低温疲劳载荷下CFETR极向场线圈绝缘系统性能研究

张之荣，吴 涛，谷 曼，徐明圆，刘敏莹，鲁翠萍，邹春龙，朱玲俐，姚英武

(1.合肥学院 先进制造工程学院，安徽 合肥 230601；2.中国科学院 等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031；3.芜湖舜富精密压铸科技有限公司 产品技术开发部，安徽 芜湖 242400)

中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR)是我国目前大力支持的新一代托卡马克聚变装置[1-3]。其主体结构是基于国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)装置，同时吸收消化了我国大科学装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)多年的工程设计制造及运行经验[4-5]。其主要研究目的是为了弥补ITER和DEMO(Demonstration)装置之间的技术差距，有针对性地开展一些关键技术问题研究，为我国未来商用聚变堆建设奠定工程基础[6-7]。

CFETR聚变装置主机结构较为复杂，主要包括磁体系统、内部部件、真空室、偏滤器、内外冷屏、外真空杜瓦、相应的馈线系统等[8-9]。其中，超导磁体系统是其中重要组成部分之一，该系统主要由极向场(Poloidal Field，PF)超导磁体系统、环向场(Toroidal Field，TF)超导磁体系统和中心螺管(Central Solenoid，CS)超导磁体系统组成，具体结构如图1所示[10-12]。极向场超导磁体系统主要是由两个偏滤器线圈(Divertor Coil，DC)和PF1～PF6多个线圈组成，其主要作用是控制内真空室等离子体的形状和位移[13-14]。对于每一个极向场超导磁体的主要研制过程，首先是将CICC(Cable-in-Conduit Conductors)导体通过双线并绕的方式绕制成双饼线圈(Double Pancake，DP)，且在绕制过程中通过自动包绕机完成单根导体的绝缘处理，并利用玻璃丝毡(1.2 mm)对匝间和层间绝缘进行适配修复填充。接着，待导体全部绕制完成后，对双饼线圈进行真空压力浸渍(Vacuum Pressure Impregnation，VPI)绝缘固化处理，并使其通过相应的电学性能测试。依此步骤完成所有DP线圈的制造。然后，将所有DP线圈按顺序依次堆叠装配，并完成其对地绝缘包绕和VPI固化工作，进而形成极向场超导磁体(Winding Pack，WP)。最后，完成配套夹具和保护板安装工作，CFETR极向场超导磁体主要制备工艺流程如图2所示。

在物理实验正式运行过程中，PF超导磁体在大电流、超低温和强磁场的作用下，将承受超强且复杂的循环电磁载荷。为了确保PF磁体能够安全稳定的工作，按照CFETR磁体结构设计和测试要求，所设计制造的PF线圈除了具有必备的电学性能之外，还需要满足较高的机械疲劳性能要求。因此，有必要对其低温机械疲劳性能进行测试研究。

图1 CFETR装置主机结构示意图

图2 CFETR极向场超导磁体主要制备工艺流程

1 样件结构介绍

CFETR极向场线圈目前还处于工程设计和关键部件预研阶段，考虑到该线圈实际结构尺寸大且制造成本非常高。为了获得CFETR极向场线圈绝缘低温疲劳性能，所设计的测试试样需模拟实际工况下线圈关键绝缘包绕的工艺步骤，即线圈导体的选择、匝间、层间和对地绝缘的包饶以及整个试样VPI绝缘固化与实际制造工艺尽可能一致。本研究借鉴了相关聚变装置(EAST或ITER)极向场线圈工程测试经验，试样导体选用具有同等特性的ITER PF5，其结构参数和绞缆方式分别如表1和图3所示。通过模拟线圈实际制造工艺，设计并制造了一个等效线圈绝缘结构试样，并将该结构称之为“3×3试样”，其具体截面结构如图4所示。匝间绝缘与对地绝缘结构示意图如图5所示。由图5可知，匝间绝缘是由玻璃丝带-聚酰亚胺复合带(GK)通过半叠包(50%重叠)的方式包绕5层，其成型厚度为2.7 mm(见图5a)；而对地绝缘则是采用玻璃丝带-聚酰亚胺-玻璃丝带复合带(GKG)通过半叠包的方式包绕9层，半叠包的最后成型厚度为8 mm(见图5b)；层间绝缘是由一层厚度为0.7 mm的玻璃丝布半叠包而成。试样匝间和对地绝缘所用玻璃丝带和聚酰亚胺薄膜规格型号如表2所示。试样对地和匝间绝缘复合带小样如图6所示。试样在VIP绝缘固化后试样截面外形尺寸为192 mm×195 mm，长度为260 mm。

表1 ITER PF5超导缆结构参数

参数值铜线直径/mm2.85超导缆截面积/mm2370.5超导缆空隙率/%34.1超导缆直径/mm35.3导体外形尺寸/mm×mm51.9×51.9

图3 ITER PF5导体绞缆结构 图4 “3×3试样”截面结构示意图

图5 匝间绝缘与对地绝缘结构示意图

表2 试样匝间和对地绝缘所用玻璃丝带和聚酰亚胺薄膜规格型号

2 实验

2.1 低温疲劳实验方法

为了获得绝缘试样的低温疲劳性能，根据CFETR具体测试要求：在其低温疲劳测试期间，试样表面所承受的最大压应力为20 MPa，最小压应力为2 MPa(最大压应力的10%)，目标疲劳循环次数为30 000次，加载频率为4 Hz。结合试样的外形结构尺寸及受压作用面积，在分析计算后得出，低温疲劳拉伸机所施加压力载荷的变化范围是-73～-730 kN。另外，考虑到“3×3”短样表面在绝缘固化后，上、下表面均会存在一定不平行度，为了使试样在疲劳测试过程中上、下表面受力均衡，除了在试样表面通过半叠包的方式将降落伞带(超导磁体制造中常用的一种辅助材料，具有抗拉、抗压和耐磨等特性)包绕至5 mm厚，还选用定制的不锈钢过渡压板。图7显示了试样加载辅助不锈钢板结构。在低温疲劳测试过程中，所施加的压力载荷通过定制不锈钢板和降落伞带过渡层传递至“3×3试样”。

图6 试样对地和匝间绝缘复合带小样

另外，为了确保试样绝缘在降温过程中电学性能的完整性，避免因温差过大而导致绝缘损坏，要求测试过程中试样各点温差最大不超过50 K[15]。为此，结合测试过程中试样温控的特点，在试样上、下两侧不锈钢压板上分别布置温度计T1和T2，具体位置如图8所示。本测试主要降温过程可分为两个阶段：加载前降温过程和加载后测试过程。由于在加载测试过程中试样采用液氮浸泡的方式冷却，所以只需确保试样一直浸泡在液氮中。具体是通过实时记录布置于试样上方的温度计温度，并确保其显示值为77 K；而在加载前的降温过程，主要通过采集布置于试样上、下两个温度计数值并实时计算其温差，当温差高于50 K则自动触发警报，并降低注入液氮的流量，待其温差低于50 K后继续进行降温工作。另外，为了更好地完成加载前试样降温工作，避免在室温状态下因液氮直接通入容器而出现温度骤降的现象，实验前期通入冷氮气方式进行预降温，待两温度计差值基本稳定不变后再通入液氮。

图7 试样加载辅助不锈钢板结构示意图 图8 试样温度计分布位置图

在试样绝缘经历低温疲劳性能测试后，为了验证其绝缘电学性能仍具备完整性，一般对疲劳测试后的试样进行相关电学性能测试，具体指试样匝间绝缘直流电阻测试。其中，试样导体电极排序分布如图9所示。直流耐压测试电压水平不低于5.7 kV，直流电阻不低于500 MΩ[15]。按照匝间绝缘直流测试要求，共测试5次，具体高压电极和接地极分布情况如表3所示。匝间绝缘直流电阻测试电压曲线如图10所示。其中，测试电压从10 kV/min左右速率开始直到升至最高值，而后再保压1 min后降压。

2.2 实验平台

本测试所使用的低温疲劳拉伸系统主体结构如图11所示。该系统主要包括主机加载模块、设备冷却模块、测试控制模块、液压总控模块和低温控制模块等。其中，测试主机所允许的最大施加拉/压为为2 000 kN，且最高加载频率不高于4 Hz。在尺寸允许的范围内，测试样件可垂直或水平放置于容器内，利用上、下夹具完成其安装固定和载荷的施加。另外，该低温疲劳拉伸系统所配备的液压总控模块由3组独立液压泵组构成，并配备了全自动风冷系统，保障了系统持续安全稳定运行。

表3 匝间绝缘直流电阻测试电极位置汇总表

序号高压极接地极4C1B1、B2、C25C3B2、B3、C2

图9 绝缘试样PF5导体电极排序分布图 图10 匝间绝缘直流电阻测试电压曲线图

图11 低温疲劳测试装置结构示意图

2.3 实验步骤

(1)使用降落伞带通过半叠包方式对试样表面进行包绕，直至单边壁厚增加0.5 cm左右；

(2)依次安装下不锈钢压板、测试样件和上不锈钢压板，试样安装现场如图12所示；

(3)在指定的位置粘贴上、下温度计，并检查温度计与温度监视器连接是否有效；

(4)关闭测试容器门，通过预留在测试容器内壁的不锈钢管往测试容器底部通入冷氮气，完成“3×3”短样及整个测试装置的预冷工作，避免出现骤冷现象；

(5)待上、下温度计差值基本稳定后，关闭冷氮气通道，向测试容器底部通入液氮，直至上温度计显示77 K，试样处于完全被液氮浸泡状态即可；

(6)浸泡20 min，确保试样完全冷却；

(7)实验开始：设置疲劳主机最大和最小压力载荷分别为-730 kN和-73 kN；

(8)疲劳主机以1 000 N/s速度对试样缓慢施加压应力载荷，直至压力值达到-730 kN停止加载；

(9)疲劳主机以2 000 N/s速度开始卸载，当主机压力载荷卸载到-73 kN时停止卸载；

(10)按照步骤(8)、(9)完成加载和卸载往复3次；

(11)设置低温疲劳加载频率为4 Hz，并正式开始低温疲劳测试，测试过程中采集两温度计实时温度，正式疲劳测试现场如图13所示；

(12)当疲劳加载次数达到目标循环30 000次时，停止加载，停止记录相关数据，关闭相应设备，排放测试容器中的液氮，待样件48 min回温后取出试样；

(13)完成试样匝间绝缘电学性能完整性测试；

(14)完成测试数据整理和分析讨论。

图12 试样安装现场图 图13 正式疲劳测试现场图

3 结果和分析

疲劳测试过程中试样上、下两测点温度曲线如图14所示。从图14中可以看出，整个降温过程主要由两部分组成：前期降温阶段(300～77 K)和正式测试阶段(浸泡式77 K)。前期降温耗时共计12 000 s左右，平均降温速率约67 K/h，且任一时刻试样上、下测点温差△T(T1～T2)均不超过50 K，完全满足测试要求。另外，从前期降温曲线中可以看出，试样整体曲线并非一直处于光滑过渡状态。其中存在几处较大波动点，其主要原因是测试现场没有超大型的液氮罐，无法持续提供液氮冷源。为此，本次选用了多个自增压液氮罐，每罐液氮容量为250～300 L。由图14可见，曲线波动点均出现于液氮罐更换期间，且波动点上、下两点温差也没有超过50 K，满足降温测试要求，由此可认为次波动温差对试样绝缘的电学性能完整性无影响。

77 K低温下试样疲劳测试部分加载曲线如图15所示。其中，施加最大压力载荷为-730 kN，最小压力载荷为-73 kN，加载频率为4 Hz。所加载的正弦曲线较为光滑，说明在测试过程中该低温疲劳拉伸机能够提供稳定的循环载荷曲线。最后，顺利获得了绝缘试样30 000次低温疲劳性能。

图14 实验过程中试样上、下降温和温差曲线图 图15 绝缘试样77 K下疲劳测试部分加载曲线

该结果说明所设计的绝缘试样结构能够满足CFETR设计要求，具体包括绝缘材料和导体的选择、绝缘的包绕工艺方案以及绝缘真空压力浸渍方法等。尤其是在试样外形结构尺寸严格受限的情况下，所设计的绝缘结构(匝间绝缘：GK复合带半叠包绕5层；对地绝缘：GKG复合带半叠包绕9层)在满足电学性能要求的同时仍具有足够的低温疲劳性能。这也进一步验证了试样结构方案的可行性。

在77 K低温疲劳性能测试后，为了验证试样绝缘电学性能仍具备完整性，完成其匝间绝缘直流测试。汇总了试样匝间绝缘电学性能测试结果如图16所示。结果表明，试样各匝间绝缘直流电流均在0.001～0.005 mA之间，其中，当导体B2接高压电极，导体A2、B1、B3、C2接地时，其产生的最大直流电流接近0.005 mA。其他匝间绝缘最大直流电流均小于0.002 mA，其主要原因可能是绝缘试样中心导体B2处在环氧树脂固化过程存在局部固化不充分的现象。通过测试结果可知，所有匝间绝缘直流电阻均远大于设计要求的500 MΩ，均完全满足电学性能测试要求，即绝缘试样在经历了低温疲劳后依然具有良好的电学性能。该结果将对CFETR PF线圈结构设计制造和安全运行具有重要的参考价值。

图16 低温疲劳测试后试样匝间绝缘直流测试

4 结论

本文针对CFETR极向场线圈绝缘结构进行了低温疲劳性能实验研究，分析了极向场磁体绝缘结构、设计了低温疲劳测试夹具和绝缘试样低温疲劳性能测试方案，进行了低温疲劳性能测试和试样匝间绝缘电学性能直流电阻测试。结果表明：绝缘试样能够承受77 K温度下30 000次疲劳载荷(-73～-730 kN，4 Hz)；所有匝间绝缘直流电阻均大于500 MΩ，完全满足磁体绝缘设计要求。研究结果将对未来CFETR极向场线圈的安全运行具有重要参考价值。