低溫絕緣超導(dǎo)電纜用不銹鋼波紋管損耗測(cè)試

張喜澤， 韓云武（上海電纜研究所，上海200093）

低溫絕緣超導(dǎo)電纜用不銹鋼波紋管損耗測(cè)試

張喜澤， 韓云武
（上海電纜研究所，上海200093）

304不銹鋼系奧氏體為主的無磁性或低磁性不銹鋼，但加工變形后亞穩(wěn)態(tài)奧氏體會(huì)發(fā)生相變產(chǎn)生馬氏體組織，形成較強(qiáng)的磁性。通過對(duì)304不銹鋼波紋管的磁滯損耗進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行金相觀察，研究了304不銹鋼相變的情況。同時(shí)對(duì)樣品材料進(jìn)行磁滯回線測(cè)試，研究了波紋管的磁滯損耗情況。

不銹鋼；磁性；磁滯損耗；超導(dǎo)電纜

0　引 言

與傳統(tǒng)電纜相比，超導(dǎo)電纜具有體積小、容量大、損耗低、載流能力強(qiáng)、故障狀態(tài)下可兼具限流器作用、無電磁污染、電纜間相互電磁影響和熱場(chǎng)影響可忽略等優(yōu)點(diǎn)，因此可以用于地下電纜工程改造、市內(nèi)用電密集區(qū)輸供電等。超導(dǎo)電纜的基本組成部分包括：內(nèi)支撐管，導(dǎo)體（超導(dǎo)帶材繞制而成），電絕緣層，屏蔽層，熱絕緣層和外護(hù)套等。熱絕緣層現(xiàn)主要采用雙層波紋管，波紋管之間處于真空態(tài)。考慮到機(jī)械強(qiáng)度和真空放氣率等因素，該波紋管一般采用不銹鋼制作（常見為304不銹鋼和316不銹鋼）。超導(dǎo)電纜一般運(yùn)行在液氮環(huán)境下，需要通過制冷機(jī)將系統(tǒng)的損耗及漏熱帶走。對(duì)于大型制冷機(jī)，估計(jì)液氮制冷機(jī)消耗的功率為所需移去的高溫超導(dǎo)電纜損耗的14.5倍［1］，因此很有必要對(duì)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部分的損耗進(jìn)行研究，本文將對(duì)不銹鋼波紋管在內(nèi)部通過交流電流的情況下的損耗進(jìn)行測(cè)試研究。

1　損耗原因

和常規(guī)電纜相同，超導(dǎo)電纜熱絕緣層所用的不銹鋼波紋管的損耗包括環(huán)流損耗和渦流損耗，同時(shí)不銹鋼波紋管在加工過程中，原來為無磁性或低磁性的304亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼在變形過程中發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)相變，產(chǎn)生馬氏體組織［2］，使不銹鋼波紋管產(chǎn)生磁性，所以超導(dǎo)電纜用的不銹鋼波紋管的損耗還包括波紋管處在交變磁場(chǎng)下的磁滯損耗。測(cè)試樣品在金相顯微鏡下的觀察結(jié)果如圖1所示，從圖1可清晰看見板條狀的奧氏體結(jié)構(gòu)。

圖1　波紋管不銹鋼金相圖像

為進(jìn)一步驗(yàn)證材料的磁化率情況，對(duì)波紋管樣品的磁滯回線進(jìn)行測(cè)試。研究測(cè)試了頻率為25 kHz、磁場(chǎng)強(qiáng)度為2503 A/m下交變磁場(chǎng)下的磁滯回線。測(cè)試結(jié)果如圖2所示，結(jié)果顯示在該頻率交變磁場(chǎng)下的損耗為73W/m。

2　測(cè)試方案

項(xiàng)目采用電測(cè)法對(duì)波紋管的磁滯損耗進(jìn)行測(cè)量。電測(cè)法的原理是通過實(shí)時(shí)記錄電流和電壓，擬合成諧波，再根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

圖2　波紋管不銹鋼磁滯回線

式中：P為測(cè)試的損耗值（W）；U為采集的電壓信號(hào)的有效值（V）；I為采集電流信號(hào)的有效值（A）；θ為電壓信號(hào)與電流信號(hào)的相角差。

或者對(duì)實(shí)時(shí)的電壓電流值的乘積進(jìn)行積分求平均，見式（2）：

圖3　測(cè)試接線圖

式中：T為測(cè)試信號(hào)的周期（s）；n為自然數(shù)。

以上兩種處理方式在原理上是一樣的，前者要求諧波較為穩(wěn)定，波形不能有失真；后者對(duì)波形無要求。

因此，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了測(cè)試接線圖如圖3所示，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）將一根波紋管套于一根均勻的銅導(dǎo)體上，導(dǎo)體與波紋管之間保持絕緣；

（2）在電纜上設(shè)3個(gè)電壓引出端A、B和C。其中A端和B端位于波紋管兩端，AB端距離與BC端距離相等；

（3）在電流回路上套一根羅氏線圈以測(cè)量電流；

圖4　測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖片

（4）實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)高速數(shù)據(jù)采集，測(cè)得電流及AB、BC兩端的電壓，進(jìn)而通過計(jì)算AB和BC兩端的損耗差，求得波紋管引入的損耗。

3　結(jié)果分析

利用以上測(cè)試方案，逐步增加電流，測(cè)得樣品損耗結(jié)果如圖5所示。

圖5　測(cè)試結(jié)果

從圖5可以看出，磁滯損耗與導(dǎo)體電流的平方接近線性關(guān)系。

波紋管圓周方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度與導(dǎo)體電流關(guān)系可由式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：H為波紋管圓周方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度（A/m）；I為導(dǎo)體電流（A）；D為波紋管的等效直徑（m），此處用波紋管的平均直徑代替。

由于樣品波紋管的內(nèi)外徑分別為0.08 m和0.1 m，所以取兩者平均值0.09 m作為D的等效值。根據(jù)式（3）可計(jì)算2503 A/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度（磁滯回線測(cè)試用交變磁場(chǎng)下磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值）對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體電流為707.3 A，其對(duì)應(yīng)的電流有效值為500.2 A。由于磁滯損耗與交變磁場(chǎng)的頻率成正比，即：

式中：f為交變磁場(chǎng)頻率（Hz）；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（A/m）；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度（T）。

由此可推出，工頻下大小為500.2 A的導(dǎo)體電流所引起的波紋管磁滯損耗為0.146 W。

結(jié)合圖5中的擬合公式：

式中：y為損耗（W）；x為電流（A）。

將大小為500.2 A的電流代入式（5）可得到損耗為0.139 W。兩者偏差約為5%，說明設(shè)計(jì)的試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果與磁滯回線測(cè)試所推導(dǎo)的結(jié)果基本一致。

4　結(jié) 論

低磁性的304不銹鋼在機(jī)械加工后會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)磁性，在其內(nèi)部通過交流電流情況下將產(chǎn)生較大的磁滯損耗，對(duì)超導(dǎo)電纜的低損耗特性造成不利的影響。因此，在超導(dǎo)電纜設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮此影響，通過制冷機(jī)將系統(tǒng)的損耗及漏熱帶走。

［1］ 應(yīng)啟良，黃崇祺，魏 東.高溫超導(dǎo)電纜在城市地下輸電系統(tǒng)應(yīng)用的可行性研究［J］.低溫物理學(xué)報(bào)，2003，25（增刊）：369-377.

［2］ 徐瑞芬，許淖淳.1Cr18NgTi不銹鋼的馬氏體相變量與孔蝕敏感性的相關(guān)性研究［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，1998，10（4）：197-201.

Research of the Loss of the Corrugated Stainless Steel PiPe in HTSCable

ZHANG Xi-ze，HAN Yun-wu
（Shanghai E1ectric Cab1e Research Institute，Shanghai200093，China）

304 stain1ess stee1is usua11y non-magnetic or 1ow magnetic austenitic stain1ess stee1，whichmay convert to martensite and becamemagnetic whenmechanica1deformed.the Hysteresis 1ossof The stain1ess stee1corrugated PiPe was tested，themeta11ograPhic and hysteresis 1ooP of the stee1was 1earned.

stain1ess stee1；magnetic；hysteresis 1oss；suPerconducting cab1e

TM249.7

A

1672-6901（2016）03-0042-03

2015-09-21

張喜澤（1980-），男，工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)［200093］.