超導(dǎo)直流電纜低溫絕緣材料的研究

徐禮強(qiáng)

遼寧省檢驗(yàn)檢測認(rèn)證中心（遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院） 遼寧沈陽 110000

1 常規(guī)直流電纜絕緣介質(zhì)

早期常規(guī)直流電纜主要包括充油電纜和浸漬紙絕緣電纜，隨著有機(jī)聚合物材料如交流聚乙烯（XLPE）等的發(fā)展，充油電纜逐漸被以XLPE 絕緣直流電纜為代表的聚合物擠包固體絕緣電纜替代[1]。根據(jù)固體電介質(zhì)能帶理論，由于聚合物材料的禁帶寬、導(dǎo)帶窄，載流子在禁帶中傳導(dǎo)困難，只能在導(dǎo)帶與價帶中傳導(dǎo)，在恒定電場下極易產(chǎn)生空間電荷積聚，進(jìn)而導(dǎo)致局部電場畸變，嚴(yán)重時甚至引起絕緣擊穿，這是聚合物擠包絕緣用于直流電纜時存在的一個突出問題。

聚合物絕緣用于直流電纜的另一個顯著缺陷是最大電場轉(zhuǎn)移問題。在雷電沖擊或操作沖擊電壓等暫態(tài)情況下，其電場按介電常數(shù)（ε）分配[2]。直流電場下，空載或者恒定溫度時，主絕緣介質(zhì)中的電場按E=U/rln（R/r）分布，其中r 表示導(dǎo)體半徑，R 表示絕緣層半徑，U 表示絕緣層承受電壓，最大電場強(qiáng)度分布于導(dǎo)體表面；隨著半徑的增大，電場強(qiáng)度減小，絕緣表面的電場強(qiáng)度最小。負(fù)載時，隨著載荷的增大，溫度上升，電導(dǎo)率變大，電導(dǎo)率最大可增大3 個數(shù)量級，最大電場可能轉(zhuǎn)移至絕緣表面，而在超導(dǎo)電纜中，溫度變化通常在10K 之內(nèi)，甚至更小，溫度變化可以忽略。

2 HTS 直流電纜基本結(jié)構(gòu)

HTS 直流電纜和HTS 交流電纜結(jié)構(gòu)類似，從絕緣結(jié)構(gòu)方面，可以分為熱介質(zhì)絕緣HTS 電纜和低溫介質(zhì)絕緣HTS 電纜。

由于固體絕緣在低溫下的內(nèi)部應(yīng)力易引起開裂問題，低溫絕緣結(jié)構(gòu)HTS 直流電纜無法采用超過一定厚度的固體絕緣結(jié)構(gòu)，只能采用絕緣薄膜繞包結(jié)構(gòu)。薄膜繞包結(jié)構(gòu)在層與層之間存在間隙，當(dāng)絕緣層浸漬在液氮中時，液氮滲入絕緣層間隙，構(gòu)成固- 液復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)[3]。

根據(jù)前述麥克斯韋方程可知，HTS 直流電纜通電瞬間，電場強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比分布，有ε1·E1=ε2·E2，液氮的相對介電常數(shù)（ε=1.43）遠(yuǎn)大于空氣，而薄膜的相對介電常數(shù)通常在2.5 左右，例如纖維素紙的介電常數(shù)為2.21，這就使得液氮和薄膜絕緣層分界面上的電場突變減小，有利于減少局部放電；當(dāng)HTS直流電纜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，電場強(qiáng)度與電導(dǎo)率成反比分布，液氮的電導(dǎo)率為2×10-14S/m，絕緣薄膜的電導(dǎo)率通常在10-14S/m 左右，例如牛皮紙的電導(dǎo)率為2.44×10-14S/m，兩者的電導(dǎo)率接近，邊界處電場突變小，因此有利于電場均勻分布。

3 HTS 直流電纜用低溫絕緣材料

3.1 聚丙烯層壓紙

聚丙烯層壓紙（PPLP）是日本住友公司開發(fā)的以多孔紙漿材料、聚丙烯薄膜為原料壓制而成的絕緣材料。PPLP 具有較高的電氣強(qiáng)度、較低的介質(zhì)損耗、良好的浸漬性能，且在-196℃條件下仍具有較好的力學(xué)性能，是目前低溫絕緣超導(dǎo)電纜中最常用的絕緣材料。PPLP 在液氮溫度下的體積電阻率為2.9×1016Ω·cm，WJKIM 等研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的上升，PPLP 的體積電阻率下降，300K 時體積電阻率為1014Ω·cm，充電時間對PPLP 空間電荷聚集的影響不大，直流電壓下PPLP 的壽命指數(shù)高于交流電壓下的壽命指數(shù)。液氮溫度下PPLP 的介電常數(shù)為2.21，介質(zhì)損耗因數(shù)為8×10-4，直流擊穿強(qiáng)度為113.85kV/mm，其中直流擊穿強(qiáng)度比工頻擊穿強(qiáng)度高50% 左右。

3.2 聚酰亞胺

聚 酰 亞 胺（PI） 的 介 電 常 數(shù) 為3.0-3.2， 電 阻 率 為2.0×1017Ωcm，0.1% 直流擊穿強(qiáng)度為380kV/mm，是交流擊穿強(qiáng)度的1.9 倍。JKSEONG 等研究發(fā)現(xiàn)，PI 在均勻電場下的直流擊穿強(qiáng)度比非均勻強(qiáng)度下的直流擊穿強(qiáng)度高不到5%。直流擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)分散性較小，其絕緣性能較穩(wěn)定；溫度下降，PI 薄膜的擊穿強(qiáng)度顯著提高。沖擊電壓下，液氮中PI 薄膜的擊穿強(qiáng)度變化規(guī)律和PPLP 類似，隨著拉伸應(yīng)力的增大而減小，但減小幅度很小。直流電壓作用下，液氮中PI 薄膜在拉伸狀態(tài)下的擊穿強(qiáng)度隨著拉力的增加先增大后減小，但是變化不明顯，變化幅度明顯小于PPLP。說明PI 對拉伸應(yīng)力的適應(yīng)能力優(yōu)于PPLP，是一種適用于液氮環(huán)境的良好繞包絕緣材料。

4 結(jié)語

低溫絕緣HTS 直流電纜是HTS 電力電纜的發(fā)展方向，低溫絕緣結(jié)構(gòu)HTS 直流電纜的本體絕緣可以選擇液氮浸漬絕緣薄膜的繞包復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)；對低溫絕緣材料進(jìn)行納米復(fù)合改性和氟化處理，改善其耐電暈性能、耐局部放電性能，提高其電氣強(qiáng)度是低溫絕緣材料的研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向。