超導電纜絕緣材料的應用及研究

謝庚強

（河南許昌陽光光電線纜有限公司，河南 許昌 461000）

隨著經濟建設的不斷發展，人民在生活中對電力的需求也日益增加，以銅為主要媒介的傳統輸電線電纜，電流輸送過程中存在電能損耗大的弊端，這就需要在輸電線應用上尋找高效、環保的新型輸電方式。超導電纜具有零電阻的特性，而且大容量、低損耗的超導電纜最適合應用于大城市的高密度用電區域，因此超導電纜在高溫超導技術產業中占據制高點。高溫超導電纜通常是由支撐體、超導層、屏蔽層、絕緣層、隔熱層和保護層組成的，其中絕緣材料更是以間隔隔離的形式保證電流的輸送，而且為了實現高溫超導電纜材料的實用性，依據絕緣材料的性能和分類該如何進行選擇，就顯得尤為重要。

1 絕緣材料的分類及性能

絕緣材料是指用于使不同電位的導電部分隔離的材料，當對絕緣材料施加電壓的時候，絕緣材料只產生微弱的電流。固體的絕緣材料較為常見，主要包括絕緣紙、橡膠、塑料、玻璃、陶瓷等，根據其組成部分，主要分為無機、有機和復合絕緣材料3大類。

1.1 無機的絕緣材料

常用無機的絕緣材料主要包括玻璃、陶瓷和云母等，尤其是陶瓷材料具有熔點高、抗氧化及硬度高等特點，由于陶瓷應用中韌度和塑性應變能力較低，因此不容易加工，成型度較低。

（1）玻璃

玻璃作為絕緣材料應用時具有化學穩定性較好、吸濕性較小、厚度適中等特點，但在應用過程中會出現延展性不足，而且脆性較大等問題。

（2）陶瓷

絕緣陶瓷在應用過程中可劃分為氧化性陶瓷和非氧化性陶瓷兩種形式，但在實際的應用中絕緣陶瓷具有電阻率高、抗電弧度高、導熱性能好等特點，正因為陶瓷材料自身脆性較大，韌度較低，難以進行加工，因此在絕緣材料的應用中主要是以絕緣子、絕緣襯套等來進行使用的。

（3）云母

云母內部還有不同的堿金屬土金屬離子，在應用過程中有實用性較高，主要是白云母和金云母。白云母主要是高擊穿場力較強，但是介質的損耗較低。金云母具有高耐熱性，質地較為柔軟，抵抗彎曲的特點。常見的云母制品主要是由云母碎片或者是用碎云母組合而成的云母紙，但在應用過程中價格相對較高，而且碎云母經過加工后韌性較大，若再次

加工成本費用較高，因此制約了絕緣材料的應用。

1.2 有機絕緣材料

有機的絕緣材料由于電氣的絕緣性能的發展變化，具有耐腐蝕性和易加工的特點逐漸取代了傳統的絕緣材料，而且為了減少絕緣的空間的占有性，有機材料常用不占空間的薄膜形式來供應絕緣電纜。

（1）交聯聚乙烯（X L P E）

XLPE相比于PE，在耐老化方面具有可觀的性能，主要是由于PE是經高能射線輻射或者是添加一定的交聯劑得成的。而且由于XLPE的耐環境開裂的能力較強，在應用過程中由于XLPE的介電常數和介質損耗角的正切值與PE接近，但自身的絕緣抗電阻的阻力進一步增大，在室溫的環境下，XLPE的電阻率高于1016Ω·cm，而且在室溫和液氮的溫度下介電的常數為2.3，XLPE的抗脆化溫度臨界值也低于PE（XLPE溫度臨界值：-76℃，PE溫度臨界值：-70℃）液氮溫度下的擊穿場強為35kV/mm。

（2）聚四氟乙烯（P T F E）

四氟乙烯的單體經過一系列的聚合性反應制成的，PTFE的薄膜在室溫和液氮的溫度下介電的常數為2.1和2.0～2.2電阻率分別為：3.0×1015Ω·cm和4.0×1014Ω·cm，與PE等絕緣材料的值相比，PTFE自身具有良好的化學穩定性和高的低溫性能，工作溫度為-196℃～260℃，但由于分子間的作用力相對較小，所以機械強度、耐磨損的性能也相對較低，但由于PTFE的耐電暈性能較差，因此不適合做高壓絕緣材料。

（3）聚酰亞胺（P I）

主要是通過酰胺化和亞胺化進行合成的聚合物，PI生成的薄膜在室溫和液氮的溫度下的電阻率分別為2.0×1015Ω·cm和2.0×1017Ω·cm，介電常數主要是在3.0～3.2，介質損耗角的正切值處于10-4～10-3，液氮溫度下的擊穿強度高于150kV/mm，工作溫度為-200℃～300℃，其脆化的強度相對較高，同時PI的耐電暈和抗張強度對比PTFE相對較高，結合各項數值考慮，PI絕緣材料產品綜合性能好，但和XLPE 、PTFE相比的話，PI的介電常數相對較高，因此在應用過程中通過引用極化率較低的氟原子，脂肪族結構單元或是硅氧基團會不同程度地降低介電常數。

（4）乙丙橡膠

乙丙橡膠（EPR）主要是作用乙烯與丙烯共同進行聚合而成的二元共聚物。在室溫下的電阻率為1015Ω·cm～1016Ω·cm之間，室溫以及液氮的溫度下介電常數分別為2.6～2.7，介質損耗角正切值分別為4.0×10-3和3.5×10-4，液氮溫度下的擊穿場強主要為29kV/mm，此種特性與PE、XLPE相對比的話，EPR的介質損耗度較大，但是在其他性能的控制下優于PE、XLPE，而且在液氮的溫度下臨界值較低。

（5）聚丙烯層壓紙（P P L P）

PPLP是以紙漿材料和聚丙烯薄膜為原材料制成的一種絕緣材料。在液氮溫度下的電阻率2.9×1016Ω·cm，室溫以及液氮的溫度下介電常數分別為2.21，介質損耗角正切值分別為4.0×10-4以下，液氮溫度下的擊穿場強主要為103.78kV/mm，PPLP在低溫的情況下具有較好的機械性能和絕緣性能，比較適合用于低溫介質的超導電纜的絕緣材料。

1.3 復合絕緣材料

復合材料主要是兩種或者是以上的材料進行組合，達到協同效應來彌補某一材料性能上的不足，常見的復合絕緣材料主要是聚乙烯、聚酰亞胺等為基體的復合材料。

（1）聚乙烯基復合材料

在電纜應用中，聚乙烯內部的空間電荷容易引起絕緣老化的現象，影響其正常使用，一般情況下都會采用添加無機填料進行聚合，吸引和捕獲截流子，使絕緣材料內部的截流子均勻分布，從而達到消除內部空間電荷的目的。

（2）聚酰亞胺基復合材料

聚酰亞胺自身具備較好的耐電暈性，但在實際應用中介電常數相對較高，為了彌補這一項，可通過添加納米顆粒來提高耐電暈性，而且有助于局部的電荷的轉移，從而避免電荷集聚導致的電暈擊穿現象的發生。

1.4 絕緣材料性能參數分析（表1）

絕緣材料的應用性能主要包括絕緣電阻、相對介電常數、介質損耗角正切值以及擊穿場強等參考項，絕緣材料的表面和內部有微弱電流通過，相對應的電阻率分別為表面絕緣電阻和體積絕緣電阻。而電介質在外加的電壓作用下發熱而消耗的電能稱為介質損耗。擊穿場強主要是絕緣材料抵抗電擊穿可以承受的能力。

通過對比發現，在室溫和液氮的溫度條件下，XLPE、PPLP在考慮綜合性能的情況下是作為絕緣的理想材料。

表1 常用的絕緣材料的性能參數對比

2 超導電纜的絕緣材料的應用

2.1 超導電纜的本體絕緣

高溫超導電纜根據其絕緣的介質工作溫度可以分為室溫介質絕緣和冷介質絕緣兩種情形，室溫介質絕緣電纜主要是將電絕緣層置于低溫恒溫器之外，其工作的溫度處于室溫的范圍內，主要應用的常規的電纜型號，具有較高可靠性。但室溫介質的絕緣電纜損耗較明顯，而且運作的費用較高。而冷介質絕緣超導電纜主要是以超導材料作為磁屏蔽層，可以減小渦流損耗，達到降低運作成本的目的，但在使用過程中結構相比于室溫介質較為復雜，在液氮條件下的性能穩定性還需進行多方的試驗驗證。

高溫超導電纜本體絕緣根據結構可以分為擠包型和饒包型兩種，擠包型絕緣在應用中可以減少空隙，降低絕緣材料的局部放電，但若是在低溫的條件下，容易出現開裂的情況，但繞包型絕緣的介質損耗較小，但由于內部氣隙較大容易導致局部的放電。冷介質的絕緣電纜使用中一般采用的是繞包型絕緣材料，室溫的絕緣超導電纜主要采用擠包型。

2.2 室溫超導絕緣材料選擇

室溫絕緣超導電纜所常用的絕緣材料有PE、XLPE和EPR等材料，XLPE在室溫的條件下具有的綜合性能較為穩定，因此常用于室溫絕緣超導電纜的使用，而且超導電纜在并網之后配電網運行比較平穩可靠。

2.3 冷絕緣超導電纜

用于冷絕緣的材料主要是PI和PPLP等，在應用中液氮溫度下PPLP綜合性能使用上較為理想，而且是冷絕緣超導電纜常用的絕緣材料，而與室溫絕緣相比，冷絕緣結構更為復雜。

結語

超導技術的引用與發展為電力的發展帶來了技術性的革新，針對高溫超導電纜的應用，電纜本體的絕緣材料選用的研究與設計如何朝向實用性發展具有至關重要的作用，因此在操作中如何改進和提升超導電纜的損耗度和使用年限，絕緣材料的選用在室溫及液氮條件下如何選擇，如何進一步提升絕緣材料的性能，還須進行更深入的研究與測試工作。