聚丙烯層壓紙絕緣電纜發(fā)展現(xiàn)狀

陳卓正，李華強(qiáng)，鐘力生

（西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

0 引言

電力電纜是城市用電以及遠(yuǎn)距離跨海輸電的重要組成部分，電力電纜的安全可靠運(yùn)行是輸電穩(wěn)定性的重要保障[1-5]。通常電力電纜可以分為擠包絕緣電纜和繞包絕緣電纜，如常用的交聯(lián)聚乙烯（crosslinked polyethylene，XLPE）電纜和充油電纜等。20世紀(jì)70年代初日本住友公司開(kāi)發(fā)出聚丙烯層壓紙（polypropylene laminated paper，PPLP）作為充油電纜復(fù)合絕緣材料，PPLP有效結(jié)合了固體絕緣材料的力學(xué)性能與液體絕緣材料的自恢復(fù)特性，具有良好的絕緣性能與力學(xué)性能[6-8]。

海洋風(fēng)力資源是公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)綠色能源，世界上許多國(guó)家都在大力開(kāi)展海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)[9-12]。但海上風(fēng)電資源一般集中在離岸較遠(yuǎn)的深海區(qū)域，同時(shí)為了降低輸電損耗，研發(fā)高電壓、長(zhǎng)距離的跨海輸電海纜已成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[13-14]。盡管聚合物電纜越來(lái)越多地應(yīng)用于海纜輸電領(lǐng)域，但由于其存在的空間電荷效應(yīng)，直流工況下長(zhǎng)時(shí)間工作仍有可能出現(xiàn)絕緣問(wèn)題。目前我國(guó)高電壓、長(zhǎng)距離XLPE 海纜的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，XLPE 電纜絕緣料主要依賴進(jìn)口，因此在高壓直流應(yīng)用中PPLP 電纜仍然是一種可行的替代方案。研究PPLP 電纜作為XLPE 擠包絕緣電纜的有效補(bǔ)充，對(duì)于開(kāi)發(fā)我國(guó)海上風(fēng)力資源具有重要意義。

在電力傳輸過(guò)程中能量的損耗不可避免。由銅芯或鋁芯制成的傳統(tǒng)電纜在傳輸過(guò)程中的線損約為15%，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年電力傳輸過(guò)程中的線損就超過(guò)數(shù)百億千瓦時(shí)[15]。為了提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)節(jié)約能源，降低輸電過(guò)程中的電能損耗一直是電力行業(yè)重要的研究方向[16-17]。超導(dǎo)技術(shù)的出現(xiàn)大幅降低了輸電過(guò)程中的能量損耗，使零損耗輸電成為可能[18-21]。高溫超導(dǎo)（high temperature superconduc‐tivity，HTS）電纜是一種基于高溫超導(dǎo)技術(shù)（臨界溫度高于77 K），可以實(shí)現(xiàn)大容量、低損耗電能傳輸?shù)碾娎|。HTS 電纜的絕緣方式可以分為室溫絕緣與低溫（冷）絕緣兩種形式[22-23]。冷絕緣HTS 電纜是絕緣材料工作在液氮溫度下（約77 K）的HTS 電纜。研究發(fā)現(xiàn)，PPLP在液氮環(huán)境中具有比常溫環(huán)境中更優(yōu)秀的電氣性能，十分適合作為冷絕緣HTS 電纜的絕緣材料[24-25]，近年來(lái)國(guó)際上出現(xiàn)了許多針對(duì)PPLP在低溫環(huán)境下的介電性能以及采用PPLP 為主絕緣材料的冷絕緣HTS電纜的相關(guān)研究。

本文綜述國(guó)內(nèi)外針對(duì)PPLP 材料在交流、直流條件下電氣性能的研究進(jìn)展，以及采用PPLP 作為主絕緣材料的高壓電纜和冷絕緣HTS 電纜的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望其發(fā)展趨勢(shì)。

1 PPLP絕緣材料及PPLP電纜結(jié)構(gòu)

PPLP 是一種由牛皮紙（kraft paper）與聚丙烯（polypropylene，PP）薄膜復(fù)合而成的絕緣材料。采用在兩層牛皮紙中間夾入PP 薄膜的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。PPLP不僅具有PP材料優(yōu)良的電氣性能，在浸漬絕緣油的條件下運(yùn)行還具有液體絕緣的自修復(fù)特性。與傳統(tǒng)牛皮紙絕緣相比，這種結(jié)構(gòu)具有更高的交流、脈沖和直流電氣強(qiáng)度以及更低的介質(zhì)損耗。

圖1 PPLP結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of PPLP

PPLP 高壓電纜一般由銅芯、油道、PPLP 絕緣層、鉛包等部分組成。對(duì)于海纜還會(huì)增加金屬鎧裝層、防蟲(chóng)層等結(jié)構(gòu)來(lái)提高電纜抵御海底環(huán)境、生物影響的能力。圖2 為廈門220 kV 春闈Ⅱ路海底電纜工程采用的一種PPLP 絕緣復(fù)合光纖電纜的斷面圖。該海纜是由銅單芯、鉛包、徑向加強(qiáng)層、回流導(dǎo)體、PE 防腐蝕層、單粗圓鋼絲鎧裝等結(jié)構(gòu)組成的自容式充油電纜[26]。

圖2 220 kV自容式充油PPLP絕緣復(fù)合光纖電纜斷面圖Fig.2 Diagram of 220 kV self-contained oil-filled PPLP insulated composite optical fiber cable

HTS 電纜的結(jié)構(gòu)與普通PPLP 充油電纜不同，通常由導(dǎo)體、冷卻系統(tǒng)、絕緣材料和低溫下的高壓絕緣等部分組成，大多采用單相或三相平行軸以及三相同軸的結(jié)構(gòu)，一般結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 冷絕緣HTS直流電纜基本結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Basic structure diagram of cold insulated HTS DC cable

2 PPLP的介電、理化特性

2.1 常溫PPLP的電氣性能

20 世紀(jì)70年代末，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始關(guān)注PPLP的介電性能并開(kāi)展許多研究。常憲民等[6]對(duì)十二烷基苯（DDB）浸漬條件下的PPLP 材料研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下油浸PPLP 的介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）只有油浸紙tanδ的一半，相對(duì)介電常數(shù)εr則由3.5～3.6降低至2.6左右，減小了約28%；PPLP的交流電氣強(qiáng)度較傳統(tǒng)超高壓電纜紙可以提高15%以上，直流電氣強(qiáng)度可以提高30%以上。增大油壓可以有效提高電氣強(qiáng)度，在15 kg/cm2壓力下的交流電氣強(qiáng)度較常壓下提高80%，但這種方法無(wú)法明顯提高直流電氣強(qiáng)度；在6 kg/cm2的油壓下通過(guò)疊加多層PPLP 材料，發(fā)現(xiàn)PPLP 的厚度對(duì)交流瞬時(shí)擊穿性能的影響是非線性的，球-板電極下的工頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，隨著厚度的增加，其對(duì)交流擊穿電壓的影響減弱，薄層強(qiáng)化效應(yīng)明顯。周紹昌[7]研究了不同溫度下PPLP 介質(zhì)損耗因數(shù)的變化情況，發(fā)現(xiàn)在20℃下PPLP 的tanδ比普通絕緣紙降低了50%～60%，在80℃下降低了70%。

圖4 工頻球板電極下不同厚度PPLP的電氣強(qiáng)度Fig.4 The electric strength of PPLP with different thickness under power frequency and spherical plate electrode

CHEN G 等[27]在60℃溫度下分別測(cè)量了牛皮紙、聚丙烯和PPLP 的直流電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)三者的直流電導(dǎo)率均處于10-15～10-16S/cm 數(shù)量級(jí)。DDB 浸漬的牛皮紙與聚丙烯薄膜的電導(dǎo)率均隨著外加電壓的增大而增大，但DDB 浸漬的PPLP 電導(dǎo)率卻基本不受外加電壓的影響。作者認(rèn)為該現(xiàn)象是牛皮紙與聚丙烯之間的界面阻礙了載流子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的；研究還發(fā)現(xiàn)，施加相同的外加電場(chǎng)，60℃溫度下正負(fù)電荷的注入與衰減速度均明顯高于室溫下電荷的注入與衰減速度。

PPLP 材料在常溫下的電氣性能明顯優(yōu)于普通的超高壓電纜紙。相比于常用的XLPE 材料，在直流工況下PPLP 的電導(dǎo)特性似乎不受電壓的影響，使得PPLP 在柔性直流輸電領(lǐng)域可能會(huì)得到更好的應(yīng)用。

2.2 低溫PPLP的電氣性能

冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的絕緣材料要求在液氮條件下具有良好的性能。王之瑄等[28]對(duì)普通電纜紙、PPLP、聚酰亞胺薄膜與LDPE 薄膜4種材料在液氮溫度下的絕緣性能進(jìn)行比較，認(rèn)為PPLP 是最適合冷絕緣超導(dǎo)電纜的絕緣材料，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。雖然LDPE 在低溫下的電氣性能優(yōu)異，但這一溫度下其力學(xué)性能較差。日本豐橋技術(shù)大學(xué)曾對(duì)2 mm 厚擠包LDPE 絕緣HTS 電纜進(jìn)行測(cè)試，在冷卻過(guò)程中由于LDPE 與低溫金屬容器的收縮率不同，導(dǎo)致LDPE 在170 K 左右產(chǎn)生裂紋[29]。PPLP 因其在液氮中具有良好的浸漬性、力學(xué)性能和電氣性能，被廣泛應(yīng)用于冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的主絕緣[30]。

表1 液氮溫度下4種絕緣材料的比較Tab.1 Comparison of four insulating materials at liquid nitrogen temperature

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液氮條件下PPLP 的電氣性能進(jìn)行了廣泛的研究。LI W 等[31]分別在空氣與液氮條件下利用柱-板電極對(duì)PPLP 薄片的擊穿特性進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)液氮條件下PPLP 的交流電氣強(qiáng)度和直流電氣強(qiáng)度都較常規(guī)條件下有一定的提高，結(jié)果如表2 所示。DU H 等[32]研究了不同電壓測(cè)試方案下PPLP樣品在室溫和低溫下的擊穿特性，發(fā)現(xiàn)相同實(shí)驗(yàn)條件下，無(wú)論交流電壓還是直流電壓，PPLP 樣品低溫下的電氣強(qiáng)度均高于常溫下的電氣強(qiáng)度，PPLP樣品在直流電壓下的電氣強(qiáng)度幾乎是交流電壓下的2 倍，這與LI W 等得出的結(jié)論基本一致。W J KIM 等[33]對(duì)不同溫度下PPLP 片材的體積電阻率進(jìn)行了測(cè)量，將帶保護(hù)電極的PPLP 浸漬在液氮（77 K）、液氬（87 K）與硅油（300 K）中，利用高壓直流試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)在電壓0.5～10 kV 下1 min 的泄漏電流來(lái)估算其體積電阻率，發(fā)現(xiàn)77 K 液氮環(huán)境下PPLP片材的體積電阻率約為1014Ω·m，且隨著溫度升高，材料的體積電阻率降低；在300 K 硅油環(huán)境下體積電阻率約為1012Ω·m。I KWON 等[34]對(duì)比測(cè)試了液氮條件下PPLP 與牛皮紙的電導(dǎo)率，結(jié)果如表3 所示，單層、雙層和四層PPLP 與牛皮紙?jiān)嚇拥碾妼?dǎo)率受試樣層數(shù)的影響較小，變化率為7%左右，而牛皮紙的電導(dǎo)率大約是PPLP的3.25倍。

表2 空氣與液氮條件下PPLP的擊穿特性Tab.2 Breakdown characteristics of PPLP in air and liquid nitrogen

表3 液氮條件下PPLP與牛皮紙的電導(dǎo)率Tab.3 Conductivity of PPLP and kraft paper in liquid nitrogen

彭暢等[35]測(cè)試了液氮環(huán)境下PPLP的擊穿特性，采用三參數(shù)Weibull分布處理得到0.1%Weibull分布概率對(duì)應(yīng)的PPLP 直流電氣強(qiáng)度為74.88 kV/mm，雷電沖擊電氣強(qiáng)度為67.60 kV/mm。

PPLP在低溫下具有優(yōu)異的電氣性能，價(jià)格也相對(duì)較低，在超導(dǎo)電纜絕緣領(lǐng)域具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著未來(lái)超導(dǎo)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超導(dǎo)電纜工程的不斷建設(shè)，PPLP預(yù)計(jì)會(huì)被更多地應(yīng)用在超導(dǎo)電纜上。

2.3 PPLP的空間電荷效應(yīng)

近年來(lái)，對(duì)遠(yuǎn)距離高功率傳輸?shù)木薮笮枨笸苿?dòng)了高壓直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展。相比交流輸電技術(shù)，直流輸電技術(shù)更適合長(zhǎng)距離、大容量的電能輸送[36]。在超導(dǎo)電纜中，HTS 交流電纜系統(tǒng)的損耗約為傳統(tǒng)電纜的50%～60%，而HTS 直流電纜則可以降到20%左右，具有損耗更低、尺寸更緊湊、容量更大等優(yōu)點(diǎn)。在聚合物絕緣電纜中，絕緣料中空間電荷的形成和電荷動(dòng)力學(xué)對(duì)高壓直流電纜的高效可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，研究PPLP 的空間電荷效應(yīng)對(duì)發(fā)展PPLP直流電纜具有重要意義。

目前，關(guān)于XLPE 電纜絕緣中的電荷特性研究已經(jīng)較為完善，但對(duì)PPLP 復(fù)合絕緣材料中的電荷特性認(rèn)識(shí)還存在不足。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PPLP的空間電荷效應(yīng)做了一些研究。CHEN G 等[27]利用電聲脈沖技術(shù)（PEA）對(duì)單層和多層PPLP 的電荷動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)PPLP 施加8 kV/mm 的外加電場(chǎng)并進(jìn)行電場(chǎng)演變測(cè)試。圖5為在不同的測(cè)試時(shí)間內(nèi)一層PPLP 上的空間電荷密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律，在多層PPLP 絕緣系統(tǒng)中各層PPLP 仍遵循這一規(guī)律。從圖5 可以看到，在50 min 時(shí)PP 上的電場(chǎng)幾乎加倍，而牛皮紙上的電場(chǎng)顯著降低，由此得出結(jié)論：牛皮紙與PP的界面起到阻礙載流子運(yùn)動(dòng)的屏障作用。作者認(rèn)為這種電場(chǎng)分布是十分理想的，施加在PP上的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增加，由于PP 的電學(xué)性能更強(qiáng)，可以承受更大的電場(chǎng)而不發(fā)生劣化。XU Z等[40]研究了PPLP樣品在不同浸漬條件下的空間電荷行為，發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)牛皮紙層的電荷動(dòng)力學(xué)有較大影響，但對(duì)PP 層的電荷動(dòng)力學(xué)影響不大；水分含量主要通過(guò)改變可用載流子的數(shù)量來(lái)影響空間電荷行為，較高的含水量會(huì)導(dǎo)致大量的電離衍生空間電荷，并以較高的遷移率遷移。低黏度的浸漬劑具有較強(qiáng)的吸濕性，導(dǎo)致較高的電荷遷移率，而使用高黏度的浸漬劑時(shí)，電荷的遷移率明顯降低。XU Z 等[41]還研究了40 kV/mm 外加電場(chǎng)作用下PPLP 的空間電荷行為，結(jié)果在PP 中發(fā)現(xiàn)了快速移動(dòng)的同性電荷注入，注入電荷和電離電荷可以被DDB 浸漬狀態(tài)下的牛皮紙捕獲，圖6 為PPLP 中的電荷流向示意圖。W J KIM 等[33]研究發(fā)現(xiàn)空間電荷密度隨著直流電壓逐漸增大，而空間電荷的積累對(duì)充電時(shí)間相對(duì)不敏感。

圖5 空間電荷密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的分布規(guī)律Fig.5 Distribution laws of space charge density and electric field intensity

圖6 PPLP中的電荷Fig.6 The charge in PPLP

PPLP具有十分優(yōu)異的空間電荷分布，可以承受很強(qiáng)的直流場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)可以更持久地維持這種電荷分布。隨著柔性直流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展與相關(guān)工程的大力建設(shè)，PPLP在這一領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

2.4 PPLP的力學(xué)性能

作為冷絕緣HTS 電纜的主絕緣材料，PPLP 在低溫下的力學(xué)性能十分重要。A B GOROSPE 等[42]對(duì)比測(cè)試了PPLP 在常溫與77 K 下的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)PPLP 在77 K 下的破壞應(yīng)力和楊氏模量比常溫下提高了近1 倍，但材料的延展性顯著降低。W J KIM 等[43]也對(duì)室溫與液氮溫度條件下PPLP 的拉伸性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表4所示。室溫下PPLP的楊氏模量為4.7 GPa，而液氮溫度下楊氏模量增長(zhǎng)到10.7 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率從2.8%下降到1.0%，這也驗(yàn)證了A B GOROSPE 等[42]的結(jié)論。同時(shí)，在破壞載荷與破壞應(yīng)力的測(cè)試數(shù)據(jù)上，液氮溫度下PPLP 的性能均要優(yōu)于室溫條件下。

表4 PPLP的拉伸性能Table 4 Tensile properties of PPLP

作為對(duì)比，LDPE與XLPE等常見(jiàn)聚合物絕緣材料在77 K 下雖然也具有優(yōu)異的電氣性能，但由于其脆化溫度較高，無(wú)法滿足工程要求，無(wú)法作為HTS電纜的絕緣材料[29]。PPLP 在液氮溫度下具有比室溫下更好的力學(xué)性能，更適合應(yīng)用在HTS電纜上。

2.5 PPLP的溶脹問(wèn)題

早期曾出現(xiàn)過(guò)很多聚合物絕緣材料，但往往因?yàn)榫酆衔锱c絕緣油的相容性問(wèn)題而無(wú)法實(shí)際應(yīng)用，相容性是目前研究油浸絕緣材料時(shí)必須考慮的重要因素[44-45]。PPLP 在絕緣油中也會(huì)有略微的溶解，污染絕緣油使其絕緣性能劣化，同時(shí)會(huì)發(fā)生溶脹現(xiàn)象，增大絕緣層的徑向壓力，造成絕緣紙開(kāi)裂、力學(xué)性能下降、油流阻力增大等問(wèn)題。溶脹問(wèn)題是早期限制PPLP 材料發(fā)展的一大因素。溶脹率可由式（1）計(jì)算得到。

式（1）中：?t表示厚度的增加量；t0表示PP 薄膜的初始厚度。

為研究PPLP 的溶脹問(wèn)題，鄧長(zhǎng)勝[46]對(duì)國(guó)產(chǎn)CPC-125型PPLP和相同結(jié)構(gòu)的進(jìn)口PPLP進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)PPLP 的24 h 溶脹率為8.75%，遠(yuǎn)大于進(jìn)口PPLP 的溶脹率4.5%。高良玉等[47]認(rèn)為PPLP溶脹的程度與PP薄膜的結(jié)晶度等參數(shù)有關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，提高PP 的結(jié)晶度、取向度和分子量可以有效提高PPLP 在油中的穩(wěn)定性。但提高聚合物的結(jié)晶度會(huì)使其變脆，過(guò)高的結(jié)晶度易使PP薄膜開(kāi)裂。另外實(shí)驗(yàn)研究了不同溫度下PP薄膜浸漬絕緣油的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)室溫下浸漬30 天后PP 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度特性變化不大，而100℃下浸漬30天后PPLP的電氣強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度均有明顯的下降。卓金玉等[48]認(rèn)為，在加工過(guò)程中將PP的結(jié)晶度控制在70%左右比較合適。針對(duì)PPLP 的溶脹問(wèn)題，住友公司與巴川制紙公司合作研發(fā)了PPLP 的新法加濕處理技術(shù)，據(jù)介紹該技術(shù)可以使PPLP中PP層的允許膨脹厚度比原來(lái)的加濕技術(shù)增加4倍[49]。

3 PPLP電纜的應(yīng)用

3.1 PPLP充油電纜的應(yīng)用

1972年日本住友公司研制出PPLP 復(fù)合紙，并于1974年進(jìn)行了275 kV PPLP 充油電纜的實(shí)驗(yàn)研制。我國(guó)沈陽(yáng)電纜廠1978年試制了PPLP 電纜樣品，于次年成功研制了長(zhǎng)度為50 m 的PPLP 高壓500 kV充油電纜。又于1983年研制了110 kV PPLP電纜樣品，其介質(zhì)損耗因數(shù)在0.001～0.001 5。1982年日本將PPLP 絕緣1 500 mm2電纜敷設(shè)于關(guān)西電力公司的南大阪泉北線，同時(shí)還有兩條275 kV 的PPLP 電纜線路投入運(yùn)行，全長(zhǎng)約為21 公里。住友公司還向美國(guó)Phelps Dodge 公司提供了PPLP，成功制成了765 kV 鋼管充油電纜。1994年，Hydro Que‐bec公司和住友公司合作研發(fā)了800 kV PPLP 電纜。1999年新加坡在Tuas發(fā)電站到Ayer Rajah和Labra‐dor變電站之間鋪設(shè)了400 kV的PPLP電纜。

國(guó)家對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)力度不斷加大，海上風(fēng)電平臺(tái)得到大力建設(shè)，高電壓等級(jí)、大容量、低損耗的海纜必定是未來(lái)的發(fā)展方向。PPLP 充油海纜在高電壓等級(jí)輸電方面具有優(yōu)勢(shì)，相同截面積的自容式充油PPLP 海纜與XLPE 海纜相比，其絕緣厚度更小，長(zhǎng)期允許載流量略大，輸送容量略大，質(zhì)量略輕且價(jià)格偏低。在廈門電力進(jìn)島I 通道第一回電纜改造工程進(jìn)行海纜選型時(shí)，對(duì)XLPE 絕緣與自容式充油PPLP 絕緣兩種海纜進(jìn)行了比較[50]，如表5 所示。XLPE 絕緣海纜由于采用緊壓導(dǎo)體技術(shù)生產(chǎn)，具有較大的導(dǎo)體集膚效應(yīng)，大幅增大了導(dǎo)體電阻，需要增大回流導(dǎo)體截面或采用銅鎧裝以滿足送電容量的要求，導(dǎo)致成本較高。而自容式充油PPLP 電纜雖然維護(hù)成本高且存在漏油風(fēng)險(xiǎn)，但通過(guò)配備可靠的監(jiān)控系統(tǒng)與合理的電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效降低維護(hù)工作量與漏油風(fēng)險(xiǎn)。廈門220 kV 春圍Ⅱ路海底電纜工程首次在國(guó)內(nèi)使用了2 500 mm2大截面、220 kV 高電壓等級(jí)的自容式充油PPLP 絕緣復(fù)合光纖電纜[26]，線路全長(zhǎng)21.45公里。

表5 相同截面積XLPE海纜與自容式充油PPLP海纜對(duì)比Fig.5 Comparison between XLPE and self-contained oil-filled PPLP insulated marine cables with the same cross-sectional area

3.2 冷絕緣PPLP高溫超導(dǎo)電纜

高溫超導(dǎo)傳輸技術(shù)以其損耗低、傳輸容量大、體積小等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。世界上許多國(guó)家與組織都在積極研制HTS 電纜，以滿足未來(lái)人類對(duì)電力傳輸?shù)木薮笮枨骩51,55]。

2000年由美國(guó)能源部經(jīng)費(fèi)支持，美國(guó)South Wire 公司與Oak Ridge 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等單位合作研制了30 m 長(zhǎng)的12.5 kV 三相冷絕緣HTS 電纜，并在美國(guó)南線公司廠區(qū)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，是世界上第一條并網(wǎng)運(yùn)行的HTS 電纜[56]。2002年底，South Wire 公司與丹麥NKT 公司、美國(guó)電力公司等6 家單位合作開(kāi)發(fā)了13.2 kV/3 kA/200 m 的哥倫布HTS 電纜示范性項(xiàng)目并于2006年8月正式掛網(wǎng)運(yùn)行[57]。日本中部電力公司聯(lián)合古河電力公司和電力工業(yè)中心研究院開(kāi)發(fā)了一根單相77 kV/1 kA/500 m的HTS電纜及其配套系統(tǒng)，并進(jìn)行了10個(gè)月的電氣、力學(xué)和熱力學(xué)測(cè)試[58]。2005年韓國(guó)電力公司電力研究院聯(lián)合其他3 所研究機(jī)構(gòu)和3 所大學(xué)在高敞郡安裝了一組3相22.9 kV/25 kA/100 m 的HTS 電纜并進(jìn)行了調(diào)試和運(yùn)行研究[59]。2013年韓國(guó)在濟(jì)州島安裝并測(cè)試了一條100 m 長(zhǎng)的直流HTS 電纜。2011年9月德國(guó)Nexans公司、KIT學(xué)院與德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)局在Es‐sen 市啟動(dòng)了AmpaCity 項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)一組10 kV/2.3 kA/1 000 m的三相同軸交流冷絕緣HTS電纜[60]。巴西國(guó)家電能中心2010年提出并設(shè)計(jì)制造了一根長(zhǎng)度為10 m 的69 kV 三相三軸PPLP 冷絕緣HTS電纜。

我國(guó)冷絕緣HTS 電纜的應(yīng)用較晚，2012年由中國(guó)科學(xué)院電工研究所牽頭，河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司等單位聯(lián)合研制的1.3 kV/10 kA/360 m 的直流冷絕緣HTS 電纜在河南投入示范運(yùn)行[61]。中國(guó)電科院與國(guó)內(nèi)高校對(duì)HTS 電纜PPLP 絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作取得了一定的進(jìn)展，楊泉[62]優(yōu)化了10 kV三相同軸PPLP 高溫超導(dǎo)電纜的絕緣設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了其合理性。彭暢等[35]設(shè)計(jì)了10 kV 雙極同軸PPLP 高溫超導(dǎo)直流電纜的本體絕緣結(jié)構(gòu)，制作樣品并進(jìn)行了直流耐壓和雷電沖擊耐壓測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 PPLP電纜的發(fā)展趨勢(shì)及展望

PPLP 材料的出現(xiàn)距今已有約50年的發(fā)展歷史。目前，PPLP 主要應(yīng)用在高電壓、長(zhǎng)距離的海底輸電電纜以及冷絕緣HTS 電纜等領(lǐng)域。隨著海上風(fēng)電項(xiàng)目的大力建設(shè)與超導(dǎo)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PPLP材料在未來(lái)仍有廣闊的發(fā)展空間。

相比于XLPE 電纜，PPLP 電纜在直流海纜輸電領(lǐng)域具有電壓等級(jí)高、輸送容量大、不受空間電荷效應(yīng)影響等優(yōu)勢(shì)。絕緣材料的空間電荷效應(yīng)一直是制約高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，電荷的累積會(huì)增大直流電纜絕緣擊穿的概率。PPLP與其他絕緣材料不同，牛皮紙與PP薄膜界面間的電荷行為很大程度上影響了其直流絕緣性能，界面電荷的存在使得PPLP 絕緣系統(tǒng)具有最優(yōu)的電場(chǎng)分布。目前，雖然學(xué)術(shù)界有一些針對(duì)PPLP 直流電導(dǎo)與空間電荷行為的研究，但大部分研究還處于比較基礎(chǔ)的階段，特別是界面處的空間電荷行為，一些研究結(jié)論還缺乏有效的理論支持，可以參考的文獻(xiàn)較少。PPLP在直流下具有優(yōu)異的電氣性能，研究其空間電荷行為對(duì)于發(fā)展我國(guó)的直流輸電技術(shù)具有重要意義，對(duì)其絕緣性能的研究工作仍有較大的空間。

目前，HTS 電纜大多處于研究與試制階段，與大規(guī)模推廣應(yīng)用還有一定的距離。雖然低溫條件下PPLP 可以有效解決絕緣問(wèn)題，但原材料價(jià)格昂貴、電纜及附件和線路試驗(yàn)技術(shù)缺乏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、電纜線路敷設(shè)及運(yùn)維缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)都是目前阻礙HTS 電纜進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸?？梢灶A(yù)見(jiàn)，HTS 電纜由于其優(yōu)異的低損耗特性，具有巨大的應(yīng)用前景。未來(lái)30年超導(dǎo)輸電技術(shù)會(huì)逐漸規(guī)模化應(yīng)用，改變傳統(tǒng)的電力輸送方式。因此針對(duì)HTS 電纜，應(yīng)該從中低壓配網(wǎng)入手，逐步提高其經(jīng)濟(jì)適用性，建立相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。