低溫疲勞載荷下CFETR極向場線圈絕緣系統性能研究

張之榮，吳 濤，谷 曼，徐明圓，劉敏瑩，魯翠萍，鄒春龍，朱玲俐，姚英武

(1.合肥學院 先進制造工程學院，安徽 合肥 230601；2.中國科學院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031；3.蕪湖舜富精密壓鑄科技有限公司 產品技術開發部，安徽 蕪湖 242400)

中國聚變工程實驗堆(China Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR)是我國目前大力支持的新一代托卡馬克聚變裝置[1-3]。其主體結構是基于國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)裝置，同時吸收消化了我國大科學裝置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)多年的工程設計制造及運行經驗[4-5]。其主要研究目的是為了彌補ITER和DEMO(Demonstration)裝置之間的技術差距，有針對性地開展一些關鍵技術問題研究，為我國未來商用聚變堆建設奠定工程基礎[6-7]。

CFETR聚變裝置主機結構較為復雜，主要包括磁體系統、內部部件、真空室、偏濾器、內外冷屏、外真空杜瓦、相應的饋線系統等[8-9]。其中，超導磁體系統是其中重要組成部分之一，該系統主要由極向場(Poloidal Field，PF)超導磁體系統、環向場(Toroidal Field，TF)超導磁體系統和中心螺管(Central Solenoid，CS)超導磁體系統組成，具體結構如圖1所示[10-12]。極向場超導磁體系統主要是由兩個偏濾器線圈(Divertor Coil，DC)和PF1～PF6多個線圈組成，其主要作用是控制內真空室等離子體的形狀和位移[13-14]。對于每一個極向場超導磁體的主要研制過程，首先是將CICC(Cable-in-Conduit Conductors)導體通過雙線并繞的方式繞制成雙餅線圈(Double Pancake，DP)，且在繞制過程中通過自動包繞機完成單根導體的絕緣處理，并利用玻璃絲氈(1.2 mm)對匝間和層間絕緣進行適配修復填充。接著，待導體全部繞制完成后，對雙餅線圈進行真空壓力浸漬(Vacuum Pressure Impregnation，VPI)絕緣固化處理，并使其通過相應的電學性能測試。依此步驟完成所有DP線圈的制造。然后，將所有DP線圈按順序依次堆疊裝配，并完成其對地絕緣包繞和VPI固化工作，進而形成極向場超導磁體(Winding Pack，WP)。最后，完成配套夾具和保護板安裝工作，CFETR極向場超導磁體主要制備工藝流程如圖2所示。

在物理實驗正式運行過程中，PF超導磁體在大電流、超低溫和強磁場的作用下，將承受超強且復雜的循環電磁載荷。為了確保PF磁體能夠安全穩定的工作，按照CFETR磁體結構設計和測試要求，所設計制造的PF線圈除了具有必備的電學性能之外，還需要滿足較高的機械疲勞性能要求。因此，有必要對其低溫機械疲勞性能進行測試研究。

圖1 CFETR裝置主機結構示意圖

圖2 CFETR極向場超導磁體主要制備工藝流程

1 樣件結構介紹

CFETR極向場線圈目前還處于工程設計和關鍵部件預研階段，考慮到該線圈實際結構尺寸大且制造成本非常高。為了獲得CFETR極向場線圈絕緣低溫疲勞性能，所設計的測試試樣需模擬實際工況下線圈關鍵絕緣包繞的工藝步驟，即線圈導體的選擇、匝間、層間和對地絕緣的包饒以及整個試樣VPI絕緣固化與實際制造工藝盡可能一致。本研究借鑒了相關聚變裝置(EAST或ITER)極向場線圈工程測試經驗，試樣導體選用具有同等特性的ITER PF5，其結構參數和絞纜方式分別如表1和圖3所示。通過模擬線圈實際制造工藝，設計并制造了一個等效線圈絕緣結構試樣，并將該結構稱之為“3×3試樣”，其具體截面結構如圖4所示。匝間絕緣與對地絕緣結構示意圖如圖5所示。由圖5可知，匝間絕緣是由玻璃絲帶-聚酰亞胺復合帶(GK)通過半疊包(50%重疊)的方式包繞5層，其成型厚度為2.7 mm(見圖5a)；而對地絕緣則是采用玻璃絲帶-聚酰亞胺-玻璃絲帶復合帶(GKG)通過半疊包的方式包繞9層，半疊包的最后成型厚度為8 mm(見圖5b)；層間絕緣是由一層厚度為0.7 mm的玻璃絲布半疊包而成。試樣匝間和對地絕緣所用玻璃絲帶和聚酰亞胺薄膜規格型號如表2所示。試樣對地和匝間絕緣復合帶小樣如圖6所示。試樣在VIP絕緣固化后試樣截面外形尺寸為192 mm×195 mm，長度為260 mm。

表1 ITER PF5超導纜結構參數

參數值銅線直徑/mm2.85超導纜截面積/mm2370.5超導纜空隙率/%34.1超導纜直徑/mm35.3導體外形尺寸/mm×mm51.9×51.9

圖3 ITER PF5導體絞纜結構 圖4 “3×3試樣”截面結構示意圖

圖5 匝間絕緣與對地絕緣結構示意圖

表2 試樣匝間和對地絕緣所用玻璃絲帶和聚酰亞胺薄膜規格型號

2 實驗

2.1 低溫疲勞實驗方法

為了獲得絕緣試樣的低溫疲勞性能，根據CFETR具體測試要求：在其低溫疲勞測試期間，試樣表面所承受的最大壓應力為20 MPa，最小壓應力為2 MPa(最大壓應力的10%)，目標疲勞循環次數為30 000次，加載頻率為4 Hz。結合試樣的外形結構尺寸及受壓作用面積，在分析計算后得出，低溫疲勞拉伸機所施加壓力載荷的變化范圍是-73～-730 kN。另外，考慮到“3×3”短樣表面在絕緣固化后，上、下表面均會存在一定不平行度，為了使試樣在疲勞測試過程中上、下表面受力均衡，除了在試樣表面通過半疊包的方式將降落傘帶(超導磁體制造中常用的一種輔助材料，具有抗拉、抗壓和耐磨等特性)包繞至5 mm厚，還選用定制的不銹鋼過渡壓板。圖7顯示了試樣加載輔助不銹鋼板結構。在低溫疲勞測試過程中，所施加的壓力載荷通過定制不銹鋼板和降落傘帶過渡層傳遞至“3×3試樣”。

圖6 試樣對地和匝間絕緣復合帶小樣

另外，為了確保試樣絕緣在降溫過程中電學性能的完整性，避免因溫差過大而導致絕緣損壞，要求測試過程中試樣各點溫差最大不超過50 K[15]。為此，結合測試過程中試樣溫控的特點，在試樣上、下兩側不銹鋼壓板上分別布置溫度計T1和T2，具體位置如圖8所示。本測試主要降溫過程可分為兩個階段：加載前降溫過程和加載后測試過程。由于在加載測試過程中試樣采用液氮浸泡的方式冷卻，所以只需確保試樣一直浸泡在液氮中。具體是通過實時記錄布置于試樣上方的溫度計溫度，并確保其顯示值為77 K；而在加載前的降溫過程，主要通過采集布置于試樣上、下兩個溫度計數值并實時計算其溫差，當溫差高于50 K則自動觸發警報，并降低注入液氮的流量，待其溫差低于50 K后繼續進行降溫工作。另外，為了更好地完成加載前試樣降溫工作，避免在室溫狀態下因液氮直接通入容器而出現溫度驟降的現象，實驗前期通入冷氮氣方式進行預降溫，待兩溫度計差值基本穩定不變后再通入液氮。

圖7 試樣加載輔助不銹鋼板結構示意圖 圖8 試樣溫度計分布位置圖

在試樣絕緣經歷低溫疲勞性能測試后，為了驗證其絕緣電學性能仍具備完整性，一般對疲勞測試后的試樣進行相關電學性能測試，具體指試樣匝間絕緣直流電阻測試。其中，試樣導體電極排序分布如圖9所示。直流耐壓測試電壓水平不低于5.7 kV，直流電阻不低于500 MΩ[15]。按照匝間絕緣直流測試要求，共測試5次，具體高壓電極和接地極分布情況如表3所示。匝間絕緣直流電阻測試電壓曲線如圖10所示。其中，測試電壓從10 kV/min左右速率開始直到升至最高值，而后再保壓1 min后降壓。

2.2 實驗平臺

本測試所使用的低溫疲勞拉伸系統主體結構如圖11所示。該系統主要包括主機加載模塊、設備冷卻模塊、測試控制模塊、液壓總控模塊和低溫控制模塊等。其中，測試主機所允許的最大施加拉/壓為為2 000 kN，且最高加載頻率不高于4 Hz。在尺寸允許的范圍內，測試樣件可垂直或水平放置于容器內，利用上、下夾具完成其安裝固定和載荷的施加。另外，該低溫疲勞拉伸系統所配備的液壓總控模塊由3組獨立液壓泵組構成，并配備了全自動風冷系統，保障了系統持續安全穩定運行。

表3 匝間絕緣直流電阻測試電極位置匯總表

序號高壓極接地極4C1B1、B2、C25C3B2、B3、C2

圖9 絕緣試樣PF5導體電極排序分布圖 圖10 匝間絕緣直流電阻測試電壓曲線圖

圖11 低溫疲勞測試裝置結構示意圖

2.3 實驗步驟

(1)使用降落傘帶通過半疊包方式對試樣表面進行包繞，直至單邊壁厚增加0.5 cm左右；

(2)依次安裝下不銹鋼壓板、測試樣件和上不銹鋼壓板，試樣安裝現場如圖12所示；

(3)在指定的位置粘貼上、下溫度計，并檢查溫度計與溫度監視器連接是否有效；

(4)關閉測試容器門，通過預留在測試容器內壁的不銹鋼管往測試容器底部通入冷氮氣，完成“3×3”短樣及整個測試裝置的預冷工作，避免出現驟冷現象；

(5)待上、下溫度計差值基本穩定后，關閉冷氮氣通道，向測試容器底部通入液氮，直至上溫度計顯示77 K，試樣處于完全被液氮浸泡狀態即可；

(6)浸泡20 min，確保試樣完全冷卻；

(7)實驗開始：設置疲勞主機最大和最小壓力載荷分別為-730 kN和-73 kN；

(8)疲勞主機以1 000 N/s速度對試樣緩慢施加壓應力載荷，直至壓力值達到-730 kN停止加載；

(9)疲勞主機以2 000 N/s速度開始卸載，當主機壓力載荷卸載到-73 kN時停止卸載；

(10)按照步驟(8)、(9)完成加載和卸載往復3次；

(11)設置低溫疲勞加載頻率為4 Hz，并正式開始低溫疲勞測試，測試過程中采集兩溫度計實時溫度，正式疲勞測試現場如圖13所示；

(12)當疲勞加載次數達到目標循環30 000次時，停止加載，停止記錄相關數據，關閉相應設備，排放測試容器中的液氮，待樣件48 min回溫后取出試樣；

(13)完成試樣匝間絕緣電學性能完整性測試；

(14)完成測試數據整理和分析討論。

圖12 試樣安裝現場圖 圖13 正式疲勞測試現場圖

3 結果和分析

疲勞測試過程中試樣上、下兩測點溫度曲線如圖14所示。從圖14中可以看出，整個降溫過程主要由兩部分組成：前期降溫階段(300～77 K)和正式測試階段(浸泡式77 K)。前期降溫耗時共計12 000 s左右，平均降溫速率約67 K/h，且任一時刻試樣上、下測點溫差△T(T1～T2)均不超過50 K，完全滿足測試要求。另外，從前期降溫曲線中可以看出，試樣整體曲線并非一直處于光滑過渡狀態。其中存在幾處較大波動點，其主要原因是測試現場沒有超大型的液氮罐，無法持續提供液氮冷源。為此，本次選用了多個自增壓液氮罐，每罐液氮容量為250～300 L。由圖14可見，曲線波動點均出現于液氮罐更換期間，且波動點上、下兩點溫差也沒有超過50 K，滿足降溫測試要求，由此可認為次波動溫差對試樣絕緣的電學性能完整性無影響。

77 K低溫下試樣疲勞測試部分加載曲線如圖15所示。其中，施加最大壓力載荷為-730 kN，最小壓力載荷為-73 kN，加載頻率為4 Hz。所加載的正弦曲線較為光滑，說明在測試過程中該低溫疲勞拉伸機能夠提供穩定的循環載荷曲線。最后，順利獲得了絕緣試樣30 000次低溫疲勞性能。

圖14 實驗過程中試樣上、下降溫和溫差曲線圖 圖15 絕緣試樣77 K下疲勞測試部分加載曲線

該結果說明所設計的絕緣試樣結構能夠滿足CFETR設計要求，具體包括絕緣材料和導體的選擇、絕緣的包繞工藝方案以及絕緣真空壓力浸漬方法等。尤其是在試樣外形結構尺寸嚴格受限的情況下，所設計的絕緣結構(匝間絕緣：GK復合帶半疊包繞5層；對地絕緣：GKG復合帶半疊包繞9層)在滿足電學性能要求的同時仍具有足夠的低溫疲勞性能。這也進一步驗證了試樣結構方案的可行性。

在77 K低溫疲勞性能測試后，為了驗證試樣絕緣電學性能仍具備完整性，完成其匝間絕緣直流測試。匯總了試樣匝間絕緣電學性能測試結果如圖16所示。結果表明，試樣各匝間絕緣直流電流均在0.001～0.005 mA之間，其中，當導體B2接高壓電極，導體A2、B1、B3、C2接地時，其產生的最大直流電流接近0.005 mA。其他匝間絕緣最大直流電流均小于0.002 mA，其主要原因可能是絕緣試樣中心導體B2處在環氧樹脂固化過程存在局部固化不充分的現象。通過測試結果可知，所有匝間絕緣直流電阻均遠大于設計要求的500 MΩ，均完全滿足電學性能測試要求，即絕緣試樣在經歷了低溫疲勞后依然具有良好的電學性能。該結果將對CFETR PF線圈結構設計制造和安全運行具有重要的參考價值。

圖16 低溫疲勞測試后試樣匝間絕緣直流測試

4 結論

本文針對CFETR極向場線圈絕緣結構進行了低溫疲勞性能實驗研究，分析了極向場磁體絕緣結構、設計了低溫疲勞測試夾具和絕緣試樣低溫疲勞性能測試方案，進行了低溫疲勞性能測試和試樣匝間絕緣電學性能直流電阻測試。結果表明：絕緣試樣能夠承受77 K溫度下30 000次疲勞載荷(-73～-730 kN，4 Hz)；所有匝間絕緣直流電阻均大于500 MΩ，完全滿足磁體絕緣設計要求。研究結果將對未來CFETR極向場線圈的安全運行具有重要參考價值。