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1、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（1V/cm判据），接头总电阻小于 0.06,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 1k
2、A 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.DEVELOPMENT OF A 100NM CLASSBISMUTH-BASED HTS MODEL CABLELin Yu-bao Lin Liang-zhen Li Shao-pingZhang Feng-yuan Chen Shao-fei Wang Yin-shunXu Li Song Nai-hao Wen Hua-ming Li JianInstitute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences
3、, Beijing 100080Zhou Lian Zhang Ping-xiang Feng YongLi Cheng-shan Zheng Hui-ling Wu Xiao-zuNorthwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xian 710016Zhou Yi-ru Lin Wei Fu Xue-kui Hua Pei-wenDeng Hua Hua Zhi-qiang Hua Chong-yuan Yuan Guan-senGeneral Research Institute for Nonferrous Metals, Beiji
4、ng 100088(Received 9 November, 1998)A 1000A class Bismuth-based HTS model cable has been developed. The cable consists of a flexible frame, the conductor layer, the inter-layer insulation and an outer insulation-binding layer. The conductor layer is wound from 171 Bi-2223/Ag multifilamentary tapes w
5、hich are divided into six layers. The cable has a 45.2mm outer diameter and 1m length. The tests at 77K show that the critical current of the cable is more than 1180A (at 1V/cm criterion) and the total joint resistance is less than, and both get the better of the design specifications. The critical
6、current of the cable was only degraded 2.7% after 2 thermal cycles. The HTS cable was running in 30 minutes with 1000A steadily and reliably.The main properties of the Bi-2223/Ag tapes and the design, fabrication and test results of the HTS cable are presented in this paper.1 引 言高温超导电缆可以实现低损耗、大容量输电，
7、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
8、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
9、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 1V/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 0.1V/cm 到 1.0V/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
10、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
11、 0.39.图 3 77K 下铋系带材的拉应变特性图 4 77K 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 5 77K 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 1 Bi-2223/Ag 多芯带材的主要参数和性能带材尺寸：宽 w厚 t (mm) (4.00.2)(0.250.05)
12、银超比 41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 ct(%) 0.1677K 下临界弯曲应变 cb(%) 0.39从室温到 77K 自由热收缩率（%） 0.2523 1000A 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
13、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
14、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 6 1000A 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 缠绕成的螺线管的径向收缩率 r可表示为3,4(1)式中， l为铋系带材的长度变化率， p为螺距的变化率.若铋系带材的自由热收缩率为 t，在冷却过程中产生的拉应变为 s，则 l= t- s (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 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
15、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 r=0.3%, p=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 s0.088mm，取 d=0.1mm.为保证电缆的紧密性，我们将聚酰亚胺绝缘层兼作绑扎层.该绝缘层的径向收缩率应大于导体层带材径向收缩率，取 rD=0.31%，从室温到液氮温区聚酰亚胺的自由热收缩率 tD=0.5%7，绝缘带的螺距的变化率 pD=0.05%.外绝缘绑扎带缠绕的螺旋角采用 d=80，由式(1)和(2)得：绑扎带由冷收缩产生
16、的拉应变 sD=0.2%，该值远小于在液氮中的最大允许应变 5.8%.所以我们用 50m 厚的聚酰亚胺带以 80o 螺旋角半迭绕作为电缆的外绝缘绑扎带.4 铋系高温超导模型电缆的绕制1000A 铋系高温超导模型电缆是按设计参数采用手工绕制的.绕制中要遵循两个原则：电性能较好的带材尽量放在外层；每对电流共轭层的带材的临界电流之和应基本相同.在绕制过程中，我们把导体层带材的螺旋角调控在 27左右，并保持每对电流共轭层的带材螺旋线的螺距相等.电缆的导体层的层间绝缘缠以 0.1mm 厚的聚酯带.电缆的导体层带材与终端接头的焊接采用 In-Ag 合金焊料.为了完善绕制工艺，我们在绕完头两层导体层后把电缆放在液氮中进行通电试验，以检查绕制质量.实验获得良好的结果：临界电流为，退化率为 73%，接头总电阻为 0.072.在确信电缆的良好绕制质量能得到保
