绝缘缺陷对高温超导电流引线低温绝缘性能的影响

张开明，朱银锋，吴小四，郑 旭，唐梦雨，王传东

(安徽建筑大学 机械与电气工程学院，安徽 合肥 230601)

在超导电物理装置中，电流引线主要是用来连接处于室温的电源和处于极低温的超导磁体[1]。用于大型超导磁体系统的高温超导电流引线应具有足够的通电流能力以及尽可能小的低温热负荷，并且还应具备足够的绝缘强度[2-3]。高温超导电流引线是在室温下制作，但却运行在极低温条件下，金属材料、高温超导材料和绝缘材料热膨胀系数的差异，绝缘材料的低温脆性以及绝缘材料制备过程中产生的气隙均能导致绝缘失效，由气隙引发的局部放电产生的能量和高能粒子效应会侵蚀其周围的树脂绝缘材料，最终引起绝缘层被击穿造成严重事故[4-5]。本文以16 kA高温超导电流引线为研究对象，通过开展电场强度的数值模拟探讨绝缘结构及绝缘材料缺陷对其绝缘性能的影响。

1 高温超导电流引线结构

高温超导电流引线由金属引线段、高温超导引线段和低温超导引线段等组成，低温超导引线段末端与超导磁体馈线系统中的超导电缆相连[6-8]。高温超导电流引线三维结构如图1所示。万安级高温超导电流引线的基本参数见表1[9-10]。

图1 高温超导电流引线三维结构

表1 万安级高温超导电流引线的基本参数

金属引线通常根据剩余电阻比选用通电流能力和热稳定性较好的紫铜，金属引线的冷却通道选用耐低温的不锈钢材料制作。在大型超导磁体系统中，高温超导电流引线通常垂直或水平安装，金属引线段采用液氮、冷氦气进行冷却。当金属引线的电阻率为ρ(T)、截面面积为A、电流密度为J时，沿金属引线长度方向微元产生的焦尔热QJoule和冷却介质流经该微元带走的热量Qvap计算公式分别为：

dQJoule=ρ(T)J2Adz

(1)

dQvap=c(p)mdTvap

(2)

式(2)中，c(p)为冷却介质比热；m为冷却介质质量；Tvap为冷却介质温度。

根据能量守恒原理可知，金属引线段在冷却介质缺失情况下产生的焦耳热会对电流引线加热，设置在金属引线段和高温超导引线段之间的紫铜热沉可有效抑制电流引线温升的速率，从而提高整个电流引线的安全性。

当电流引线的高温超导体由于温升引起失超，电流从支撑高温超导体的筒状分流器中流过。高温超导带材均匀布置在筒状分流器外表面的开槽内可使垂直磁场引起的通电流能力下降[9]。

2 高温超导电流引线绝缘设计

2.1 绝缘必要性

超导磁体失超时呈现电阻加热态，电流的快速变化在万安级励磁电流的超导磁体两端产生高电压，因此高温超导电流引线需要进行绝缘处理以承受高电压。高电压计算公式为：

(3)

由于高温超导电流引线温度梯度较大，其绝缘材料除了承受高电压之外还需承受温度梯度引起的热应力[11]。高温超导电流引线结构设计应充分考虑绝缘结构及绝缘材料对其低温绝缘性能的影响 。

2.2 耐低温绝缘材料

常用于万安级高温超导电流引线的耐低温绝缘材料包括增韧环氧树脂、聚酰亚胺薄膜和玻璃纤维。3种绝缘材料的主要电学性能见表2[12-13]。

表2 3种绝缘材料的主要电学性能

对于多相混合物，若复合材料各组分分布均匀，根据Lichtenecker对数混合法可知，复合材料各组分的体积比决定其相对介电常数[14]：

(4)

式(4)中，Vi是第i组分的体积分数；εi是第i组分的介电常数。

由式(4)可知，各组分分布均匀的复合材料相对介电常数由各组分的相对介电常数及体积比决定。对用于高温超导电流引线的绝缘处理，通常采用连续的玻璃纤维增韧环氧树脂复合材料，其相对介电常数还受到玻璃纤维空间布局的影响。常用于增强环氧树脂的玻璃纤维种类及其性能见表3[15]。

表3 玻璃纤维的种类及其性能

选取R玻璃纤维增强双酚A环氧树脂复合材料进行绝缘处理的16 kA高温超导电流引线，当R玻璃纤维体积比为70%，计算得到复合材料的相对介电常数约为4.87。

3 高温超导电流引线电场仿真

3.1 绝缘材料内部气隙引起的电场变化

高温超导电流引线运行过程中，金属材料和绝缘材料热膨胀系数的差异可导致两者脱粘，并且由于绝缘结构制作过程中绝缘材料内部产生气隙等缺陷，从而导致绝缘材料绝缘性能下降，容易产生局部放电。

当绝缘材料内部气隙为椭球体时，椭球体气隙内的电场强度Ee计算公式为[16]：

(5)

式(5)中，ε为绝缘材料的相对介电常数；E为绝缘材料的总电场强度；K为椭球体的无量纲特征，K=2/(abcA)，参量A为[16]：

(6)

式(6)中，s为虚拟变量；a，b，c分别为椭球体的半轴长度。

当绝缘材料内部气隙为球体时，a=b=c，即K=3，球体气隙内的电场强度Es计算公式为[16]：

(7)

3.2 绝缘材料无微观缺陷的电场仿真

16 kA高温超导电流引线承受的最高电压为直流4.5 kV，对上端法兰的下部外表面进行绝缘处理承受高电压。考虑到足够的安全裕度，电场分析施加的电压为直流10 kV。

在建立电场仿真模型之前定义材料属性，空气相对介电常数为1；玻璃纤维增强环氧树脂复合材料相对介电常数为4.87；金属材料相对介电常数为109。

电场仿真模型由空气区、电流引线导体、电流引线绝缘体组成。采用6面体20节点的solid122实体单元划分有限单元。为提高有限单元划分的质量，对于电流引线和空气的回转体部分采用扫描方式划分单元，上端方形铜排以及空气的非回转体部分单独采用扫描方式划分单元，然后通过节点耦合与回转体部分的有限单元连接。电场仿真建模如图2所示。

(a) 电场分析模型 (b) 模型的网格单元

在仿真模型的外表面施加远场边界，电流引线导体施加直流电压10 kV，支撑电流引线的金属法兰施加电压为0 V。绝缘材料无微观缺陷电场强度云图如图3所示。从图3中可以看出，电流引线绝缘法兰盘和金属引线段绝缘材料结合部位存在电场集中，另外，绝缘法兰盘和支撑电流引线的金属法兰结合部位也存在电场集中。

图3 绝缘材料无微观缺陷电场强度云图

沿绝缘法兰径向的A，B，C，D点定义节点路径，径向方向节点路径及电场强度变化曲线分别如图4和图5所示。

图4 径向方向节点路径

图5 电场强度变化曲线

3.3 绝缘材料有微观缺陷的电场仿真

为了解绝缘材料中的微观缺陷对高温超导电流引线绝缘性能的影响，在仿真模型中的绝缘法兰和金属支撑法兰结合部位建立直径为0.5 mm的气隙，气隙位置如图6所示。在电流引线导体施加电压为10 kV，支撑法兰电压为0 V条件下计算电场强度。含气隙绝缘层电场强度云图如图7所示。

图6 气隙位置

图7 含气隙绝缘层电场强度云图

由图7可知，电场强度最大值位于气隙处为963.58 V/mm，该部位电场强度明显高于绝缘法兰和金属支撑法兰结合的其他部位，并且显著高于绝缘材料无缺陷的电场强度最大值383.32 V/mm。如图6所示，沿绝缘法兰径向的A，B，C，D点且通过气隙定义节点路径，沿该节点路径的电场强度变化曲线如图8所示。

图8 电场强度变化曲线

3.4 仿真结果分析

根据对高温超导电流引线模型展开的电场强度仿真得出以下结论。

1) 绝缘结构变化较大的部位容易产生电场强度集中。

2) 绝缘材料中存在气隙等微观缺陷会显著降低电流引线的低温绝缘特性，可通过改进绝缘制造工艺加以改善。

4 结束语

1) 绝缘结构设计以及绝缘材料的组分、配比和微观结构对高温超导电流引线的低温绝缘性能有较大影响。

2) 万安级高温超导电流引线的结构设计应关注热应力引起的绝缘材料和导体材料脱粘问题，可以通过对玻璃纤维施加缠绕预紧力以及限制电流引线温升加以避免。