絕緣缺陷對(duì)高溫超導(dǎo)電流引線低溫絕緣性能的影響

張開明，朱銀鋒，吳小四，鄭 旭，唐夢(mèng)雨，王傳東

(安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

在超導(dǎo)電物理裝置中，電流引線主要是用來連接處于室溫的電源和處于極低溫的超導(dǎo)磁體[1]。用于大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)電流引線應(yīng)具有足夠的通電流能力以及盡可能小的低溫?zé)嶝?fù)荷，并且還應(yīng)具備足夠的絕緣強(qiáng)度[2-3]。高溫超導(dǎo)電流引線是在室溫下制作，但卻運(yùn)行在極低溫條件下，金屬材料、高溫超導(dǎo)材料和絕緣材料熱膨脹系數(shù)的差異，絕緣材料的低溫脆性以及絕緣材料制備過程中產(chǎn)生的氣隙均能導(dǎo)致絕緣失效，由氣隙引發(fā)的局部放電產(chǎn)生的能量和高能粒子效應(yīng)會(huì)侵蝕其周圍的樹脂絕緣材料，最終引起絕緣層被擊穿造成嚴(yán)重事故[4-5]。本文以16 kA高溫超導(dǎo)電流引線為研究對(duì)象，通過開展電場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值模擬探討絕緣結(jié)構(gòu)及絕緣材料缺陷對(duì)其絕緣性能的影響。

1 高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)

高溫超導(dǎo)電流引線由金屬引線段、高溫超導(dǎo)引線段和低溫超導(dǎo)引線段等組成，低溫超導(dǎo)引線段末端與超導(dǎo)磁體饋線系統(tǒng)中的超導(dǎo)電纜相連[6-8]。高溫超導(dǎo)電流引線三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。萬安級(jí)高溫超導(dǎo)電流引線的基本參數(shù)見表1[9-10]。

圖1 高溫超導(dǎo)電流引線三維結(jié)構(gòu)

表1 萬安級(jí)高溫超導(dǎo)電流引線的基本參數(shù)

金屬引線通常根據(jù)剩余電阻比選用通電流能力和熱穩(wěn)定性較好的紫銅，金屬引線的冷卻通道選用耐低溫的不銹鋼材料制作。在大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中，高溫超導(dǎo)電流引線通常垂直或水平安裝，金屬引線段采用液氮、冷氦氣進(jìn)行冷卻。當(dāng)金屬引線的電阻率為ρ(T)、截面面積為A、電流密度為J時(shí)，沿金屬引線長度方向微元產(chǎn)生的焦?fàn)枱酫Joule和冷卻介質(zhì)流經(jīng)該微元帶走的熱量Qvap計(jì)算公式分別為：

dQJoule=ρ(T)J2Adz

(1)

dQvap=c(p)mdTvap

(2)

式(2)中，c(p)為冷卻介質(zhì)比熱；m為冷卻介質(zhì)質(zhì)量；Tvap為冷卻介質(zhì)溫度。

根據(jù)能量守恒原理可知，金屬引線段在冷卻介質(zhì)缺失情況下產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)對(duì)電流引線加熱，設(shè)置在金屬引線段和高溫超導(dǎo)引線段之間的紫銅熱沉可有效抑制電流引線溫升的速率，從而提高整個(gè)電流引線的安全性。

當(dāng)電流引線的高溫超導(dǎo)體由于溫升引起失超，電流從支撐高溫超導(dǎo)體的筒狀分流器中流過。高溫超導(dǎo)帶材均勻布置在筒狀分流器外表面的開槽內(nèi)可使垂直磁場(chǎng)引起的通電流能力下降[9]。

2 高溫超導(dǎo)電流引線絕緣設(shè)計(jì)

2.1 絕緣必要性

超導(dǎo)磁體失超時(shí)呈現(xiàn)電阻加熱態(tài)，電流的快速變化在萬安級(jí)勵(lì)磁電流的超導(dǎo)磁體兩端產(chǎn)生高電壓，因此高溫超導(dǎo)電流引線需要進(jìn)行絕緣處理以承受高電壓。高電壓計(jì)算公式為：

(3)

由于高溫超導(dǎo)電流引線溫度梯度較大，其絕緣材料除了承受高電壓之外還需承受溫度梯度引起的熱應(yīng)力[11]。高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮絕緣結(jié)構(gòu)及絕緣材料對(duì)其低溫絕緣性能的影響 。

2.2 耐低溫絕緣材料

常用于萬安級(jí)高溫超導(dǎo)電流引線的耐低溫絕緣材料包括增韌環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺薄膜和玻璃纖維。3種絕緣材料的主要電學(xué)性能見表2[12-13]。

表2 3種絕緣材料的主要電學(xué)性能

對(duì)于多相混合物，若復(fù)合材料各組分分布均勻，根據(jù)Lichtenecker對(duì)數(shù)混合法可知，復(fù)合材料各組分的體積比決定其相對(duì)介電常數(shù)[14]：

(4)

式(4)中，Vi是第i組分的體積分?jǐn)?shù)；εi是第i組分的介電常數(shù)。

由式(4)可知，各組分分布均勻的復(fù)合材料相對(duì)介電常數(shù)由各組分的相對(duì)介電常數(shù)及體積比決定。對(duì)用于高溫超導(dǎo)電流引線的絕緣處理，通常采用連續(xù)的玻璃纖維增韌環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其相對(duì)介電常數(shù)還受到玻璃纖維空間布局的影響。常用于增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的玻璃纖維種類及其性能見表3[15]。

表3 玻璃纖維的種類及其性能

選取R玻璃纖維增強(qiáng)雙酚A環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行絕緣處理的16 kA高溫超導(dǎo)電流引線，當(dāng)R玻璃纖維體積比為70%，計(jì)算得到復(fù)合材料的相對(duì)介電常數(shù)約為4.87。

3 高溫超導(dǎo)電流引線電場(chǎng)仿真

3.1 絕緣材料內(nèi)部氣隙引起的電場(chǎng)變化

高溫超導(dǎo)電流引線運(yùn)行過程中，金屬材料和絕緣材料熱膨脹系數(shù)的差異可導(dǎo)致兩者脫粘，并且由于絕緣結(jié)構(gòu)制作過程中絕緣材料內(nèi)部產(chǎn)生氣隙等缺陷，從而導(dǎo)致絕緣材料絕緣性能下降，容易產(chǎn)生局部放電。

當(dāng)絕緣材料內(nèi)部氣隙為橢球體時(shí)，橢球體氣隙內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度Ee計(jì)算公式為[16]：

(5)

式(5)中，ε為絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)；E為絕緣材料的總電場(chǎng)強(qiáng)度；K為橢球體的無量綱特征，K=2/(abcA)，參量A為[16]：

(6)

式(6)中，s為虛擬變量；a，b，c分別為橢球體的半軸長度。

當(dāng)絕緣材料內(nèi)部氣隙為球體時(shí)，a=b=c，即K=3，球體氣隙內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度Es計(jì)算公式為[16]：

(7)

3.2 絕緣材料無微觀缺陷的電場(chǎng)仿真

16 kA高溫超導(dǎo)電流引線承受的最高電壓為直流4.5 kV，對(duì)上端法蘭的下部外表面進(jìn)行絕緣處理承受高電壓。考慮到足夠的安全裕度，電場(chǎng)分析施加的電壓為直流10 kV。

在建立電場(chǎng)仿真模型之前定義材料屬性，空氣相對(duì)介電常數(shù)為1；玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相對(duì)介電常數(shù)為4.87；金屬材料相對(duì)介電常數(shù)為109。

電場(chǎng)仿真模型由空氣區(qū)、電流引線導(dǎo)體、電流引線絕緣體組成。采用6面體20節(jié)點(diǎn)的solid122實(shí)體單元?jiǎng)澐钟邢迒卧?。為提高有限單元?jiǎng)澐值馁|(zhì)量，對(duì)于電流引線和空氣的回轉(zhuǎn)體部分采用掃描方式劃分單元，上端方形銅排以及空氣的非回轉(zhuǎn)體部分單獨(dú)采用掃描方式劃分單元，然后通過節(jié)點(diǎn)耦合與回轉(zhuǎn)體部分的有限單元連接。電場(chǎng)仿真建模如圖2所示。

(a) 電場(chǎng)分析模型 (b) 模型的網(wǎng)格單元

在仿真模型的外表面施加遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，電流引線導(dǎo)體施加直流電壓10 kV，支撐電流引線的金屬法蘭施加電壓為0 V。絕緣材料無微觀缺陷電場(chǎng)強(qiáng)度云圖如圖3所示。從圖3中可以看出，電流引線絕緣法蘭盤和金屬引線段絕緣材料結(jié)合部位存在電場(chǎng)集中，另外，絕緣法蘭盤和支撐電流引線的金屬法蘭結(jié)合部位也存在電場(chǎng)集中。

圖3 絕緣材料無微觀缺陷電場(chǎng)強(qiáng)度云圖

沿絕緣法蘭徑向的A，B，C，D點(diǎn)定義節(jié)點(diǎn)路徑，徑向方向節(jié)點(diǎn)路徑及電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 徑向方向節(jié)點(diǎn)路徑

圖5 電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

3.3 絕緣材料有微觀缺陷的電場(chǎng)仿真

為了解絕緣材料中的微觀缺陷對(duì)高溫超導(dǎo)電流引線絕緣性能的影響，在仿真模型中的絕緣法蘭和金屬支撐法蘭結(jié)合部位建立直徑為0.5 mm的氣隙，氣隙位置如圖6所示。在電流引線導(dǎo)體施加電壓為10 kV，支撐法蘭電壓為0 V條件下計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度。含氣隙絕緣層電場(chǎng)強(qiáng)度云圖如圖7所示。

圖6 氣隙位置

圖7 含氣隙絕緣層電場(chǎng)強(qiáng)度云圖

由圖7可知，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值位于氣隙處為963.58 V/mm，該部位電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于絕緣法蘭和金屬支撐法蘭結(jié)合的其他部位，并且顯著高于絕緣材料無缺陷的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值383.32 V/mm。如圖6所示，沿絕緣法蘭徑向的A，B，C，D點(diǎn)且通過氣隙定義節(jié)點(diǎn)路徑，沿該節(jié)點(diǎn)路徑的電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線如圖8所示。

圖8 電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

3.4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)高溫超導(dǎo)電流引線模型展開的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真得出以下結(jié)論。

1) 絕緣結(jié)構(gòu)變化較大的部位容易產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度集中。

2) 絕緣材料中存在氣隙等微觀缺陷會(huì)顯著降低電流引線的低溫絕緣特性，可通過改進(jìn)絕緣制造工藝加以改善。

4 結(jié)束語

1) 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及絕緣材料的組分、配比和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)高溫超導(dǎo)電流引線的低溫絕緣性能有較大影響。

2) 萬安級(jí)高溫超導(dǎo)電流引線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注熱應(yīng)力引起的絕緣材料和導(dǎo)體材料脫粘問題，可以通過對(duì)玻璃纖維施加纏繞預(yù)緊力以及限制電流引線溫升加以避免。