超導直流電纜低溫絕緣材料的研究進展

桑文舉，滕玉平，張 東，陳曉剛，邱清泉，張國民，肖立業

（1.中國科學院電工研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院應用超導重點實驗室，北京 100190；4.國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

高溫超導(HTS)電纜導體選用近似零電阻、高電流密度的超導材料，具有損耗低、傳輸容量大的特點，是解決電網損耗突出、提高輸電容量的有效途徑[1-2]。HTS交流電纜的輸送容量是同電壓等級常規直流電纜的4～6倍，HTS直流電纜的輸送容量是同電壓等級常規直流電纜的2～10倍[3-4]，兩者相比，HTS直流電纜優勢明顯。HTS直流電纜正常運行時，其絕緣中只有電導損耗，沒有高壓交流傳輸時的介質損耗。因此，在進行絕緣材料選型時，電氣性能方面主要考慮其在直流電壓、直流疊加脈沖電壓下的電氣強度，而介質損耗因數不再是關鍵影響因素；力學性能方面主要考察絕緣材料在低溫下的應力、彈性模量等。隨著近年來新能源的大量引入、交直流換流器性能的改進和價格的降低，HTS直流電纜的應用需求量有望超過HTS交流電纜[5-7]。

低溫絕緣是HTS直流電纜穩定運行的關鍵保障。直流電纜的電場分布不同于交流電纜，通電起始時刻，電場強度與介電常數成反比分布；穩態時電場強度與電導率成反比分布。直流電壓下聚合物絕緣材料容易發生極化，隨著運行時間的增加，絕緣體內會逐漸聚集空間電荷，導致局部電場畸變，有可能造成絕緣老化、性能下降甚至絕緣擊穿。因此，對HTS直流電纜絕緣材料在液氮溫區直流高壓下的電導率、介電常數等電氣性能及力學性能的研究尤為關鍵。

本文在查閱大量文獻基礎上，從直流電壓下絕緣材料的電場分布規律入手，分析直流電纜中電場的分布特點，介紹HTS直流電纜的結構，重點綜述低溫絕緣結構HTS直流電纜絕緣材料的研究進展及存在的問題和發展趨勢等，以期為HTS直流電纜的選型提供參考。

1 直流電場下絕緣介質中的電場特點

恒定電場作用下，由于電極電荷的注入、介質中偶極子的取向和介質內部基團的解離，陷阱電荷開始產生并形成介質內部的空間電荷。根據麥克斯韋方程組，介質中的空間電荷密度（ρ）和電場強度()滿足式（1）所示關系。

式（1）中：表示電位移；ε表示介質的絕對介電常數。

恒定電場下，穩態電流為恒定值，電導電流()與電場強度()存在式（2）所示關系[8]。

式（2）中：γ是介質電導率。

介質中的空間電荷密度可表示為式（3）。

恒定電場下，根據電通量定理，介質中的電流連續，存在式（4）～（5）所示關系。

對于聚合物，其電導率與溫度、電場存在式（6）所示關系[9]。

式（6）中：q為單位電荷量，其值為1.6×10-19C；k為玻爾茲曼常數；T為絕緣介質溫度。

可見恒定電場下的介質電導率不僅與溫度有關，而且與所加電場強度有關。

2 常規直流電纜絕緣介質

早期常規直流電纜主要包括充油電纜和浸漬紙絕緣電纜，隨著有機聚合物材料如交流聚乙烯（XLPE）等的發展，充油電纜逐漸被以XLPE絕緣直流電纜為代表的聚合物擠包固體絕緣電纜替代[10]。

根據固體電介質能帶理論[11]，由于聚合物材料的禁帶寬、導帶窄[12]，載流子在禁帶中傳導困難，只能在導帶與價帶中傳導[13]，在恒定電場下極易產生空間電荷積聚，進而導致局部電場畸變，嚴重時甚至引起絕緣擊穿，這是聚合物擠包絕緣用于直流電纜時存在的一個突出問題。

聚合物絕緣用于直流電纜的另一個顯著缺陷是最大電場轉移問題。在雷電沖擊或操作沖擊電壓等暫態情況下，其電場按介電常數(ε)分配。直流電場下，空載或者恒定溫度時，主絕緣介質中的電場按E=U/rln(R/r)分布，其中r表示導體半徑，R表示絕緣層半徑，U表示絕緣層承受電壓，最大電場強度分布于導體表面；隨著半徑的增大，電場強度減小，絕緣表面的電場強度最小。負載時，根據式（6）可知，隨著載荷的增大，溫度上升，電導率變大，電導率最大可增大3個數量級[14]，最大電場可能轉移至絕緣表面[15]，而在超導電纜中，溫度變化通常在10 K之內，甚至更小，溫度變化可以忽略。

3 HTS直流電纜基本結構

HTS直流電纜和HTS交流電纜結構類似，從絕緣結構方面，可以分為熱介質絕緣HTS電纜和低溫介質絕緣HTS電纜[16]，兩種HTS直流電纜的基本結構如圖1和圖2所示[17]。

由于固體絕緣在低溫下的內部應力易引起開裂問題，低溫絕緣結構HTS直流電纜無法采用超過一定厚度的固體絕緣結構，只能采用絕緣薄膜繞包結構。薄膜繞包結構在層與層之間存在間隙，當絕緣層浸漬在液氮中時，液氮滲入絕緣層間隙，構成固-液復合絕緣結構。

圖1 熱介質絕緣HTS直流電纜Fig.1 Warm dielectric insulated HTS DC cable

圖2 低溫介質絕緣HTS直流電纜Fig.2 Cold dielectric insulated HTS DC cable

根據前述麥克斯韋方程可知，HTS直流電纜通電瞬間，電場強度與介電常數成反比分布，有ε1·E1=ε2·E2，液氮的相對介電常數(ε=1.43)遠大于空氣，而薄膜的相對介電常數通常在2.5左右，例如纖維素紙的介電常數為2.21，這就使得液氮和薄膜絕緣層分界面上的電場突變減小，有利于減少局部放電；當HTS直流電纜穩態運行時，電場強度與電導率成反比分布，液氮的電導率為2×10-14S/m，絕緣薄膜的電導率通常在10-14S/m左右，例如牛皮紙的電導率為2.44×10-14S/m，兩者的電導率接近，邊界處電場突變小，因此有利于電場均勻分布。

根據物理學知識，分子能量分布符合式（7）所示玻爾茲曼分布函數[18]。

式（7）中：A為常數；k為玻爾茲曼常數；T為絕對溫度；u為分子能量。

由式（7）可知，分子能量按指數函數分布，分子能量和溫度呈正相關，液氮環境中，絕緣材料分子的熱運動隨溫度降低呈指數關系衰減，根據固體擊穿電子崩理論[19]，絕緣薄膜中二次電子的產生概率降低，不利于電子倍增的形成，提高了絕緣介質的電氣強度。

另外，對于固-液復合絕緣結構，鄭重等[20]研究發現，當液氮垂直于放電方向流動時，即使流速非常小（5.5 mm/s)，也可將放電產生的氣泡帶走，阻礙放電通道的進一步形成，進而減小放電過程中的放電量、放電重復率。其中，放電的放電量與放電重復率都減小了約1個數量級，極大地抑制了局部放電的產生與發展。

4 HTS直流電纜用低溫絕緣材料

4.1 聚丙烯層壓紙

聚丙烯層壓紙(PPLP)是日本住友公司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。PPLP具有較高的電氣強度、較低的介質損耗、良好的浸漬性能，且在-196℃條件下仍具有較好的力學性能，是目前低溫絕緣超導電纜中最常用的絕緣材料。PPLP在液氮溫度下的體積電阻率為2.9×1016Ω·cm，W J KIM等[21]研究發現，隨著溫度的上升，PPLP的體積電阻率下降，300 K時體積電阻率為1014Ω·cm，充電時間對PPLP空間電荷聚集的影響不大，直流電壓下PPLP的壽命指數高于交流電壓下的壽命指數。液氮溫度下PPLP的介電常數為2.21，介質損耗因數為8×10-4，直流擊穿強度為113.85 kV/mm，其中直流擊穿強度比工頻擊穿強度高50%左右[22]。

PPLP的擊穿強度與液氮壓力、PPLP層數、低溫拉伸應力等多個因素有關，S H KIM等[23]通過實驗發現，和交流電壓下的情況類似，直流高壓下PPLP絕緣紙樣品的擊穿強度隨著液氮壓強的增大而增大，在液氮壓強為0.3 MPa時達到峰值，最大正極性擊穿強度為120 kV/mm，最大負極性擊穿強度為130 kV/mm。用2 kV/s的直流步進電壓對厚度為120 μm、層疊率為30%的PPLP材料進行實驗發現，隨著PPLP層數的增加，直流擊穿強度減小，當厚度大于1.43 mm時，隨著厚度的增加，直流擊穿強度減小的速度變緩，逐漸趨于飽和[24]。另有研究表明[25]，在液氮中，隨著拉應力的增加，PPLP材料的絕緣強度略有下降，但總體下降幅度較小。因此，PPLP是一種適用于液氮環境的良好繞包絕緣材料。目前業內通過化學改性來改善PPLP空間電荷特性的研究較少，DU B X等[26]研究發現，對PPLP進行表面氟化改性處理，能顯著減小陷阱的深度，抑制空間電荷的積聚。

PPLP為日本住友公司的專利產品，目前有小批量的研究應用，但隨著超導電纜的實用化進程加快，知識產權問題將成為影響PPLP工業化應用的一個重要制約因素。

4.2 聚酰亞胺

聚酰亞胺(PI)的介電常數為3.0～3.2，電阻率為2.0×1017Ω?cm，0.1%直流擊穿強度為380 kV/mm，是交流擊穿強度的1.9倍。J K SEONG等[27]研究發現，PI在均勻電場下的直流擊穿強度比非均勻強度下的直流擊穿強度高不到5%。直流擊穿強度數據分散性較小，其絕緣性能較穩定；溫度下降，PI薄膜的擊穿強度顯著提高[28]。

沖擊電壓下，液氮中PI薄膜的擊穿強度變化規律和PPLP類似，隨著拉伸應力的增大而減小，但減小幅度很小。直流電壓作用下，液氮中PI薄膜在拉伸狀態下的擊穿強度隨著拉力的增加先增大后減小，但是變化不明顯，變化幅度明顯小于PPLP[29-30]。說明PI對拉伸應力的適應能力優于PPLP，是一種適用于液氮環境的良好繞包絕緣材料。

PI的絕緣性能優異，但其低溫冷縮系數高于導體材料，李艷等[31]利用溶膠-凝膠法在PI體系中引入納米SiO2，提高材料常溫下的強度、韌性等力學性能，發現低溫（77 K）下雜化PI薄膜的拉伸強度隨著SiO2含量的增加而增加，在SiO2的質量分數為3%時達到最大值；在低溫條件下雜化PI薄膜的拉伸強度明顯高于室溫條件下，但其斷裂伸長率相比室溫條件下明顯降低。李元慶等[32]研究發現液氮低溫環境下，隨著納米摻雜物含量的增加，PI/蒙脫土(MMT)復合材料的擊穿強度先增大后減小。劉志凱等[33]研究發現，液氮環境下，摻雜無機片狀納米材料的100CR型PI薄膜的直流擊穿強度為451.1 kV/mm，摻雜納米材料的100HN型PI薄膜的直流擊穿強度為422.9 kV/mm，均是純聚酰亞胺薄膜的1.1倍左右，說明納米粒子的摻雜降低了材料中載流子的遷移率。PI具有較好的耐電暈性能，但是還不能滿足實際的應用要求，M KATZ等[34]研究發現對PI進行納米摻雜可以明顯改善其耐電暈老化性能，但是對于改善機理尚不明確。王曉琳[35]制備了PI/SiO2-A12O3復合薄膜并對其性能進行研究，發現SiO2質量分數為20%時，復合薄膜的耐電暈時間為26.4 h，為PI薄膜的14倍。DU Boxue等[36]對PI薄膜進行氟化改性，發現隨著氟化時間的增加，薄膜的電阻變大，當氟化時間超過45 min時，電阻減小。

電暈放電對PI薄膜的破壞，引起的微觀結構變化以及表面形貌的演化過程已有大量研究[37]，但PI薄膜發生電暈老化擊穿時擊穿位置的分布規律以及原因卻鮮有報道，有待于進一步研究。綜上，納米摻雜改性是當前PI材料的研究熱點。

4.3 Nomex紙

Nomex紙是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，具有優異的電氣性能和力學性能，耐局部放電性能優良。Nomex紙的起始放電電壓低而閃絡擊穿電壓高，這是由于其表面電阻較大，一方面有利于電場集中，使放電容易發生；另一方面由于大量電荷堆積，對放電發展有阻礙作用，使其閃絡電壓升高[19]。在液氮溫度下，Nomex紙的介電常數為3.1，介質損耗因數為1.0×10-3，0.08 mm厚的Nomex紙脈沖擊穿強度為150 kV/mm[38]，直流擊穿強度為238.55 kV/mm[39]，直流擊穿電壓高于交流擊穿電壓，表現出良好的電氣性能。液氮溫度下的絕緣性能比常溫下有數倍的提升?？傮w而言，Nomex紙具有良好的耐高、低溫性能，在液氮溫度下能保持良好的柔軟性和更高的絕緣性能。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，但在均勻性和機械強度方面尚有不足[40]。吳振升等[41]研究表明，常溫下Nomex絕緣紙內部空間電荷的注入量明顯低于Kraft絕緣紙，但Kraft絕緣紙的電荷消散速率和遷移率大于Nomex絕緣紙。上述研究對Nomex紙的力學性能、電氣性能進行了報道，但是在低溫（77 K）直流下，Nomex紙的空間電荷積累、分布、遷移等對其擊穿強度影響的研究未見相關報道。2013年，杜邦公司推出了纖維素與芳綸混合編織的Nomex T910紙，其兼具優良的理化性能和高耐熱性以及高經濟性，作為新型耐高溫絕緣紙，T910紙的性能還有待在實際應用中確認。

目前，Nomex紙作為潛在的HTS直流電纜的絕緣備選材料，尚無實際應用先例，其在低溫下的電氣、力學性能仍待進一步研究。

4.4 纖維素紙

纖維素紙具有較好的浸漬性，在溫度為77 K的液氮浸漬條件下，其相對介電常數為2.21，介質損耗因數為1.4×10-3，體積電導率為2.44×10-14S/m。隨著纖維素紙密度的增大，其體積電阻率減小，對于厚度為0.1 mm、密度為0.85 g/cm3的纖維素紙，其在球-板電極下的正極性直流擊穿強度為200 kV/mm。T KAWASHIMAL等[42]對纖維素紙進行負極性直流電壓預處理，發現預處理前后纖維素紙的擊穿強度基本一致。K IK-SOO等[43]研究發現，液氮下纖維素紙的直流擊穿強度不隨纖維素紙層數的增加而增加，相同電場強度下，單層和多層纖維素紙的電導率一致。S HOLé等[44]研究發現，電場強度達到30 kV/mm時，纖維素紙的空間電荷積累情況和PPLP基本沒有區別。

廖瑞金等[45-47]利用納米Al2O3及納米ZnO對纖維素紙進行改性處理，發現納米改性絕緣紙能有效地抑制空間電荷注入及積累，使得內部電場分布更加均勻；當納米Al2O3的質量分數為1%時，纖維素紙的空間電荷具有難聚集、快消散的特點。因此，通過無機納米顆粒填充改性，改善纖維素紙在直流電場下的空間電荷積累問題，是絕緣材料的一個重要研究方向。他們還發現納米Al2O3摻雜可以提升纖維素絕緣紙的抗張強度等力學性能并改善其介電性能。此外，采用蒙脫土改性的絕緣紙擊穿電壓升高，其納米復合作用可能會阻擋電樹枝的發展[48]。但上述納米改性纖維素紙的電氣性能和力學性能測試均是常溫下進行的，在液氮溫區的電氣性能、力學性能情況未見相關報道。

此外，低溫薄膜絕緣材料還包括如聚酯薄膜、聚四氟乙烯薄膜等，常用于超導磁體或電機的匝間絕緣材料，對于其應用于HTS直流電纜的可行性，本文未做深入探討。

綜上，對低溫薄膜絕緣材料進行納米復合改性和氟化處理，改善其耐局部放電性能和電氣強度是低溫絕緣材料的研究熱點和重要方向[49]。關于低溫下空間電荷的產生、聚集、輸運、消散等對材料絕緣性能的影響及規律性研究還處于材料研究階段，對其應用于超導電力裝置后的空間電荷特性有待進一步研究。

4.5 液氮

液氮作為冷卻介質，同時也作為絕緣介質，介電常數為1.43，電導率為2×10-14S/m。文獻[50-52]研究發現，在直徑為10 mm的不銹鋼球形電極下，間隙為0.3 mm，溫度為77 K時，液氮的直流擊穿強度為67 kV/mm，直流擊穿電壓明顯高于交流擊穿電壓，液氮的電氣強度隨著液氮壓力的升高而增大，直流擊穿強度隨著電極間距的增加而線性增大；液氮的電氣強度和所采用的電極材料有關，用鋼和不銹鋼做電極時其電氣強度大，而用軟的金屬材料如銅、鋁做電極時，其電氣強度最小；正極性擊穿電壓高于負極性擊穿電壓。

低溫交流電壓下，含有氣泡的液氮存在體積效應，擊穿強度小于本征擊穿強度，體積效應隨電極距離的增大而減弱，當電極距離增大至一定值時，擊穿強度和本征擊穿強度基本一致[53]，但對于含有氣泡的工業液氮的低溫直流擊穿特性未見相關報道。

5 結束語

（1）低溫絕緣HTS直流電纜是HTS電力電纜的發展方向，低溫絕緣結構HTS直流電纜的本體絕緣可以選擇液氮浸漬絕緣薄膜的繞包復合絕緣結構；對低溫絕緣材料進行納米復合改性和氟化處理，改善其耐電暈性能、耐局部放電性能，提高其電氣強度是低溫絕緣材料的研究熱點和重要發展方向。

（2）HTS電纜絕緣薄膜材料中，PPLP是最常用的絕緣材料，雖然目前對其低溫電氣性能已經有了一定的研究，但工業化應用存在知識產權障礙。

（3）以聚酰亞胺為基體的雜化改性和對PI材料的氟化處理是現階段研究的熱點，可以顯著提升薄膜的電氣性能和力學性能；纖維素紙用于HTS直流電纜可獲得更優異的綜合性能，高電場強度下，纖維素紙的應用前景更為廣闊。