陸小虹， 宗曦華， 黃逸佳

（上海國(guó)際超導(dǎo)科技有限公司，上海200444）

0 引言

隨著電線電纜行業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)電力電纜在超大傳輸容量及某些特殊場(chǎng)合的使用越來(lái)越受到限制。高溫超導(dǎo)電力電纜作為線纜行業(yè)新興的電工產(chǎn)品，具有傳輸能量大、損耗低、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，特別是在綠色環(huán)保、安全等領(lǐng)域具有極大的發(fā)揮空間，是各國(guó)爭(zhēng)相研發(fā)的高新產(chǎn)品。目前，各國(guó)都在大力發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)，作為典型應(yīng)用的高溫超導(dǎo)電力電纜示范工程［1-7］在全球各地陸續(xù)開展，很多工程項(xiàng)目更是被列入各國(guó)中長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃。繼美國(guó)、日本、韓國(guó)、丹麥等國(guó)家開展高溫超導(dǎo)電力電纜示范工程之后，以二代帶材為代表的中國(guó)高溫超導(dǎo)電纜示范工程［7］從單芯電纜向三芯、三相同軸電纜結(jié)構(gòu)不斷延伸，中國(guó)超導(dǎo)電力技術(shù)［8-13］的步伐不斷加快，與國(guó)外的超導(dǎo)電力技術(shù)［14-20］的差距不斷縮小。

目前，超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用存在很多的問(wèn)題，超導(dǎo)電纜技術(shù)也面臨很多需要解決的難點(diǎn)。超導(dǎo)電力電纜示范工程在后期敷設(shè)中，需考慮超導(dǎo)帶材的受力情況。若敷設(shè)時(shí)對(duì)電纜的長(zhǎng)度余量考慮不足，則電纜從室溫降至低溫時(shí)由于收縮繃緊，會(huì)使接頭及終端等電纜部件受到較大的拉力，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致被破壞。因此對(duì)超導(dǎo)電纜降溫時(shí)的收縮量以及在室溫和液氮溫度下的拉伸性能的研究非常必要。

此前，對(duì)銅襯芯以及單芯超導(dǎo)電纜短段試樣分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單芯超導(dǎo)電纜在室溫和低溫下的楊氏模量以及室溫降至低溫的收縮率均大于銅襯芯?；谝陨显囼?yàn)基礎(chǔ)，本文對(duì)三芯高溫超導(dǎo)電纜在室溫及運(yùn)行溫度（通常為液氮溫度77 K）下的拉伸性能及收縮率進(jìn)行研究，其研究結(jié)果將作為超導(dǎo)電纜工程的電纜設(shè)計(jì)和后期敷設(shè)的重要參考。

1 超導(dǎo)電纜機(jī)械性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試

1.1 拉伸性能試驗(yàn)

針對(duì)結(jié)構(gòu)中以銅襯芯為支撐物的超導(dǎo)電纜進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的拉伸性能試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 拉伸性能試驗(yàn)裝置

首先將準(zhǔn)備好的短段超導(dǎo)電纜試樣放置于電纜拉伸裝置上，試樣一端固定于裝置一側(cè)，另一端連接不銹鋼繩后與手動(dòng)葫蘆相連。手動(dòng)葫蘆懸掛于5 T電子拉力測(cè)量?jī)x下，拉力測(cè)量?jī)x固定于拉伸裝置另一側(cè)的頂端。

接著，以電纜拉伸裝置頂端為基準(zhǔn)，自上而下垂直懸掛兩條輔助測(cè)量線（懸垂線），利用懸錘保證兩條輔助測(cè)量線為自然的垂直狀態(tài)。隨后，將線的下端捆綁于試樣電纜上，并將兩個(gè)計(jì)量?jī)x固定在靠近兩條輔助測(cè)量線的位置，由于測(cè)量示數(shù)較小，誤差較大，所以需要通過(guò)放大裝置進(jìn)行放大處理。

試驗(yàn)利用手動(dòng)葫蘆提供或釋放拉力，拉力值通過(guò)拉力測(cè)量?jī)x讀取。通過(guò)測(cè)量在室溫及液氮溫度下，不同負(fù)載時(shí)試樣的拉伸量，可計(jì)算得到兩種溫度下的拉伸模量。

類似于銅襯芯和單芯超導(dǎo)電纜短段試樣的楊氏模量，三芯超導(dǎo)電纜試樣主要由3根銅襯芯整體受力，其拉伸模量可按式（1）計(jì)算：

式中：E為拉伸模量（3根銅襯芯在單位面積單位長(zhǎng)度上發(fā)生形變需要的拉力）；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變。

1.2 超導(dǎo)電纜從室溫降至液氮溫度時(shí)的收縮性能試驗(yàn)

測(cè)量三芯超導(dǎo)電纜從室溫降至液氮溫度時(shí)的收縮率的方法如下：

收縮率試驗(yàn)裝置同圖1。在室溫時(shí)，先對(duì)試驗(yàn)樣品施加2 000 kg的負(fù)載，并記錄樣品兩端測(cè)量點(diǎn)上的懸垂線在尺子上的位置。隨后向環(huán)氧槽中添加液氮，并使樣品完全浸泡在液氮中。待試驗(yàn)樣品完全冷卻后，保持負(fù)載不變，并記錄此時(shí)兩端懸垂線在尺子上的位置。分別將兩端降溫前后的位置結(jié)果相減，得到降溫前后樣品兩端測(cè)量點(diǎn)的位置變化。再由下式得到試驗(yàn)樣品總的收縮量：

式中：Δ為樣品的總的收縮量；δ1和δ2分別為樣品左右兩側(cè)測(cè)量點(diǎn)降溫前后的位置變化量。

試驗(yàn)樣品的收縮率為：

式中：ρ為收縮率；L為樣品的原始長(zhǎng)度。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

利用上述試驗(yàn)裝置對(duì)長(zhǎng)度約為10 m的三芯超導(dǎo)電纜試樣進(jìn)行室溫及液氮溫度（77 K）下的拉伸性能試驗(yàn)，并對(duì)從室溫降至液氮溫度時(shí)的收縮率進(jìn)行了測(cè)試。

2.1 三芯超導(dǎo)電纜在室溫及液氮溫度下的拉伸性能試驗(yàn)

在室溫及液氮溫度（77 K）下，對(duì)三芯超導(dǎo)電纜試樣進(jìn)行多次拉伸性能試驗(yàn)，得到了多組應(yīng)力-應(yīng)變的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將該部分?jǐn)?shù)據(jù)繪制成應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，見圖2。

圖2 三芯超導(dǎo)電纜試樣室溫及77 K下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可知，三芯超導(dǎo)電纜試樣在室溫和77 K下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，在負(fù)載增加的過(guò)程中，曲線總體呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；負(fù)載卸除時(shí)，試樣的應(yīng)變量呈現(xiàn)起初變化緩慢，當(dāng)負(fù)載低于某個(gè)值時(shí)隨負(fù)載減少而減少的非線性變化趨勢(shì)。

室溫下，三芯超導(dǎo)電纜試樣首次加載過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率較第二和第三次試驗(yàn)偏小。分析可知：室溫下的首次試驗(yàn)，在拉伸的過(guò)程中，三芯超導(dǎo)電纜會(huì)先變得緊密，隨后再發(fā)生拉伸，因而首次應(yīng)力-應(yīng)變曲線和后兩次不同，后兩次曲線基本重合，說(shuō)明電纜試樣在第一次試驗(yàn)后被張緊。

對(duì)于加載過(guò)程，從圖2中看出，試樣在低溫和室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本接近線性，且試樣在低溫下的加載曲線較室溫具有更大的斜率。因此由式（1）可得三芯超導(dǎo)電纜在室溫（293 K）及低溫（77 K）下的拉伸模量，結(jié)果見表1。

表1 三芯超導(dǎo)電纜在室溫及77 K下的拉伸模量

由表1和圖2可知，三芯超導(dǎo)電纜在室溫及液氮溫度（77 K）下后兩次的拉伸模量的平均值分別為63.42 GPa和85.92 GPa，拉伸模量大小和加載過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率大小相對(duì)應(yīng)，77 K下的拉伸模量大于室溫下的拉伸模量。

2.2 不同試樣拉伸性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究三芯超導(dǎo)電纜的機(jī)械性能，分別對(duì)銅絞合線芯、單芯超導(dǎo)電纜和三芯超導(dǎo)電纜等3個(gè)不同試樣進(jìn)行試驗(yàn)（其中三芯超導(dǎo)電纜每芯銅襯芯與單芯超導(dǎo)電纜的銅襯芯相同），3個(gè)試樣在室溫及液氮溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別見圖3和圖4。

由圖3和圖4可知，3個(gè)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似。加載曲線呈現(xiàn)應(yīng)力和應(yīng)變的線性變化，卸載曲線則呈現(xiàn)非線性的變化?；阢~襯芯以及單芯超導(dǎo)電纜短段試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果，三芯超導(dǎo)電纜在兩種溫度下的加載曲線和卸載曲線并不重合，其原因可能是因?yàn)樵嚇拥闹饕芰Σ糠帚~襯芯為經(jīng)過(guò)絞制的型線，而不是理想的棒材結(jié)構(gòu)。

此外，由3個(gè)試樣的加載曲線可知，相同應(yīng)力下三芯超導(dǎo)電纜的應(yīng)變大于銅絞合線芯和單芯超導(dǎo)電纜的應(yīng)變。結(jié)果表明，在室溫下和液氮溫度下，三芯超導(dǎo)電纜的拉伸模量均小于銅絞合線芯和單芯超導(dǎo)電纜的拉伸模量。

圖3 室溫下銅絞合線芯、單芯、三芯超導(dǎo)電纜試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 77 K下銅絞合線芯、單芯、三芯超導(dǎo)電纜試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

此外，本工作還對(duì)三芯超導(dǎo)電纜由室溫降至77 K時(shí)的收縮率進(jìn)行了研究。由式（2）和式（3），可計(jì)算得到銅襯芯及單芯、三芯超導(dǎo)電纜樣品在維持負(fù)載為2 000 kg的情況下，由室溫降至液氮溫度時(shí)的收縮率，見表2。

表2 不同試樣由室溫降溫至77 K時(shí)的收縮率

由表2可知，三芯超導(dǎo)電纜由室溫（293 K）降至液氮溫度（77 K）時(shí)的收縮率小于銅襯芯和單芯超導(dǎo)電纜。對(duì)于單芯超導(dǎo)電纜，收縮過(guò)程主要由紙的收縮帶動(dòng)銅的收縮，而三芯超導(dǎo)電纜，降溫收縮后起到松絞效果，通過(guò)變緊伸長(zhǎng)抵消收縮，所以三芯超導(dǎo)電纜的收縮率更小。

3 結(jié) 論

本文開展了三芯高溫超導(dǎo)電纜試樣在室溫及液氮溫度下的機(jī)械性能試驗(yàn)研究。

（1）搭建試驗(yàn)裝置，獲得了三芯高溫超導(dǎo)電纜在室溫和液氮溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及從室溫降至液氮溫度時(shí)的收縮率。

（2）在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，三芯超導(dǎo)電纜首次加載過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率較第二和第三次試驗(yàn)偏小，后兩次曲線基本重合；液氮溫度下的兩次拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合。兩種溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)相同，且液氮溫度下三芯超導(dǎo)電纜的拉伸模量比室溫下的更大，說(shuō)明液氮溫度下加載時(shí)，三芯高溫超導(dǎo)電纜更不容易發(fā)生形變。

（3）對(duì)比銅絞合線芯、單芯超導(dǎo)電纜和三芯超導(dǎo)電纜，3種試樣在室溫和液氮溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)相同。三芯超導(dǎo)電纜的拉伸模量最小，從室溫降至液氮溫度時(shí)的收縮率也最小。造成該結(jié)果的原因與三芯超導(dǎo)電纜的成纜工藝及結(jié)構(gòu)有關(guān)。不同的成纜工藝，三芯超導(dǎo)電纜拉伸試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)有所不同。