冷绝高温超导电缆绝缘层设计研究

曹雨军，朱红亮，夏芳敏，姚 震，门建民

（富通集团（天津）超导技术应用有限公司，天津 300384）

引言

与传统电缆相比，高温超导(HTS)电缆因具有电流密度高、传输容量大、损耗低、占空小、重量轻等优点而备受开展高温超导电缆研究的各国青睐[1]。按绝缘介质运行温度，高温超导电缆可分为热绝缘（WD）超导电缆和冷绝缘（CD）超导电缆。冷绝缘高温超导电缆由于绝缘层工作在低温环境中，液氮填充了绝缘层中的气隙，相对整体增大了绝缘介电常数，提高了绝缘耐受电压，绝缘效果更优于热绝缘高温超导电缆；同时，因在液氮环境下低温运行，更注重较优电导率和介电常数等电气性能绝缘材料的选择，这也成为直流系统中冷绝缘高温超导电缆稳定运行的有力保障；而在交流系统中，由于冷绝缘高温超导电缆屏蔽层也采用高温超导材料，其内部感应反向电流产生的磁场与导体层电流产生的磁场几乎完全抵消，有效避免了因漏磁引起的交流损耗以及临近效应导致的电流退化，这一点更是热绝缘高温超导电缆无可比拟的[2,3]。因此，冷绝缘高温超导电缆已成为当今世界各国进行超导电缆研究的首选。

1 冷绝缘高温超导电缆的基本结构

冷绝缘高温超导电缆的基本结构一般由中心骨架、导体层、绝缘层、屏蔽层及恒温器等部分组成。根据电缆运行电压的等级以及运行电流的大小中心骨架可作不同的选择，通常有实心铜绞线、中空铜绞线以及不锈钢波纹管等。导体层为高温超导电缆的核心部分，常选择第一代高温超导带材（Bi-2223）或者第二代高温超导带材（YBCO），二者各有优势，可综合参考电、磁、机械、热学以及经济成本等多方面因素，并结合应用条件作出最佳选择。绝缘层主要承担超导电缆的电气绝缘功能，另外还有防潮、缓冲及保护导体层的作用。屏蔽层即电磁屏蔽，与常规电缆作用一样，还起到短路保护及物理、化学、环境防护等作用。恒温器一般为双层波纹管夹层抽真空结构，主要隔绝与外部环境的热交换，同时还起到便于安装和运输的作用[4]。

2 冷绝缘高温超导电缆的绝缘层设计

2.1 绝缘材料选择

高温超导电缆的绝缘材料选择至关重要，很多失超原因均为绝缘材料失效。绝缘层从结构上可分为挤包绝缘型和绕包绝缘型两种。为满足超导电缆的柔性需求以及兼顾绝缘层的研制工艺，冷绝缘高温超导电缆绝缘层多采用绕包绝缘型结构。虽然常温下挤包绝缘型的绝缘性能优于绕包绝缘型，但在液氮环境下，较低的运行温区、材料的热收缩应力以及导体通流的电磁力等因素都会使固体绝缘材料发生微弱形变，进而出现脆裂，最后导致绝缘失效。此时，采用薄膜纸绕包绝缘则彰显出其良好的耐低温特性。常用的耐低温绝缘纸材料有聚酰亚胺纸（PI）、聚芳酰胺纸（Nomex）、聚丙烯层压纸（PPLP）、纤维素纸（Kraft）以及聚四氟乙烯纸（PTFE）等，表1列出了低温下几种绝缘材料的综合性能参数。研究表明，聚丙烯层压纸（PPLP）在液氮低温环境下具有较好的浸渍性能、较强的力学性能以及较高的电气性能，在冷绝缘高温超导电缆系统中已被广泛应用[5-7]。

表1 低温温度下几种绝缘材料的性能参数比较

2.2 绝缘厚度设计

当高温超导电缆电压等级在10 kV 及以上时，绝缘层厚度一般按最大工作电压下的最小击穿场强原则来设计，基本公式为：

式中：r为导体层含半导电层半径；Vmax为最大试验操作电压；Emin为绝缘材料最小击穿场强。

试验操作电压一般指交流工频电压Vac、雷电冲击电压Vimp以及局部放电电压Vm三种情况，每种情况均需考虑一定的安全裕度M=K1×K2×K3，一般取1.2～1.6，对于不同操作电压下的K值表征意义并不相同。绝缘材料最小击穿场强一般按局放起始场强计算，基本公式为：

式中：Vpd为局放起始电压；r1为导体层外半径；r2为绝缘层外半径。

通过对比3 种操作电压下的Δt，取最大值作为绝缘层设计厚度。从式（2）可以看出，不但要分析电缆的电场分布情况，还要考虑绝缘材料的电气性能参数。在冷绝缘高温超导电缆系统中，绝缘层内为固-液混合绝缘，因而需考虑液氮的体积效应。除此之处，还要综合考虑材料的老化系数、温度系数以及研制工艺等因素，做到最优设计[8-10]。

2.3 绝缘研制工艺

超导电缆绝缘纸带绕包与常规电缆的包带绕包形式类似，总体原则基本都是要确保平整、紧密，但因担负的作用不同在工艺参数选择侧重方面有很大不同。对于冷绝缘高温超导电缆，绝缘层一般选择间隙绕包成型工艺，整个绕包过程配以适合的张力，应做到“紧而不皱”，当电缆上盘弯曲后各层绝缘纸也不应产生褶皱现象，否则将大幅降低电缆的电气性能[11]。

常用参考变量绕包角θ和材料宽度b的关系为：

式中：θ为绕包角度；h为绕包节距；D为绕包直径；t为绝缘材料厚度；b为材料宽度；k为绕包间隙宽度Δ与材料宽度b之比值。

文献研究表明，为使超导电缆在满足最小弯曲半径条件下不发生褶皱现象，绝缘层任一半径处的绝缘带绕包张力T应满足以下关系式：

式中：t为包带厚度；c为包带安全系数，一般取0.6～0.8；E1为包带纵向弹性模量；E2为包带横向弹性模量；E3为包带压缩弹性模量；μs为材料静摩擦系数；r为绕包半径；G为包带剪切模量；θ为绕包角度[12]。

2.4 绝缘性能评测

对于冷绝缘高温超导电缆绝缘性能的评测，一般是通过制造哑缆来完成测试内容，样品长度1 m，测试项目（表2）主要包括工频交流耐压/直流耐压、雷电冲击和局放测试，测试方法参考交联聚乙烯绝缘电力电缆或直流输电用挤包绝缘电力电缆等国家标准[13-15]。

表2 冷绝缘高温超导电缆绝缘评测项目及方法

3 绝缘击穿原因分析及绕包工艺优化

3.1 原因分析

冷绝缘高温超导电缆的绝缘击穿最主要原因是绝缘层内部的气隙。为使冷绝缘高温超导电缆具有一定的柔性，绕包绝缘需保留一定量的对接间隙。另外，绝缘纸的表面粗糙度以及绕包环境若存在粉尘微粒都会使绕包层间存在一定的气隙，这些气隙的存在使固体绝缘变成固液绝缘，降低了绝缘层整体介电常数，拉低了局放起始电压，从而更容易发生绝缘击穿。通过总结实践经验，在实施绝缘绕包过程中可以采取以下优化改进措施，尽可能减少额外气隙的产生。

3.2 工艺优化

3.2.1 创建绕包环境

尽可能创建良好的绕包环境，绝缘绕包过程最好在封闭房间内完成，同时对封闭房间进行洁净度、温度和湿度监控，电压等级越高的超导电缆越要选取洁净度高的绕包环境。一组典型的绝缘绕包环境为：空气洁净度GMP 标准B 级；温度22～27 ℃；湿度20%～25%。如不能做到封闭环境，在绕制的中间环节也可以选择暂绕PE薄膜加以防护。另外，操作人员有必要穿洁净服、戴橡皮手套，任何时刻不可用手直接触摸绝缘层表面。

3.2.2 选取最佳工艺

为确保绝缘绕包质量同时防止因电缆弯曲时出现绝缘纸褶皱现象，在进行绝缘绕包时，应选取合适的绕包张力、绕包角度、绕包缝隙以及材料宽度，而这些参数相互制约，一个参数改变，其他参数需随之变化。通常情况，根据超导电缆的电压等级、电缆外径大小、电缆的弯曲半径以及绝缘层防起皱绕等条件限制，绕包张力可在5～15 N 范围内取值、绕包角度可在15～45°范围内取值、绕包缝隙可设置1～2 mm 范围内、材料宽度可在19～27 mm范围内选择，虽然各参数理论计算均正确，但仍需通过实践来检验是否合理。

3.2.3 改良绕包装置

当冷绝缘高温超导电缆为高电压大电流等级时，外径和绝缘厚度都将成倍增加，此时绝缘层数甚至是上百层。由于设备绕包头数量有限，需多次反复上盘、倒盘才能完成绝缘绕包，而目前国内绞缆装置容纳更大盘径能力有限，电缆因多次弯曲受力致使绝缘层出现褶皱现象，额外增加气隙，极大地降低了绝缘能力。为避免这种问题，设计了一套辅助传送装置匹配绕包设备使用（专利号：CN210837288U），配套设备如图1所示，可以省去中间上盘环节，有效避免电缆额外多次上盘弯曲而出现的绝缘褶皱问题。

图1 绝缘绕包设备+辅助传送装置配套使用示意图

4 结语

本文通过对冷绝缘高温超导电缆绝缘层的设计、评测及研制工艺过程分析，总结了绝缘失效的原因及研制工艺的缺陷，提出绝缘层研制工艺优化改进的措施及操作方法，可为冷绝缘高温超导电缆的研究提供一定的参考。