低温绝缘超导电缆用不锈钢波纹管损耗测试

张喜泽， 韩云武（上海电缆研究所，上海200093）

低温绝缘超导电缆用不锈钢波纹管损耗测试

张喜泽， 韩云武
（上海电缆研究所，上海200093）

304不锈钢系奥氏体为主的无磁性或低磁性不锈钢，但加工变形后亚稳态奥氏体会发生相变产生马氏体组织，形成较强的磁性。通过对304不锈钢波纹管的磁滞损耗进行测试，对测试样品进行金相观察，研究了304不锈钢相变的情况。同时对样品材料进行磁滞回线测试，研究了波纹管的磁滞损耗情况。

不锈钢；磁性；磁滞损耗；超导电缆

0　引 言

与传统电缆相比，超导电缆具有体积小、容量大、损耗低、载流能力强、故障状态下可兼具限流器作用、无电磁污染、电缆间相互电磁影响和热场影响可忽略等优点，因此可以用于地下电缆工程改造、市内用电密集区输供电等。超导电缆的基本组成部分包括：内支撑管，导体（超导带材绕制而成），电绝缘层，屏蔽层，热绝缘层和外护套等。热绝缘层现主要采用双层波纹管，波纹管之间处于真空态。考虑到机械强度和真空放气率等因素，该波纹管一般采用不锈钢制作（常见为304不锈钢和316不锈钢）。超导电缆一般运行在液氮环境下，需要通过制冷机将系统的损耗及漏热带走。对于大型制冷机，估计液氮制冷机消耗的功率为所需移去的高温超导电缆损耗的14.5倍［1］，因此很有必要对超导电缆系统内各个部分的损耗进行研究，本文将对不锈钢波纹管在内部通过交流电流的情况下的损耗进行测试研究。

1　损耗原因

和常规电缆相同，超导电缆热绝缘层所用的不锈钢波纹管的损耗包括环流损耗和涡流损耗，同时不锈钢波纹管在加工过程中，原来为无磁性或低磁性的304亚稳态奥氏体不锈钢在变形过程中发生应变诱发相变，产生马氏体组织［2］，使不锈钢波纹管产生磁性，所以超导电缆用的不锈钢波纹管的损耗还包括波纹管处在交变磁场下的磁滞损耗。测试样品在金相显微镜下的观察结果如图1所示，从图1可清晰看见板条状的奥氏体结构。

图1　波纹管不锈钢金相图像

为进一步验证材料的磁化率情况，对波纹管样品的磁滞回线进行测试。研究测试了频率为25 kHz、磁场强度为2503 A/m下交变磁场下的磁滞回线。测试结果如图2所示，结果显示在该频率交变磁场下的损耗为73W/m。

2　测试方案

项目采用电测法对波纹管的磁滞损耗进行测量。电测法的原理是通过实时记录电流和电压，拟合成谐波，再根据式（1）进行计算：

图2　波纹管不锈钢磁滞回线

式中：P为测试的损耗值（W）；U为采集的电压信号的有效值（V）；I为采集电流信号的有效值（A）；θ为电压信号与电流信号的相角差。

或者对实时的电压电流值的乘积进行积分求平均，见式（2）：

图3　测试接线图

式中：T为测试信号的周期（s）；n为自然数。

以上两种处理方式在原理上是一样的，前者要求谐波较为稳定，波形不能有失真；后者对波形无要求。

因此，项目组设计了测试接线图如图3所示，测试现场如图4所示。

实验过程如下：

（1）将一根波纹管套于一根均匀的铜导体上，导体与波纹管之间保持绝缘；

（2）在电缆上设3个电压引出端A、B和C。其中A端和B端位于波纹管两端，AB端距离与BC端距离相等；

（3）在电流回路上套一根罗氏线圈以测量电流；

图4　测试现场图片

（4）实验通过计算机高速数据采集，测得电流及AB、BC两端的电压，进而通过计算AB和BC两端的损耗差，求得波纹管引入的损耗。

3　结果分析

利用以上测试方案，逐步增加电流，测得样品损耗结果如图5所示。

图5　测试结果

从图5可以看出，磁滞损耗与导体电流的平方接近线性关系。

波纹管圆周方向的磁场强度与导体电流关系可由式（3）进行计算：

式中：H为波纹管圆周方向的磁场强度（A/m）；I为导体电流（A）；D为波纹管的等效直径（m），此处用波纹管的平均直径代替。

由于样品波纹管的内外径分别为0.08 m和0.1 m，所以取两者平均值0.09 m作为D的等效值。根据式（3）可计算2503 A/m的磁场强度（磁滞回线测试用交变磁场下磁场强度幅值）对应的导体电流为707.3 A，其对应的电流有效值为500.2 A。由于磁滞损耗与交变磁场的频率成正比，即：

式中：f为交变磁场频率（Hz）；B为磁感应强度（A/m）；H为磁场强度（T）。

由此可推出，工频下大小为500.2 A的导体电流所引起的波纹管磁滞损耗为0.146 W。

结合图5中的拟合公式：

式中：y为损耗（W）；x为电流（A）。

将大小为500.2 A的电流代入式（5）可得到损耗为0.139 W。两者偏差约为5%，说明设计的试验所测结果与磁滞回线测试所推导的结果基本一致。

4　结 论

低磁性的304不锈钢在机械加工后会产生较强磁性，在其内部通过交流电流情况下将产生较大的磁滞损耗，对超导电缆的低损耗特性造成不利的影响。因此，在超导电缆设计时需要充分考虑此影响，通过制冷机将系统的损耗及漏热带走。

［1］ 应启良，黄崇祺，魏 东.高温超导电缆在城市地下输电系统应用的可行性研究［J］.低温物理学报，2003，25（增刊）：369-377.

［2］ 徐瑞芬，许淖淳.1Cr18NgTi不锈钢的马氏体相变量与孔蚀敏感性的相关性研究［J］.腐蚀科学与防护技术，1998，10（4）：197-201.

Research of the Loss of the Corrugated Stainless Steel PiPe in HTSCable

ZHANG Xi-ze，HAN Yun-wu
（Shanghai E1ectric Cab1e Research Institute，Shanghai200093，China）

304 stain1ess stee1is usua11y non-magnetic or 1ow magnetic austenitic stain1ess stee1，whichmay convert to martensite and becamemagnetic whenmechanica1deformed.the Hysteresis 1ossof The stain1ess stee1corrugated PiPe was tested，themeta11ograPhic and hysteresis 1ooP of the stee1was 1earned.

stain1ess stee1；magnetic；hysteresis 1oss；suPerconducting cab1e

TM249.7

A

1672-6901（2016）03-0042-03

2015-09-21

张喜泽（1980-），男，工程师.

作者地址：上海市军工路1000号［200093］.