超導(dǎo)電纜絕緣材料的研究與應(yīng)用

竇富起++葉新羽

摘 要：超導(dǎo)材料具有零電阻特性和完全抗磁性，使用超導(dǎo)材料作為導(dǎo)體的超導(dǎo)電纜具有大容量、低損耗的特點(diǎn)。按照絕緣結(jié)構(gòu)不同，超導(dǎo)電纜可以分為室溫絕緣和冷絕緣兩種，由于工作溫區(qū)的差異需要選用適合的絕緣材料。文章在國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹了超導(dǎo)電纜絕緣材料的研究進(jìn)展，并對其發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)電纜；絕緣材料；絕緣性能

中圖分類號：TM21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0191-02

1 概述

超導(dǎo)材料獨(dú)特的零電阻特性和完全抗磁性，使其在強(qiáng)電、弱電、軌道交通等諸多領(lǐng)域應(yīng)用前景良好。至今，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了包括元素、合金和化合物在內(nèi)的超過2000種超導(dǎo)體，應(yīng)用較多的是以鈮鈦、鈮三錫為代表的低溫超導(dǎo)材料和以鉍系、釔系銅氧化物為代表的高溫超導(dǎo)材料。低溫超導(dǎo)材料臨界轉(zhuǎn)變溫度較低，需要使用價(jià)格昂貴的液氦作為制冷劑；高溫超導(dǎo)材料可以使用價(jià)格低廉的液氮作為制冷劑，實(shí)用性得到了極大提高。使用高溫超導(dǎo)材料作為導(dǎo)體的超導(dǎo)電纜具有大容量、低損耗、環(huán)境友好等特點(diǎn)，可以有效替代以銅為主要輸電媒介的傳統(tǒng)輸電線纜，對于城市電網(wǎng)建設(shè)具有重要意義。

高溫超導(dǎo)電纜根據(jù)其絕緣介質(zhì)的工作溫度可以分為室溫絕緣和冷絕緣兩種[1]。室溫絕緣電纜是將電絕緣層置于低溫恒溫器之外，其工作溫度在室溫范圍，因此可以選用可靠性較高的常規(guī)電纜絕緣材料。冷絕緣超導(dǎo)電纜以超導(dǎo)材料作為磁屏蔽層，可以減小渦流損耗，降低運(yùn)行成本；但是由于工作環(huán)境為液氮溫區(qū)，因此對于絕緣材料的低溫綜合性能要求很高。

2 室溫絕緣超導(dǎo)電纜

室溫絕緣超導(dǎo)電纜通常使用的絕緣材料有聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯和乙丙橡膠等。對于室溫絕緣超導(dǎo)電纜，一般采用擠包型絕緣，擠包型絕緣可以減少絕緣中間隙，降低局部放電。

2.1 交聯(lián)聚乙烯

聚乙烯經(jīng)高能射線輻照或添加交聯(lián)劑可以得到交聯(lián)聚乙烯。與聚乙烯相比，交聯(lián)聚乙烯的耐老化性能、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能更好，脆化溫度低于聚乙烯（交聯(lián)聚乙烯：-76°C，聚乙烯：-70°C）。交聯(lián)聚乙烯的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值和聚乙烯相近，而絕緣電阻較大。在室溫條件下，交聯(lián)聚乙烯的電阻率高于1016Ω·cm，介電常數(shù)為2.3，介質(zhì)損耗角正切值為5.0×10-4[2]。

2.2 乙丙橡膠

乙丙橡膠是由乙烯和丙烯共聚成的二元共聚物。在室溫條件下，乙丙橡膠的電阻率為1015～1016Ω·cm，介電常數(shù)為2.6，介質(zhì)損耗角正切值為4.0×10-3[2]。相比于聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯，乙丙橡膠在室溫和液氮溫度下的介質(zhì)損耗較大。但是，乙丙橡膠的低溫機(jī)械性能好于聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯，在液氦溫度下也不會開裂。

3 冷絕緣超導(dǎo)電纜

用于冷絕緣超導(dǎo)電纜的絕緣材料主要為聚酰亞胺、聚芳酰胺紙和聚丙烯層壓紙。其中，聚丙烯層壓紙?jiān)谝旱獪囟认碌木C合性能較為理想，目前成為冷絕緣超導(dǎo)電纜首選的絕緣材料。對于冷絕緣超導(dǎo)電纜，一般采用繞包型絕緣。繞包型絕緣的介質(zhì)損耗較小，而且由于其絕緣層間浸有液氮，可以有效降低局部放電量。2005年之后，更多的研究圍繞冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜展開，表1中列出了相關(guān)研究項(xiàng)目。

3.1 聚酰亞胺

聚酰亞胺是以四羧酸二酐和芳香二胺單體為原料，通過酰胺化和亞胺化合成的聚合物。聚酰亞胺薄膜在室溫到液氦溫度范圍內(nèi)的介電常數(shù)在3.0～3.2之間，介質(zhì)損耗角正切值在10-4～10-3之間，在液氮溫度下的電阻率為2.0×1017Ω·cm，擊穿場強(qiáng)高于150kV/mm[2]。同時(shí)，聚酰亞胺還具有較好的耐電暈性和抗張強(qiáng)度。但聚酰亞胺的介電常數(shù)相對較高，通過引入氟原子、脂肪族結(jié)構(gòu)單元、硅氧基團(tuán)可以不同程度地降低其介電常數(shù)。

3.2 聚芳酰胺紙

聚芳酰胺紙（Nomex）由杜邦公司研制，以聚間苯二甲酰間苯二胺短纖維和漿粕纖維為原料，通過濕法抄紙、干燥熱軋制得。Nomex在液氮溫度下的介電常數(shù)為3.1，介質(zhì)損耗角正切值為1.0×10-3，擊穿場強(qiáng)為35kV/mm[2]。我國自主生產(chǎn)的間位芳綸絕緣紙（芳綸1313）生產(chǎn)技術(shù)基本成熟，但在均勻性和強(qiáng)度方面尚有不足。

3.3 聚丙烯層壓紙

聚丙烯層壓紙（PPLP）是日本住友開發(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。在液氮溫度下，PPLP的電阻率為2.9×1016Ω·cm，介電常數(shù)為2.21，介質(zhì)損耗角正切值在1.0×10-4以下，擊穿場強(qiáng)達(dá)到103.78kV/mm[2]。此外，PPLP在低溫下還具有良好的機(jī)械性能和絕緣性能，是一類適合于冷絕緣超導(dǎo)電纜的絕緣材料。

4 復(fù)合絕緣材料

復(fù)合絕緣材料各相之間具有協(xié)同效應(yīng)，可以彌補(bǔ)單一材料的性能不足。目前，復(fù)合絕緣材料主要包括以聚乙烯、聚酰亞胺等為基體，二氧化硅、氧化鋁為無機(jī)填料的復(fù)合材料。

4.1 聚乙烯基復(fù)合材料

聚乙烯內(nèi)部積聚的空間電荷會引起樹枝化等絕緣老化現(xiàn)象，通過添加無機(jī)填料可以吸引、捕獲載流子，使得絕緣中的載流子密度可以均勻分布，從而消除空間電荷。在工作溫度范圍之內(nèi)（70°C～90°C），聚乙烯/蒙脫土納米復(fù)合材料[3]的電阻率為（2.0～10.0）×1016Ω·cm，高于相同溫度范圍內(nèi)聚乙烯的電阻率。蒙脫土具有高表面能，載流子在遷移過程中為界面所捕獲，載流子遷移率的降低使得復(fù)合絕緣材料的電阻率增加。在低密度聚乙烯中填充不同含量的納米二氧化硅[4]，可以有效提高聚乙烯的擊穿場強(qiáng)，而且隨著納米二氧化硅含量的增加，復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)呈升高趨勢。無機(jī)納米粒子的添加使聚乙烯內(nèi)部的分子之間形成較強(qiáng)的相互作用，使載流子在復(fù)合材料中均勻分布，對載流子輸運(yùn)的限制提高了材料的擊穿場強(qiáng)。

4.2 聚酰亞胺基復(fù)合材料

聚酰亞胺具有較好的耐電暈性，但是還不能滿足實(shí)際的應(yīng)用要求，通過添加無機(jī)納米顆?？墒蛊淠碗姇炐缘玫竭M(jìn)一步提高。衷敬和[5]采用溶膠-凝膠法制備了聚酰亞胺/二氧化硅復(fù)合薄膜并對其絕緣性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著二氧化硅含量的增加，復(fù)合薄膜的電阻率略有下降；但與聚酰亞胺薄膜相比，摻雜后的復(fù)合薄膜具有更好的耐電暈性。二氧化硅的添加可以使聚酰亞胺分子之間形成連接，有助于局部電荷的轉(zhuǎn)移，從而避免電荷積聚引起的電暈擊穿。王曉琳[6]制備了聚酰亞胺/二氧化硅-氧化鋁復(fù)合薄膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在二氧化硅含量為20wt%時(shí)，復(fù)合薄膜的耐電暈時(shí)間為26.4h，為聚酰亞胺薄膜的14倍。

5 結(jié)論和展望

超導(dǎo)材料在強(qiáng)電領(lǐng)域的應(yīng)用，有望克服世界范圍內(nèi)日益嚴(yán)重的能源短缺問題。對于高溫超導(dǎo)電纜而言，絕緣材料的研究和應(yīng)用是其實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一。在室溫和液氮溫度下，交聯(lián)聚乙烯和聚丙烯層壓紙分別具有較為理想的綜合性能，適用于超導(dǎo)電纜本體的絕緣要求。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高絕緣材料的性能，制備聚合物/納米粉體復(fù)合材料是有效途徑之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]信贏，任安林，洪輝，等.超導(dǎo)電纜[M].北京：中國電力出版社，2013.

[2]王銀順.超導(dǎo)電力技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3]吉泉泉.聚乙烯/蒙脫土納米復(fù)合材料介電參數(shù)的溫度特性[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2008.

[4]蘭莉，吳建東，紀(jì)哲強(qiáng)，等.納米SiO2/低密度聚乙烯復(fù)合介質(zhì)的擊穿特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（13）：138-143.

[5]衷敬和.無機(jī)納米雜化聚酰亞胺薄膜的制備及性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2005.

[6]王曉琳.PI/SiO2-Al2O3納米復(fù)合薄膜的制備與性能[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2009.endprint