三芯高温超导电缆室温及液氮温度机械性能研究

陆小虹， 宗曦华， 黄逸佳

（上海国际超导科技有限公司，上海200444）

0 引言

随着电线电缆行业的不断发展进步，传统电力电缆在超大传输容量及某些特殊场合的使用越来越受到限制。高温超导电力电缆作为线缆行业新兴的电工产品，具有传输能量大、损耗低、稳定性高等优势，特别是在绿色环保、安全等领域具有极大的发挥空间，是各国争相研发的高新产品。目前，各国都在大力发展高温超导电力技术，作为典型应用的高温超导电力电缆示范工程［1-7］在全球各地陆续开展，很多工程项目更是被列入各国中长期发展计划。继美国、日本、韩国、丹麦等国家开展高温超导电力电缆示范工程之后，以二代带材为代表的中国高温超导电缆示范工程［7］从单芯电缆向三芯、三相同轴电缆结构不断延伸，中国超导电力技术［8-13］的步伐不断加快，与国外的超导电力技术［14-20］的差距不断缩小。

目前，超导技术的发展和应用存在很多的问题，超导电缆技术也面临很多需要解决的难点。超导电力电缆示范工程在后期敷设中，需考虑超导带材的受力情况。若敷设时对电缆的长度余量考虑不足，则电缆从室温降至低温时由于收缩绷紧，会使接头及终端等电缆部件受到较大的拉力，系统可能会出现薄弱点，导致被破坏。因此对超导电缆降温时的收缩量以及在室温和液氮温度下的拉伸性能的研究非常必要。

此前，对铜衬芯以及单芯超导电缆短段试样分别进行拉伸试验，发现单芯超导电缆在室温和低温下的杨氏模量以及室温降至低温的收缩率均大于铜衬芯。基于以上试验基础，本文对三芯高温超导电缆在室温及运行温度（通常为液氮温度77 K）下的拉伸性能及收缩率进行研究，其研究结果将作为超导电缆工程的电缆设计和后期敷设的重要参考。

1 超导电缆机械性能试验设计及测试

1.1 拉伸性能试验

针对结构中以铜衬芯为支撑物的超导电缆进行拉伸性能试验，对应的拉伸性能试验装置示意图如图1所示。

图1 拉伸性能试验装置

首先将准备好的短段超导电缆试样放置于电缆拉伸装置上，试样一端固定于装置一侧，另一端连接不锈钢绳后与手动葫芦相连。手动葫芦悬挂于5 T电子拉力测量仪下，拉力测量仪固定于拉伸装置另一侧的顶端。

接着，以电缆拉伸装置顶端为基准，自上而下垂直悬挂两条辅助测量线（悬垂线），利用悬锤保证两条辅助测量线为自然的垂直状态。随后，将线的下端捆绑于试样电缆上，并将两个计量仪固定在靠近两条辅助测量线的位置，由于测量示数较小，误差较大，所以需要通过放大装置进行放大处理。

试验利用手动葫芦提供或释放拉力，拉力值通过拉力测量仪读取。通过测量在室温及液氮温度下，不同负载时试样的拉伸量，可计算得到两种温度下的拉伸模量。

类似于铜衬芯和单芯超导电缆短段试样的杨氏模量，三芯超导电缆试样主要由3根铜衬芯整体受力，其拉伸模量可按式（1）计算：

式中：E为拉伸模量（3根铜衬芯在单位面积单位长度上发生形变需要的拉力）；σ为应力；ε为应变。

1.2 超导电缆从室温降至液氮温度时的收缩性能试验

测量三芯超导电缆从室温降至液氮温度时的收缩率的方法如下：

收缩率试验装置同图1。在室温时，先对试验样品施加2 000 kg的负载，并记录样品两端测量点上的悬垂线在尺子上的位置。随后向环氧槽中添加液氮，并使样品完全浸泡在液氮中。待试验样品完全冷却后，保持负载不变，并记录此时两端悬垂线在尺子上的位置。分别将两端降温前后的位置结果相减，得到降温前后样品两端测量点的位置变化。再由下式得到试验样品总的收缩量：

式中：Δ为样品的总的收缩量；δ1和δ2分别为样品左右两侧测量点降温前后的位置变化量。

试验样品的收缩率为：

式中：ρ为收缩率；L为样品的原始长度。

2 测试数据分析

利用上述试验装置对长度约为10 m的三芯超导电缆试样进行室温及液氮温度（77 K）下的拉伸性能试验，并对从室温降至液氮温度时的收缩率进行了测试。

2.1 三芯超导电缆在室温及液氮温度下的拉伸性能试验

在室温及液氮温度（77 K）下，对三芯超导电缆试样进行多次拉伸性能试验，得到了多组应力-应变的试验数据，并将该部分数据绘制成应力-应变曲线图，见图2。

图2 三芯超导电缆试样室温及77 K下的应力-应变曲线

由图2可知，三芯超导电缆试样在室温和77 K下的应力-应变曲线相似，在负载增加的过程中，曲线总体呈现线性增长趋势；负载卸除时，试样的应变量呈现起初变化缓慢，当负载低于某个值时随负载减少而减少的非线性变化趋势。

室温下，三芯超导电缆试样首次加载过程的应力-应变曲线的斜率较第二和第三次试验偏小。分析可知：室温下的首次试验，在拉伸的过程中，三芯超导电缆会先变得紧密，随后再发生拉伸，因而首次应力-应变曲线和后两次不同，后两次曲线基本重合，说明电缆试样在第一次试验后被张紧。

对于加载过程，从图2中看出，试样在低温和室温下的应力-应变曲线基本接近线性，且试样在低温下的加载曲线较室温具有更大的斜率。因此由式（1）可得三芯超导电缆在室温（293 K）及低温（77 K）下的拉伸模量，结果见表1。

表1 三芯超导电缆在室温及77 K下的拉伸模量

由表1和图2可知，三芯超导电缆在室温及液氮温度（77 K）下后两次的拉伸模量的平均值分别为63.42 GPa和85.92 GPa，拉伸模量大小和加载过程的应力-应变曲线的斜率大小相对应，77 K下的拉伸模量大于室温下的拉伸模量。

2.2 不同试样拉伸性能试验

为了进一步研究三芯超导电缆的机械性能，分别对铜绞合线芯、单芯超导电缆和三芯超导电缆等3个不同试样进行试验（其中三芯超导电缆每芯铜衬芯与单芯超导电缆的铜衬芯相同），3个试样在室温及液氮温度下的应力-应变曲线分别见图3和图4。

由图3和图4可知，3个试样的应力-应变曲线相似。加载曲线呈现应力和应变的线性变化，卸载曲线则呈现非线性的变化。基于铜衬芯以及单芯超导电缆短段试样拉伸试验结果，三芯超导电缆在两种温度下的加载曲线和卸载曲线并不重合，其原因可能是因为试样的主要受力部分铜衬芯为经过绞制的型线，而不是理想的棒材结构。

此外，由3个试样的加载曲线可知，相同应力下三芯超导电缆的应变大于铜绞合线芯和单芯超导电缆的应变。结果表明，在室温下和液氮温度下，三芯超导电缆的拉伸模量均小于铜绞合线芯和单芯超导电缆的拉伸模量。

图3 室温下铜绞合线芯、单芯、三芯超导电缆试样应力-应变曲线

图4 77 K下铜绞合线芯、单芯、三芯超导电缆试样应力-应变曲线

此外，本工作还对三芯超导电缆由室温降至77 K时的收缩率进行了研究。由式（2）和式（3），可计算得到铜衬芯及单芯、三芯超导电缆样品在维持负载为2 000 kg的情况下，由室温降至液氮温度时的收缩率，见表2。

表2 不同试样由室温降温至77 K时的收缩率

由表2可知，三芯超导电缆由室温（293 K）降至液氮温度（77 K）时的收缩率小于铜衬芯和单芯超导电缆。对于单芯超导电缆，收缩过程主要由纸的收缩带动铜的收缩，而三芯超导电缆，降温收缩后起到松绞效果，通过变紧伸长抵消收缩，所以三芯超导电缆的收缩率更小。

3 结 论

本文开展了三芯高温超导电缆试样在室温及液氮温度下的机械性能试验研究。

（1）搭建试验装置，获得了三芯高温超导电缆在室温和液氮温度下的应力-应变曲线以及从室温降至液氮温度时的收缩率。

（2）在室温下进行拉伸试验时，三芯超导电缆首次加载过程的应力-应变曲线斜率较第二和第三次试验偏小，后两次曲线基本重合；液氮温度下的两次拉伸试验应力-应变曲线基本重合。两种温度下的应力-应变曲线变化趋势相同，且液氮温度下三芯超导电缆的拉伸模量比室温下的更大，说明液氮温度下加载时，三芯高温超导电缆更不容易发生形变。

（3）对比铜绞合线芯、单芯超导电缆和三芯超导电缆，3种试样在室温和液氮温度下的应力-应变曲线的变化趋势相同。三芯超导电缆的拉伸模量最小，从室温降至液氮温度时的收缩率也最小。造成该结果的原因与三芯超导电缆的成缆工艺及结构有关。不同的成缆工艺，三芯超导电缆拉伸试验结果也会有所不同。