陸小虹， 宗曦華， 黃逸佳

（上海國際超導科技有限公司，上海200444）

0 引言

隨著電線電纜行業(yè)的不斷發(fā)展進步，傳統(tǒng)電力電纜在超大傳輸容量及某些特殊場合的使用越來越受到限制。高溫超導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，特別是在綠色環(huán)保、安全等領域具有極大的發(fā)揮空間，是各國爭相研發(fā)的高新產(chǎn)品。目前，各國都在大力發(fā)展高溫超導電力技術，作為典型應用的高溫超導電力電纜示范工程［1-7］在全球各地陸續(xù)開展，很多工程項目更是被列入各國中長期發(fā)展計劃。繼美國、日本、韓國、丹麥等國家開展高溫超導電力電纜示范工程之后，以二代帶材為代表的中國高溫超導電纜示范工程［7］從單芯電纜向三芯、三相同軸電纜結(jié)構(gòu)不斷延伸，中國超導電力技術［8-13］的步伐不斷加快，與國外的超導電力技術［14-20］的差距不斷縮小。

目前，超導技術的發(fā)展和應用存在很多的問題，超導電纜技術也面臨很多需要解決的難點。超導電力電纜示范工程在后期敷設中，需考慮超導帶材的受力情況。若敷設時對電纜的長度余量考慮不足，則電纜從室溫降至低溫時由于收縮繃緊，會使接頭及終端等電纜部件受到較大的拉力，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)薄弱點，導致被破壞。因此對超導電纜降溫時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，對銅襯芯以及單芯超導電纜短段試樣分別進行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)單芯超導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?；谝陨显囼灮A，本文對三芯高溫超導電纜在室溫及運行溫度（通常為液氮溫度77 K）下的拉伸性能及收縮率進行研究，其研究結(jié)果將作為超導電纜工程的電纜設計和后期敷設的重要參考。

1 超導電纜機械性能試驗設計及測試

1.1 拉伸性能試驗

針對結(jié)構(gòu)中以銅襯芯為支撐物的超導電纜進行拉伸性能試驗，對應的拉伸性能試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 拉伸性能試驗裝置

首先將準備好的短段超導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葫蘆相連。手動葫蘆懸掛于5 T電子拉力測量儀下，拉力測量儀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，自上而下垂直懸掛兩條輔助測量線（懸垂線），利用懸錘保證兩條輔助測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，并將兩個計量儀固定在靠近兩條輔助測量線的位置，由于測量示數(shù)較小，誤差較大，所以需要通過放大裝置進行放大處理。

試驗利用手動葫蘆提供或釋放拉力，拉力值通過拉力測量儀讀取。通過測量在室溫及液氮溫度下，不同負載時試樣的拉伸量，可計算得到兩種溫度下的拉伸模量。

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

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

1.2 超導電纜從室溫降至液氮溫度時的收縮性能試驗

測量三芯超導電纜從室溫降至液氮溫度時的收縮率的方法如下：

收縮率試驗裝置同圖1。在室溫時，先對試驗樣品施加2 000 kg的負載，并記錄樣品兩端測量點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。待試驗樣品完全冷卻后，保持負載不變，并記錄此時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量點的位置變化。再由下式得到試驗樣品總的收縮量：

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)測量點降溫前后的位置變化量。

試驗樣品的收縮率為：

式中：ρ為收縮率；L為樣品的原始長度。

2 測試數(shù)據(jù)分析

利用上述試驗裝置對長度約為10 m的三芯超導電纜試樣進行室溫及液氮溫度（77 K）下的拉伸性能試驗，并對從室溫降至液氮溫度時的收縮率進行了測試。

2.1 三芯超導電纜在室溫及液氮溫度下的拉伸性能試驗

在室溫及液氮溫度（77 K）下，對三芯超導電纜試樣進行多次拉伸性能試驗，得到了多組應力-應變的試驗數(shù)據(jù)，并將該部分數(shù)據(jù)繪制成應力-應變曲線圖，見圖2。

圖2 三芯超導電纜試樣室溫及77 K下的應力-應變曲線

由圖2可知，三芯超導電纜試樣在室溫和77 K下的應力-應變曲線相似，在負載增加的過程中，曲線總體呈現(xiàn)線性增長趨勢；負載卸除時，試樣的應變量呈現(xiàn)起初變化緩慢，當負載低于某個值時隨負載減少而減少的非線性變化趨勢。

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

對于加載過程，從圖2中看出，試樣在低溫和室溫下的應力-應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程的應力-應變曲線的斜率大小相對應，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

為了進一步研究三芯超導電纜的機械性能，分別對銅絞合線芯、單芯超導電纜和三芯超導電纜等3個不同試樣進行試驗（其中三芯超導電纜每芯銅襯芯與單芯超導電纜的銅襯芯相同），3個試樣在室溫及液氮溫度下的應力-應變曲線分別見圖3和圖4。

由圖3和圖4可知，3個試樣的應力-應變曲線相似。加載曲線呈現(xiàn)應力和應變的線性變化，卸載曲線則呈現(xiàn)非線性的變化?；阢~襯芯以及單芯超導電纜短段試樣拉伸試驗結(jié)果，三芯超導電纜在兩種溫度下的加載曲線和卸載曲線并不重合，其原因可能是因為試樣的主要受力部分銅襯芯為經(jīng)過絞制的型線，而不是理想的棒材結(jié)構(gòu)。

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

圖3 室溫下銅絞合線芯、單芯、三芯超導電纜試樣應力-應變曲線

圖4 77 K下銅絞合線芯、單芯、三芯超導電纜試樣應力-應變曲線

此外，本工作還對三芯超導電纜由室溫降至77 K時的收縮率進行了研究。由式（2）和式（3），可計算得到銅襯芯及單芯、三芯超導電纜樣品在維持負載為2 000 kg的情況下，由室溫降至液氮溫度時的收縮率，見表2。

表2 不同試樣由室溫降溫至77 K時的收縮率

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

3 結(jié) 論

本文開展了三芯高溫超導電纜試樣在室溫及液氮溫度下的機械性能試驗研究。

（1）搭建試驗裝置，獲得了三芯高溫超導電纜在室溫和液氮溫度下的應力-應變曲線以及從室溫降至液氮溫度時的收縮率。

（2）在室溫下進行拉伸試驗時，三芯超導電纜首次加載過程的應力-應變曲線斜率較第二和第三次試驗偏小，后兩次曲線基本重合；液氮溫度下的兩次拉伸試驗應力-應變曲線基本重合。兩種溫度下的應力-應變曲線變化趨勢相同，且液氮溫度下三芯超導電纜的拉伸模量比室溫下的更大，說明液氮溫度下加載時，三芯高溫超導電纜更不容易發(fā)生形變。

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