高溫超導(dǎo)電纜絕緣層材料及絕緣厚度基本設(shè)計原理

隨著電力需求的增加，電網(wǎng)擴容遇到的一系列瓶頸，高溫超導(dǎo)電纜盡管還遠未到產(chǎn)業(yè)化的地步，但正逐步成為一種新型的尤其是適用于短距離的輸電方式。高溫超導(dǎo)電纜的基本結(jié)構(gòu)包括：支撐體、超導(dǎo)輸電層、電氣絕緣層、屏蔽層、隔熱層及護套[1]。絕緣層作為整根電纜的電壓載體，對高溫超導(dǎo)電纜的電性能及壽命有重要影響。因此，對其使用的常規(guī)絕緣材料及設(shè)計原理進行了解非常有必要，使高溫超導(dǎo)電纜體現(xiàn)更好的穩(wěn)定性與安全性，發(fā)揮高溫超導(dǎo)電纜的最大優(yōu)勢。

一、材料的絕緣老化

絕緣層材料在使用一定年限后，因電場、應(yīng)力、溫度與濕度等因素的影響，性能會出現(xiàn)劣化，絕緣材料性能的劣化會直接影響電纜的性能，最終導(dǎo)致電纜絕緣失效，這種現(xiàn)象稱為“絕緣老化”。電老化、熱老化和機械老化是絕緣老化中最為主要的3種表現(xiàn)方式。

1.電老化

電老化是指在電場的長期作用下，導(dǎo)致絕緣材料發(fā)生的老化，主要包括由局部放電與電樹枝引起的老化。

局部放電是電力設(shè)備絕緣材料在電場作用下局部范圍內(nèi)發(fā)生的放電現(xiàn)象[2]。絕緣材料本體中含有雜質(zhì)、裂紋、空隙以及電場分布極不均勻時，容易產(chǎn)生局部放電。在高能電子的沖擊下，每次放電都會引起絕緣材料物理或化學(xué)的變化，最終導(dǎo)致絕緣材料發(fā)生老化甚至擊穿。此外，局部放電還會導(dǎo)致絕緣介質(zhì)損耗的增加。局部放電發(fā)生時，短期內(nèi)可能對電氣設(shè)備不會有影響，但隨著時間的增加局部放電對絕緣的危害將逐漸增加。

固體絕緣材料被高壓電場擊穿后，會發(fā)現(xiàn)類似于樹枝狀分布的擊穿痕跡，又稱之為“電樹枝”。在電場的持續(xù)作用下，電樹枝會不斷延伸，形成極小的裂紋或中空管，從而導(dǎo)致材料的電性能劣化。樹枝狀放電也是局部放電的一種。

2.熱老化

熱老化指的是絕緣材料在熱量的作用下導(dǎo)致的電性能的劣化，本質(zhì)上屬于化學(xué)老化。熱老化中熱量的來源主要有外部環(huán)境、設(shè)備產(chǎn)生的升溫、放電導(dǎo)致的熱量的變化。目前，通常采用高分子材料作為絕緣材料，在熱量的作用下，高分子材料容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要是氧化反應(yīng)，為了抑制化學(xué)反應(yīng)進行，提高材料的使用壽命，最常規(guī)的做法是在高分子材料中添加滿足要求的添加劑。研究表明，熱老化除了導(dǎo)致絕緣材料電性能下降外，還會降低絕緣材料的機械性能。

3.機械老化

機械老化是電纜在制造、安裝、運行過程中受到各種機械應(yīng)力的作用而導(dǎo)致的老化。絕緣材料在機械力的作用下，可能會產(chǎn)生各種微觀裂紋，這些裂紋有可能成為局部放電的引發(fā)點，最終導(dǎo)致絕緣材料失效，導(dǎo)致電氣設(shè)備故障。

以上3種材料老化現(xiàn)象最終的結(jié)果均是導(dǎo)致絕緣擊穿，可用“電擊穿”、“熱擊穿”理論進行解釋[3]：①電擊穿，在電場達到一定程度時，絕緣材料中的電子數(shù)量急劇增加，電子放電導(dǎo)致絕緣材料擊穿；②熱擊穿，絕緣材料被施加電壓后，由于雜質(zhì)等因素的影響，材料中有微電流通過，產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致?lián)舸虎蹤C械電擊穿，絕緣材料在機械力的作用下產(chǎn)生損傷，損傷點成為電擊穿點導(dǎo)致材料擊穿。機械電擊穿屬于電擊穿的一種。

導(dǎo)致絕緣材料擊穿的原因是多種多樣的，常見原因有：材料不均勻、存在氣孔、裂紋、雜質(zhì)以及有凸點等。

二、絕緣材料的類別及性能

常規(guī)電力設(shè)備的絕緣分為固體、液體和氣體絕緣。對于室溫高溫超導(dǎo)電纜，其電絕緣層處于常溫下，所以設(shè)計原理、制備工藝及所用材料與常規(guī)電力電纜相似，常用材料有聚氯乙烯（PVC）、交聯(lián)聚乙烯（XLPE）、乙丙烯橡膠（EPR）、硅橡膠（SR）、和氟塑料等[4]。

1.常規(guī)絕緣材料

（1）PVC

PVC是由氯乙烯在引發(fā)劑作用下聚合而成的熱塑性樹脂。PVC有較好的機械性能及優(yōu)異的介電性能。但對光和熱敏感，在100℃以上或經(jīng)長時間陽光曝曬，就會分解而產(chǎn)生氯化氫，并進一步自動催化分解，引起變色，物理、機械性能也迅速下降。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，PVC制造及加工技術(shù)已非常成熟，在電線電纜領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于燃燒時釋放氯化氫及致癌物，也限制了其應(yīng)用。目前PVC主要應(yīng)用在家用電器、照明、儀器儀表、交流額定電壓在1kV及以下電壓等級中。

（2）XLPE

XLPE是在聚乙烯（PE）基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種材料，即通過交聯(lián)反應(yīng)，使PE分子從二維結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。與PE相比，材料的化學(xué)物理特性及耐溫耐壓性能均得到了顯著的提高。

在電線電纜領(lǐng)域，XLPE主要有3類，具體來說包括化學(xué)交聯(lián)的過氧化物交聯(lián)與硅烷交聯(lián)，以及輻射交聯(lián)。

①過氧化物交聯(lián)：采用有機過氧化物為交聯(lián)劑，在一定溫度下分解產(chǎn)生游離基，這些游離基與碳鏈結(jié)合，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該法適用于高壓、大截面大長度電纜的生產(chǎn)。

②硅烷交聯(lián)：利用乙烯基硅烷在引發(fā)劑的作用下與熔融的聚合物反應(yīng)，再在硅烷醇類催化劑的作用下，遇水水解，從而形成網(wǎng)狀的氧烷鏈交聯(lián)結(jié)構(gòu)。該法適用于低壓、小尺寸小規(guī)格電纜的生產(chǎn)。

③輻射交聯(lián)：用γ射線或其它高能射線照射，引發(fā)PE大分子產(chǎn)生自由基，形成碳—碳（C-C）交聯(lián)鏈。適用于絕緣厚度不太大、耐高溫阻燃電纜的生產(chǎn)。

與PE相比，XLPE的機械、耐老化、耐溶劑性均得到了提高，可長期工作在120～150℃，短時耐溫超過200℃。目前，XLPE主要用于礦業(yè)、船舶及機車用電線電纜。XLPE的缺點是在超過額定溫度下使用時，XLPE會變軟，容易導(dǎo)致電線之間短路。

（3）EPR

EPR分為二元和三元，前者以單烯烴乙烯、丙烯共聚而成，后者以乙烯、丙烯及少量非共軛雙烯為單體共聚而制得。EPR具有優(yōu)異的耐老化性及耐腐蝕性，對如醇、酸、堿、氧化劑、制冷劑、洗滌劑、動植物油、酮和脂等極性化學(xué)品具有較好的抗耐性；同時具有優(yōu)異的電絕緣性能和耐電暈性，電性能優(yōu)于丁苯橡膠（SBR）和XLPE；缺點是抗撕裂能力差。EPR可長期使用在120℃下，在150～200℃可短暫或間歇使用，目前主要應(yīng)用于汽車、醫(yī)療及一般電器的內(nèi)部布線。

（4）SR

SR是由硅-氧鍵連成的聚合物。具有優(yōu)異的介電性和耐老化性。SR最突出的性能是使用溫度寬廣，能在-60～250℃下長期使用。但其抗張強度和抗撕裂等機械性能較差，同時耐溶劑性能欠佳，在常溫下其物理機械性能不及大多數(shù)合成橡膠，因此SR一般只在特定場合使用。

（5）氟塑料

氟塑料是部分或全部氫被氟取代的鏈烷烴聚合物，包括聚四氟乙烯（PTFE）、全氟（乙烯丙烯）共聚物（FEP）、聚全氟烷氧基（PFA）樹脂、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。氟塑料熱穩(wěn)定好，可長期在150～250℃環(huán)境下工作，柔韌性好，可用于超薄壁電纜的生產(chǎn)；缺點是材料成本高、制造工藝困難、效率低。

常規(guī)絕緣材料一般為高分子材料，所以擠塑絕緣是最常見的生產(chǎn)工藝。

2.冷絕緣超導(dǎo)電纜用絕緣材料

冷絕緣超導(dǎo)電纜運行時，絕緣層處于液氮溫度下（-196℃），常規(guī)的XLPE、EPR絕緣材料由于應(yīng)力開裂，無法在此溫度下使用。冷絕緣超導(dǎo)電纜用絕緣材料主要是復(fù)合型材料，一般采用繞包工藝進行制造。典型復(fù)合材料有：聚丙烯層壓紙（PPLP）、芳香聚酰胺紙（Nomex）和聚酰亞胺（PI）。

（1）PPLP

PPLP由多孔的2層牛皮紙和1層PP膜壓制而成，成“三明治”幾何結(jié)構(gòu)。PPLP具有較高的介電強度及較低的介質(zhì)損耗，且在-196℃條件下仍具有較好的機械性能，是目前冷絕緣超導(dǎo)電纜中最為常用的絕緣材料。PPLP在液氮溫度下的介電常數(shù)、介電強度和介質(zhì)損耗分別為2.21、40～45kV/mm、8×10-4。

（2）Nomex

Nomex是美國杜邦公司生產(chǎn)的一種聚酯3層復(fù)合膜。除結(jié)構(gòu)與PPLP相似外，Nomex在液氮溫度下也具有優(yōu)異的電氣和機械性能。此外，Nomex熱穩(wěn)定性好，非常耐酸堿腐蝕，在液氮溫度下的介電常數(shù)、介電強度和介質(zhì)損耗分別為3.1、35kV/mm、5×10-10。

（3）PI

以酰亞胺基為重復(fù)單元的一類聚合物，是綜合性能最佳的有機高分子材料之一，可長期工作在-200～300℃溫度下，短期耐高溫度達到400℃，在液氦溫度下（-269℃）不會發(fā)生脆斷，其在液氮溫度下的介電常數(shù)、介電強度和介質(zhì)損耗分別為3.1、150kV/mm、

10-3～10-4。

冷絕緣超導(dǎo)電纜采用繞包絕緣時，繞包層之間的空隙容易引起局部放電?？障短畛湟旱?，會提高局部放電的起始電壓。因此，為平滑電場，冷絕緣超導(dǎo)電纜通常選用介電常數(shù)較小的PPLP作為絕緣層材料。

三、絕緣層的設(shè)計原理

絕緣層是承擔(dān)電纜電壓的載體，絕緣層厚度不夠，運行時可能被電壓擊穿，導(dǎo)致整根電纜失效；厚度過大，又會導(dǎo)致電纜尺寸過大，成本過高。因此，對絕緣層進行合理的設(shè)計非常有必要。室溫超導(dǎo)電纜絕緣層設(shè)計與常規(guī)電纜相似，在此僅介紹冷絕緣超導(dǎo)電纜絕緣層的設(shè)計原理。由于冷絕緣超導(dǎo)電纜的絕緣層工作于液氮中，所以設(shè)計時必須考慮材料的老化、溫度的影響以及安全裕度。

材料的老化：超導(dǎo)電纜在運行過程中，受到溫度、濕度、電場、機械力及外界環(huán)境的作用，使絕緣材料的質(zhì)量逐漸下降，最終導(dǎo)致絕緣失效，因此必須考慮材料的老化情況，老化系數(shù)К1一般在1～4取值。

溫度系數(shù)К2：冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的絕緣層長期穩(wěn)定運行在液氮溫度下，所以К2一般取1。

安全裕度К3：為保證高溫超導(dǎo)電纜的安全運行，在設(shè)計時通常會考慮安全系數(shù)，К3一般取值為1～1.5。

冷絕緣超導(dǎo)電纜的絕緣層（以PPLP為例）有2種設(shè)計方式[5]：

timp：根據(jù)沖擊電壓計算所得絕緣厚度；Vimp：系統(tǒng)沖擊電壓；К1：沖擊電壓老化系數(shù)；К2：沖擊電壓溫度系數(shù)；К3：沖擊電壓安全裕度；Eimp：最小沖擊擊穿強度。

ta c：根據(jù)平均工頻電壓計算所得絕緣厚度；Va c：最高工作電壓；К1：交流電壓老化系數(shù)；К2：交流電壓溫度系數(shù)；К3：交流電壓安全裕度；Ea c：工頻電壓最小擊穿強度。

四、結(jié)語

高溫超導(dǎo)電纜的特性是低電壓大電流，特殊性是運行時必須使用液氮作為制冷劑。冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜作為目前發(fā)展的主流，絕緣層工作于液氮溫度下，對材料要求很高。為了保證超導(dǎo)電纜的運行可靠性及壽命，必須對絕緣層用材料進行合理的選擇，同時根據(jù)運行條件的要求，設(shè)計合理的絕緣厚度；在采用繞包方式制備絕緣層時，必須避免絕緣層材料產(chǎn)生褶皺及凸點，降低產(chǎn)生局部放電的可能性?？傊?，在高溫超導(dǎo)電纜中，絕緣層的設(shè)計是整個電纜設(shè)計中的重點與難點，其設(shè)計與制造的合理與否，決定了電纜的能效與壽命。

參考文獻

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