆外径(mm)45.2HTS导体层层数6HTS铋系带材总根数171铋系带材总长度(m)211双螺旋导体层的螺距与螺旋角1和2层251.3mm, 27.1和27.53和4层261.3mm, 27.0和27.45和6层271.3mm, 26.9和27.3图7 1000A铋系高温超导模型电缆的照片5 铋系高温超导模型电缆的实验结果铋系高温超导模型电缆的通电实验是浸泡在液氮中进行的.实验的直流电源由两台500A和一台180A的电源并联而成，最大输出电流为1180A.测试中采用微机数据采集和自动控制系统，电缆的电压信号从最外导体层带材上取得，电压由182型数字电压表测量.图8示出该电缆的E-I实验曲线.曲线1是电缆第一次在液氮中的实验结果，曲线2及曲线3分别为上一次在液氮中实验后回温，并在空气中保持18天和60天后再在液氮中进行热循环实验的结果.由于直流电源最大输出电流的限制，三次实验中电缆通电电流达1180A，此时测得对应的电场值都小于1V/cm，均未达到以1V/cm为判据的电缆的临界电流.用幂定律拟合可以得出：在热循环前电缆的临界电流为1221A，达到电缆带材临界电流总和的61.6%，n值为3.9.电缆的总接头电阻小于0.06.实验结果均超过设计指标.图8 1000A铋系高温超导模型电缆的E-I曲线为了观察电缆传输电流的稳定性能，电缆在1kA的恒定电流下运行了半小时.在此期间，电流非常稳定，电压信号没有出现跳跃和其它异常现象.电缆的两次热循环实验表明，电缆临界电流的退化很小，用幂定律拟合可得，第一次热循环后的临界电流为1220A（曲线2），n值为3.9，第二次为1188A（曲线3）.经两次热循环，电缆的临界电流降低了33A，即下降2.7%，n值没有降低.这些结果比美国所报道的实验结果要好.86结 论(1) 我们成功地