冷絕高溫超導(dǎo)電纜絕緣層設(shè)計(jì)研究

曹雨軍，朱紅亮，夏芳敏，姚 震，門(mén)建民

（富通集團(tuán)（天津）超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用有限公司，天津 300384）

引言

與傳統(tǒng)電纜相比，高溫超導(dǎo)(HTS)電纜因具有電流密度高、傳輸容量大、損耗低、占空小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而備受開(kāi)展高溫超導(dǎo)電纜研究的各國(guó)青睞[1]。按絕緣介質(zhì)運(yùn)行溫度，高溫超導(dǎo)電纜可分為熱絕緣（WD）超導(dǎo)電纜和冷絕緣（CD）超導(dǎo)電纜。冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜由于絕緣層工作在低溫環(huán)境中，液氮填充了絕緣層中的氣隙，相對(duì)整體增大了絕緣介電常數(shù)，提高了絕緣耐受電壓，絕緣效果更優(yōu)于熱絕緣高溫超導(dǎo)電纜；同時(shí)，因在液氮環(huán)境下低溫運(yùn)行，更注重較優(yōu)電導(dǎo)率和介電常數(shù)等電氣性能絕緣材料的選擇，這也成為直流系統(tǒng)中冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜穩(wěn)定運(yùn)行的有力保障；而在交流系統(tǒng)中，由于冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜屏蔽層也采用高溫超導(dǎo)材料，其內(nèi)部感應(yīng)反向電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與導(dǎo)體層電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)幾乎完全抵消，有效避免了因漏磁引起的交流損耗以及臨近效應(yīng)導(dǎo)致的電流退化，這一點(diǎn)更是熱絕緣高溫超導(dǎo)電纜無(wú)可比擬的[2,3]。因此，冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜已成為當(dāng)今世界各國(guó)進(jìn)行超導(dǎo)電纜研究的首選。

1 冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的基本結(jié)構(gòu)

冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的基本結(jié)構(gòu)一般由中心骨架、導(dǎo)體層、絕緣層、屏蔽層及恒溫器等部分組成。根據(jù)電纜運(yùn)行電壓的等級(jí)以及運(yùn)行電流的大小中心骨架可作不同的選擇，通常有實(shí)心銅絞線(xiàn)、中空銅絞線(xiàn)以及不銹鋼波紋管等。導(dǎo)體層為高溫超導(dǎo)電纜的核心部分，常選擇第一代高溫超導(dǎo)帶材（Bi-2223）或者第二代高溫超導(dǎo)帶材（YBCO），二者各有優(yōu)勢(shì)，可綜合參考電、磁、機(jī)械、熱學(xué)以及經(jīng)濟(jì)成本等多方面因素，并結(jié)合應(yīng)用條件作出最佳選擇。絕緣層主要承擔(dān)超導(dǎo)電纜的電氣絕緣功能，另外還有防潮、緩沖及保護(hù)導(dǎo)體層的作用。屏蔽層即電磁屏蔽，與常規(guī)電纜作用一樣，還起到短路保護(hù)及物理、化學(xué)、環(huán)境防護(hù)等作用。恒溫器一般為雙層波紋管夾層抽真空結(jié)構(gòu)，主要隔絕與外部環(huán)境的熱交換，同時(shí)還起到便于安裝和運(yùn)輸?shù)淖饔肹4]。

2 冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的絕緣層設(shè)計(jì)

2.1 絕緣材料選擇

高溫超導(dǎo)電纜的絕緣材料選擇至關(guān)重要，很多失超原因均為絕緣材料失效。絕緣層從結(jié)構(gòu)上可分為擠包絕緣型和繞包絕緣型兩種。為滿(mǎn)足超導(dǎo)電纜的柔性需求以及兼顧絕緣層的研制工藝，冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜絕緣層多采用繞包絕緣型結(jié)構(gòu)。雖然常溫下擠包絕緣型的絕緣性能優(yōu)于繞包絕緣型，但在液氮環(huán)境下，較低的運(yùn)行溫區(qū)、材料的熱收縮應(yīng)力以及導(dǎo)體通流的電磁力等因素都會(huì)使固體絕緣材料發(fā)生微弱形變，進(jìn)而出現(xiàn)脆裂，最后導(dǎo)致絕緣失效。此時(shí)，采用薄膜紙繞包絕緣則彰顯出其良好的耐低溫特性。常用的耐低溫絕緣紙材料有聚酰亞胺紙（PI）、聚芳酰胺紙（Nomex）、聚丙烯層壓紙（PPLP）、纖維素紙（Kraft）以及聚四氟乙烯紙（PTFE）等，表1列出了低溫下幾種絕緣材料的綜合性能參數(shù)。研究表明，聚丙烯層壓紙（PPLP）在液氮低溫環(huán)境下具有較好的浸漬性能、較強(qiáng)的力學(xué)性能以及較高的電氣性能，在冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)中已被廣泛應(yīng)用[5-7]。

表1 低溫溫度下幾種絕緣材料的性能參數(shù)比較

2.2 絕緣厚度設(shè)計(jì)

當(dāng)高溫超導(dǎo)電纜電壓等級(jí)在10 kV 及以上時(shí)，絕緣層厚度一般按最大工作電壓下的最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)原則來(lái)設(shè)計(jì)，基本公式為：

式中：r為導(dǎo)體層含半導(dǎo)電層半徑；Vmax為最大試驗(yàn)操作電壓；Emin為絕緣材料最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

試驗(yàn)操作電壓一般指交流工頻電壓Vac、雷電沖擊電壓Vimp以及局部放電電壓Vm三種情況，每種情況均需考慮一定的安全裕度M=K1×K2×K3，一般取1.2～1.6，對(duì)于不同操作電壓下的K值表征意義并不相同。絕緣材料最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般按局放起始場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算，基本公式為：

式中：Vpd為局放起始電壓；r1為導(dǎo)體層外半徑；r2為絕緣層外半徑。

通過(guò)對(duì)比3 種操作電壓下的Δt，取最大值作為絕緣層設(shè)計(jì)厚度。從式（2）可以看出，不但要分析電纜的電場(chǎng)分布情況，還要考慮絕緣材料的電氣性能參數(shù)。在冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)中，絕緣層內(nèi)為固-液混合絕緣，因而需考慮液氮的體積效應(yīng)。除此之處，還要綜合考慮材料的老化系數(shù)、溫度系數(shù)以及研制工藝等因素，做到最優(yōu)設(shè)計(jì)[8-10]。

2.3 絕緣研制工藝

超導(dǎo)電纜絕緣紙帶繞包與常規(guī)電纜的包帶繞包形式類(lèi)似，總體原則基本都是要確保平整、緊密，但因擔(dān)負(fù)的作用不同在工藝參數(shù)選擇側(cè)重方面有很大不同。對(duì)于冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜，絕緣層一般選擇間隙繞包成型工藝，整個(gè)繞包過(guò)程配以適合的張力，應(yīng)做到“緊而不皺”，當(dāng)電纜上盤(pán)彎曲后各層絕緣紙也不應(yīng)產(chǎn)生褶皺現(xiàn)象，否則將大幅降低電纜的電氣性能[11]。

常用參考變量繞包角θ和材料寬度b的關(guān)系為：

式中：θ為繞包角度；h為繞包節(jié)距；D為繞包直徑；t為絕緣材料厚度；b為材料寬度；k為繞包間隙寬度Δ與材料寬度b之比值。

文獻(xiàn)研究表明，為使超導(dǎo)電纜在滿(mǎn)足最小彎曲半徑條件下不發(fā)生褶皺現(xiàn)象，絕緣層任一半徑處的絕緣帶繞包張力T應(yīng)滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

式中：t為包帶厚度；c為包帶安全系數(shù)，一般取0.6～0.8；E1為包帶縱向彈性模量；E2為包帶橫向彈性模量；E3為包帶壓縮彈性模量；μs為材料靜摩擦系數(shù)；r為繞包半徑；G為包帶剪切模量；θ為繞包角度[12]。

2.4 絕緣性能評(píng)測(cè)

對(duì)于冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜絕緣性能的評(píng)測(cè)，一般是通過(guò)制造啞纜來(lái)完成測(cè)試內(nèi)容，樣品長(zhǎng)度1 m，測(cè)試項(xiàng)目（表2）主要包括工頻交流耐壓/直流耐壓、雷電沖擊和局放測(cè)試，測(cè)試方法參考交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜或直流輸電用擠包絕緣電力電纜等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[13-15]。

表2 冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜絕緣評(píng)測(cè)項(xiàng)目及方法

3 絕緣擊穿原因分析及繞包工藝優(yōu)化

3.1 原因分析

冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的絕緣擊穿最主要原因是絕緣層內(nèi)部的氣隙。為使冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜具有一定的柔性，繞包絕緣需保留一定量的對(duì)接間隙。另外，絕緣紙的表面粗糙度以及繞包環(huán)境若存在粉塵微粒都會(huì)使繞包層間存在一定的氣隙，這些氣隙的存在使固體絕緣變成固液絕緣，降低了絕緣層整體介電常數(shù)，拉低了局放起始電壓，從而更容易發(fā)生絕緣擊穿。通過(guò)總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)施絕緣繞包過(guò)程中可以采取以下優(yōu)化改進(jìn)措施，盡可能減少額外氣隙的產(chǎn)生。

3.2 工藝優(yōu)化

3.2.1 創(chuàng)建繞包環(huán)境

盡可能創(chuàng)建良好的繞包環(huán)境，絕緣繞包過(guò)程最好在封閉房間內(nèi)完成，同時(shí)對(duì)封閉房間進(jìn)行潔凈度、溫度和濕度監(jiān)控，電壓等級(jí)越高的超導(dǎo)電纜越要選取潔凈度高的繞包環(huán)境。一組典型的絕緣繞包環(huán)境為：空氣潔凈度GMP 標(biāo)準(zhǔn)B 級(jí)；溫度22～27 ℃；濕度20%～25%。如不能做到封閉環(huán)境，在繞制的中間環(huán)節(jié)也可以選擇暫繞PE薄膜加以防護(hù)。另外，操作人員有必要穿潔凈服、戴橡皮手套，任何時(shí)刻不可用手直接觸摸絕緣層表面。

3.2.2 選取最佳工藝

為確保絕緣繞包質(zhì)量同時(shí)防止因電纜彎曲時(shí)出現(xiàn)絕緣紙褶皺現(xiàn)象，在進(jìn)行絕緣繞包時(shí)，應(yīng)選取合適的繞包張力、繞包角度、繞包縫隙以及材料寬度，而這些參數(shù)相互制約，一個(gè)參數(shù)改變，其他參數(shù)需隨之變化。通常情況，根據(jù)超導(dǎo)電纜的電壓等級(jí)、電纜外徑大小、電纜的彎曲半徑以及絕緣層防起皺繞等條件限制，繞包張力可在5～15 N 范圍內(nèi)取值、繞包角度可在15～45°范圍內(nèi)取值、繞包縫隙可設(shè)置1～2 mm 范圍內(nèi)、材料寬度可在19～27 mm范圍內(nèi)選擇，雖然各參數(shù)理論計(jì)算均正確，但仍需通過(guò)實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)是否合理。

3.2.3 改良繞包裝置

當(dāng)冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜為高電壓大電流等級(jí)時(shí)，外徑和絕緣厚度都將成倍增加，此時(shí)絕緣層數(shù)甚至是上百層。由于設(shè)備繞包頭數(shù)量有限，需多次反復(fù)上盤(pán)、倒盤(pán)才能完成絕緣繞包，而目前國(guó)內(nèi)絞纜裝置容納更大盤(pán)徑能力有限，電纜因多次彎曲受力致使絕緣層出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，額外增加氣隙，極大地降低了絕緣能力。為避免這種問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套輔助傳送裝置匹配繞包設(shè)備使用（專(zhuān)利號(hào)：CN210837288U），配套設(shè)備如圖1所示，可以省去中間上盤(pán)環(huán)節(jié)，有效避免電纜額外多次上盤(pán)彎曲而出現(xiàn)的絕緣褶皺問(wèn)題。

圖1 絕緣繞包設(shè)備+輔助傳送裝置配套使用示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜絕緣層的設(shè)計(jì)、評(píng)測(cè)及研制工藝過(guò)程分析，總結(jié)了絕緣失效的原因及研制工藝的缺陷，提出絕緣層研制工藝優(yōu)化改進(jìn)的措施及操作方法，可為冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的研究提供一定的參考。