1kA级铋系高温超导模型电缆的研制

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（1μV/cm判据），接头总电阻小于0.06μΩ,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.DEVELOPMENTOFA100NMCLASSBISMUTH-BASEDHTSMODELCABLELinYu-baoLinLiang-zhenLiShao-pingZhangFeng-yuanChenShao-feiWangYin-shunXuLiSongNai-haoWenHua-mingLiJianInstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080ZhouLianZhangPing-xiangFengYongLiCheng-shanZhengHui-lingWuXiao-zuNorthwestInstituteforNonferrousMetalResearch,Xi′an710016ZhouYi-ruLinWeiFuXue-kuiHuaPei-wenDengHuaHuaZhi-qiangHuaChong-yuanYuanGuan-senGeneralResearchInstituteforNonferrousMetals,Beijing100088(Received9November,1998)A1000AclassBismuth-basedHTSmodelcablehasbeendeveloped.Thecableconsistsofaflexibleframe,theconductorlayer,theinter-layerinsulationandanouterinsulation-bindinglayer.Theconductorlayeriswoundfrom171Bi-2223/Agmultifilamentarytapeswhicharedividedintosixlayers.Thecablehasa45.2mmouterdiameterand1mlength.Thetestsat77Kshowthatthecriticalcurrentofthecableismorethan1180A(at1μV/cmcriterion)andthetotaljointresistanceislessthan,andbothgetthebetterofthedesignspecifications.Thecriticalcurrentofthecablewasonlydegraded2.7%after2thermalcycles.TheHTScablewasrunningin30minuteswith1000Asteadilyandreliably.ThemainpropertiesoftheBi-2223/Agtapesandthedesign,fabricationandtestresultsoftheHTScablearepresentedinthispaper.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1μV/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0.1μV/cm到1.0μV/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377K下铋系带材的拉应变特性图477K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577K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1Bi-2223/Ag多芯带材的主要参数和性能带材尺寸：宽w×厚t(mm)～(4.0±0.2)×(0.25±0.05)银超比4∶1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εct(%)0.1677K下临界弯曲应变εcb(%)0.39从室温到77K自由热收缩率（%）0.25[2]31000A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61000A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α缠绕成的螺线管的径向收缩率εr可表示为[3,4](1)式中，εl为铋系带材的长度变化率，εp为螺距的变化率.若铋系带材的自由热收缩率为εt，在冷却过程中产生的拉应变为εs，则εl=εt-εs(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α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εr=0.3%,εp=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εsεct和εbεcb，由表1，取εs≤0.15%和εb≤0.3%，由式（3）和（6）可得：26.6°≤α≤44.2°.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α≈27°，由(8)式可得最内层导体放置的带材根数为N1≈27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α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α1,α2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50μm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α值(α≈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