冷絕高溫超導電纜絕緣層設計研究

曹雨軍，朱紅亮，夏芳敏，姚 震，門建民

（富通集團（天津）超導技術應用有限公司，天津 300384）

引言

與傳統電纜相比，高溫超導(HTS)電纜因具有電流密度高、傳輸容量大、損耗低、占空小、重量輕等優點而備受開展高溫超導電纜研究的各國青睞[1]。按絕緣介質運行溫度，高溫超導電纜可分為熱絕緣（WD）超導電纜和冷絕緣（CD）超導電纜。冷絕緣高溫超導電纜由于絕緣層工作在低溫環境中，液氮填充了絕緣層中的氣隙，相對整體增大了絕緣介電常數，提高了絕緣耐受電壓，絕緣效果更優于熱絕緣高溫超導電纜；同時，因在液氮環境下低溫運行，更注重較優電導率和介電常數等電氣性能絕緣材料的選擇，這也成為直流系統中冷絕緣高溫超導電纜穩定運行的有力保障；而在交流系統中，由于冷絕緣高溫超導電纜屏蔽層也采用高溫超導材料，其內部感應反向電流產生的磁場與導體層電流產生的磁場幾乎完全抵消，有效避免了因漏磁引起的交流損耗以及臨近效應導致的電流退化，這一點更是熱絕緣高溫超導電纜無可比擬的[2,3]。因此，冷絕緣高溫超導電纜已成為當今世界各國進行超導電纜研究的首選。

1 冷絕緣高溫超導電纜的基本結構

冷絕緣高溫超導電纜的基本結構一般由中心骨架、導體層、絕緣層、屏蔽層及恒溫器等部分組成。根據電纜運行電壓的等級以及運行電流的大小中心骨架可作不同的選擇，通常有實心銅絞線、中空銅絞線以及不銹鋼波紋管等。導體層為高溫超導電纜的核心部分，常選擇第一代高溫超導帶材（Bi-2223）或者第二代高溫超導帶材（YBCO），二者各有優勢，可綜合參考電、磁、機械、熱學以及經濟成本等多方面因素，并結合應用條件作出最佳選擇。絕緣層主要承擔超導電纜的電氣絕緣功能，另外還有防潮、緩沖及保護導體層的作用。屏蔽層即電磁屏蔽，與常規電纜作用一樣，還起到短路保護及物理、化學、環境防護等作用。恒溫器一般為雙層波紋管夾層抽真空結構，主要隔絕與外部環境的熱交換，同時還起到便于安裝和運輸的作用[4]。

2 冷絕緣高溫超導電纜的絕緣層設計

2.1 絕緣材料選擇

高溫超導電纜的絕緣材料選擇至關重要，很多失超原因均為絕緣材料失效。絕緣層從結構上可分為擠包絕緣型和繞包絕緣型兩種。為滿足超導電纜的柔性需求以及兼顧絕緣層的研制工藝，冷絕緣高溫超導電纜絕緣層多采用繞包絕緣型結構。雖然常溫下擠包絕緣型的絕緣性能優于繞包絕緣型，但在液氮環境下，較低的運行溫區、材料的熱收縮應力以及導體通流的電磁力等因素都會使固體絕緣材料發生微弱形變，進而出現脆裂，最后導致絕緣失效。此時，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。研究表明，聚丙烯層壓紙（PPLP）在液氮低溫環境下具有較好的浸漬性能、較強的力學性能以及較高的電氣性能，在冷絕緣高溫超導電纜系統中已被廣泛應用[5-7]。

表1 低溫溫度下幾種絕緣材料的性能參數比較

2.2 絕緣厚度設計

當高溫超導電纜電壓等級在10 kV 及以上時，絕緣層厚度一般按最大工作電壓下的最小擊穿場強原則來設計，基本公式為：

式中：r為導體層含半導電層半徑；Vmax為最大試驗操作電壓；Emin為絕緣材料最小擊穿場強。

試驗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強一般按局放起始場強計算，基本公式為：

式中：Vpd為局放起始電壓；r1為導體層外半徑；r2為絕緣層外半徑。

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

2.3 絕緣研制工藝

超導電纜絕緣紙帶繞包與常規電纜的包帶繞包形式類似，總體原則基本都是要確保平整、緊密，但因擔負的作用不同在工藝參數選擇側重方面有很大不同。對于冷絕緣高溫超導電纜，絕緣層一般選擇間隙繞包成型工藝，整個繞包過程配以適合的張力，應做到“緊而不皺”，當電纜上盤彎曲后各層絕緣紙也不應產生褶皺現象，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的關系為：

式中：θ為繞包角度；h為繞包節距；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。

文獻研究表明，為使超導電纜在滿足最小彎曲半徑條件下不發生褶皺現象，絕緣層任一半徑處的絕緣帶繞包張力T應滿足以下關系式：

式中：t為包帶厚度；c為包帶安全系數，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；r為繞包半徑；G為包帶剪切模量；θ為繞包角度[12]。

2.4 絕緣性能評測

對于冷絕緣高溫超導電纜絕緣性能的評測，一般是通過制造啞纜來完成測試內容，樣品長度1 m，測試項目（表2）主要包括工頻交流耐壓/直流耐壓、雷電沖擊和局放測試，測試方法參考交聯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家標準[13-15]。

表2 冷絕緣高溫超導電纜絕緣評測項目及方法

3 絕緣擊穿原因分析及繞包工藝優化

3.1 原因分析

冷絕緣高溫超導電纜的絕緣擊穿最主要原因是絕緣層內部的氣隙。為使冷絕緣高溫超導電纜具有一定的柔性，繞包絕緣需保留一定量的對接間隙。另外，絕緣紙的表面粗糙度以及繞包環境若存在粉塵微粒都會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，拉低了局放起始電壓，從而更容易發生絕緣擊穿。通過總結實踐經驗，在實施絕緣繞包過程中可以采取以下優化改進措施，盡可能減少額外氣隙的產生。

3.2 工藝優化

3.2.1 創建繞包環境

盡可能創建良好的繞包環境，絕緣繞包過程最好在封閉房間內完成，同時對封閉房間進行潔凈度、溫度和濕度監控，電壓等級越高的超導電纜越要選取潔凈度高的繞包環境。一組典型的絕緣繞包環境為：空氣潔凈度GMP 標準B 級；溫度22～27 ℃；濕度20%～25%。如不能做到封閉環境，在繞制的中間環節也可以選擇暫繞PE薄膜加以防護。另外，操作人員有必要穿潔凈服、戴橡皮手套，任何時刻不可用手直接觸摸絕緣層表面。

3.2.2 選取最佳工藝

為確保絕緣繞包質量同時防止因電纜彎曲時出現絕緣紙褶皺現象，在進行絕緣繞包時，應選取合適的繞包張力、繞包角度、繞包縫隙以及材料寬度，而這些參數相互制約，一個參數改變，其他參數需隨之變化。通常情況，根據超導電纜的電壓等級、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 范圍內取值、繞包角度可在15～45°范圍內取值、繞包縫隙可設置1～2 mm 范圍內、材料寬度可在19～27 mm范圍內選擇，雖然各參數理論計算均正確，但仍需通過實踐來檢驗是否合理。

3.2.3 改良繞包裝置

當冷絕緣高溫超導電纜為高電壓大電流等級時，外徑和絕緣厚度都將成倍增加，此時絕緣層數甚至是上百層。由于設備繞包頭數量有限，需多次反復上盤、倒盤才能完成絕緣繞包，而目前國內絞纜裝置容納更大盤徑能力有限，電纜因多次彎曲受力致使絕緣層出現褶皺現象，額外增加氣隙，極大地降低了絕緣能力。為避免這種問題，設計了一套輔助傳送裝置匹配繞包設備使用（專利號：CN210837288U），配套設備如圖1所示，可以省去中間上盤環節，有效避免電纜額外多次上盤彎曲而出現的絕緣褶皺問題。

圖1 絕緣繞包設備+輔助傳送裝置配套使用示意圖

4 結語

本文通過對冷絕緣高溫超導電纜絕緣層的設計、評測及研制工藝過程分析，總結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化改進的措施及操作方法，可為冷絕緣高溫超導電纜的研究提供一定的參考。