超導電纜絕緣材料的研究與應用

竇富起++葉新羽

摘 要：超導材料具有零電阻特性和完全抗磁性，使用超導材料作為導體的超導電纜具有大容量、低損耗的特點。按照絕緣結構不同，超導電纜可以分為室溫絕緣和冷絕緣兩種，由于工作溫區的差異需要選用適合的絕緣材料。文章在國內外文獻的基礎上，介紹了超導電纜絕緣材料的研究進展，并對其發展進行了展望。

關鍵詞：超導電纜；絕緣材料；絕緣性能

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

1 概述

超導材料獨特的零電阻特性和完全抗磁性，使其在強電、弱電、軌道交通等諸多領域應用前景良好。至今，已經發現了包括元素、合金和化合物在內的超過2000種超導體，應用較多的是以鈮鈦、鈮三錫為代表的低溫超導材料和以鉍系、釔系銅氧化物為代表的高溫超導材料。低溫超導材料臨界轉變溫度較低，需要使用價格昂貴的液氦作為制冷劑；高溫超導材料可以使用價格低廉的液氮作為制冷劑，實用性得到了極大提高。使用高溫超導材料作為導體的超導電纜具有大容量、低損耗、環境友好等特點，可以有效替代以銅為主要輸電媒介的傳統輸電線纜，對于城市電網建設具有重要意義。

高溫超導電纜根據其絕緣介質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電纜絕緣材料。冷絕緣超導電纜以超導材料作為磁屏蔽層，可以減小渦流損耗，降低運行成本；但是由于工作環境為液氮溫區，因此對于絕緣材料的低溫綜合性能要求很高。

2 室溫絕緣超導電纜

室溫絕緣超導電纜通常使用的絕緣材料有聚乙烯、交聯聚乙烯和乙丙橡膠等。對于室溫絕緣超導電纜，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 交聯聚乙烯

聚乙烯經高能射線輻照或添加交聯劑可以得到交聯聚乙烯。與聚乙烯相比，交聯聚乙烯的耐老化性能、耐環境應力開裂性能更好，脆化溫度低于聚乙烯（交聯聚乙烯：-76°C，聚乙烯：-70°C）。交聯聚乙烯的介電常數和介質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，交聯聚乙烯的電阻率高于1016Ω·cm，介電常數為2.3，介質損耗角正切值為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，介電常數為2.6，介質損耗角正切值為4.0×10-3[2]。相比于聚乙烯和交聯聚乙烯，乙丙橡膠在室溫和液氮溫度下的介質損耗較大。但是，乙丙橡膠的低溫機械性能好于聚乙烯和交聯聚乙烯，在液氦溫度下也不會開裂。

3 冷絕緣超導電纜

用于冷絕緣超導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，聚丙烯層壓紙在液氮溫度下的綜合性能較為理想，目前成為冷絕緣超導電纜首選的絕緣材料。對于冷絕緣超導電纜，一般采用繞包型絕緣。繞包型絕緣的介質損耗較小，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電纜展開，表1中列出了相關研究項目。

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的介電常數在3.0～3.2之間，介質損耗角正切值在10-4～10-3之間，在液氮溫度下的電阻率為2.0×1017Ω·cm，擊穿場強高于150kV/mm[2]。同時，聚酰亞胺還具有較好的耐電暈性和抗張強度。但聚酰亞胺的介電常數相對較高，通過引入氟原子、脂肪族結構單元、硅氧基團可以不同程度地降低其介電常數。

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為3.1，介質損耗角正切值為1.0×10-3，擊穿場強為35kV/mm[2]。我國自主生產的間位芳綸絕緣紙（芳綸1313）生產技術基本成熟，但在均勻性和強度方面尚有不足。

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，介電常數為2.21，介質損耗角正切值在1.0×10-4以下，擊穿場強達到103.78kV/mm[2]。此外，PPLP在低溫下還具有良好的機械性能和絕緣性能，是一類適合于冷絕緣超導電纜的絕緣材料。

4 復合絕緣材料

復合絕緣材料各相之間具有協同效應，可以彌補單一材料的性能不足。目前，復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、氧化鋁為無機填料的復合材料。

4.1 聚乙烯基復合材料

聚乙烯內部積聚的空間電荷會引起樹枝化等絕緣老化現象，通過添加無機填料可以吸引、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（70°C～90°C），聚乙烯/蒙脫土納米復合材料[3]的電阻率為（2.0～10.0）×1016Ω·cm，高于相同溫度范圍內聚乙烯的電阻率。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，而且隨著納米二氧化硅含量的增加，復合材料的擊穿場強呈升高趨勢。無機納米粒子的添加使聚乙烯內部的分子之間形成較強的相互作用，使載流子在復合材料中均勻分布，對載流子輸運的限制提高了材料的擊穿場強。

4.2 聚酰亞胺基復合材料

聚酰亞胺具有較好的耐電暈性，但是還不能滿足實際的應用要求，通過添加無機納米顆粒可使其耐電暈性得到進一步提高。衷敬和[5]采用溶膠-凝膠法制備了聚酰亞胺/二氧化硅復合薄膜并對其絕緣性能進行了研究。實驗結果表明，隨著二氧化硅含量的增加，復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-氧化鋁復合薄膜，實驗結果表明，在二氧化硅含量為20wt%時，復合薄膜的耐電暈時間為26.4h，為聚酰亞胺薄膜的14倍。

5 結論和展望

超導材料在強電領域的應用，有望克服世界范圍內日益嚴重的能源短缺問題。對于高溫超導電纜而言，絕緣材料的研究和應用是其實用化的關鍵技術之一。在室溫和液氮溫度下，交聯聚乙烯和聚丙烯層壓紙分別具有較為理想的綜合性能，適用于超導電纜本體的絕緣要求。在現有基礎上提高絕緣材料的性能，制備聚合物/納米粉體復合材料是有效途徑之一。

參考文獻：

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

[2]王銀順.超導電力技術基礎[M].北京：科學出版社，2011.

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

[4]蘭莉，吳建東，紀哲強，等.納米SiO2/低密度聚乙烯復合介質的擊穿特性[J].中國電機工程學報，2012，32（13）：138-143.

[5]衷敬和.無機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，2005.

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