湯 昕 郭昱延 楊 鑫

(1長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長沙 410125)

(2冀北廊坊供電公司 廊坊 065000)

(3長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長沙 410004)

冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜用絕緣材料PPLP在液氮中拉伸狀態(tài)下的沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度

湯 昕1郭昱延2楊 鑫3

(1長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長沙 410125)

(2冀北廊坊供電公司 廊坊 065000)

(3長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長沙 410004)

對(duì)聚丙烯復(fù)合纖維紙(PPLP)在液氮中拉伸狀態(tài)下的沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，用韋伯概率分布的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出不同拉伸應(yīng)力下0.1%擊穿概率的沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合相關(guān)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)110 kV冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜本體用PPLP繞包時(shí)的繞包厚度和繞包層數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

聚丙烯復(fù)合纖維紙 沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度 冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜 繞包厚度

1 引言

低溫絕緣(cold dielectric，簡稱CD絕緣)高溫超導(dǎo)電纜(high temperature superconducting cable，簡稱HTS電纜)，其絕緣采用耐低溫絕緣材料，能夠運(yùn)行在液氮溫度下，電纜的屏蔽也采用超導(dǎo)材料，超導(dǎo)電纜的導(dǎo)體、絕緣和屏蔽均置于絕熱套內(nèi)，在液氮溫度下運(yùn)行。相對(duì)于常溫絕緣(warm dielectric，WD絕緣)超導(dǎo)電纜，有效地避免了因泄漏的磁場(chǎng)產(chǎn)生的交流損耗以及對(duì)相鄰超導(dǎo)電纜導(dǎo)體臨界電流退化的影響，自2005年后，世界各國進(jìn)行的超導(dǎo)電纜研究項(xiàng)目都采用了CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜［1-2］。

聚丙烯復(fù)合纖維紙(polypropylene laminated paper，PPLP)是日本J-Power公司研制的一種復(fù)合絕緣紙，由兩層牛皮紙和一層聚丙烯(PP)膜復(fù)合而成。PPLP在液氮環(huán)境中具有優(yōu)良的電氣性能和一定的機(jī)械性能，被廣泛用作冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的繞包型絕緣材料。PPLP在低溫條件下電氣性能的研究已有大量研究，張智勇等人研究了PPLP在液氮浸漬條件下的交流擊穿電壓隨液氮壓力的變化關(guān)系［3］;Cheon H G 等人［4］研究了多層PPLP疊加后交流和沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度隨絕緣厚度的變化關(guān)系。

但PPLP作為繞包型絕緣材料在使用中都需要承受一定的繞包張力。張智勇等人研究了用PPLP進(jìn)行繞包時(shí)繞包張力的計(jì)算方法［5］，認(rèn)為要到“緊而不皺”的繞包效果，繞包張力應(yīng)在4—9 N之間。低溫環(huán)境中，材料普遍會(huì)變脆，拉伸應(yīng)力對(duì)絕緣材料的絕緣擊穿強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因而有必要對(duì)PPLP在液氮中拉伸狀態(tài)下的絕緣擊穿強(qiáng)度進(jìn)行研究。楊鑫等研究了PPLP在液氮中老化處理后的交流、直流擊穿強(qiáng)度隨拉伸應(yīng)力的變化關(guān)系［6］;李衛(wèi)國等對(duì)比研究了PPLP在常溫大氣環(huán)境和液氮環(huán)境中拉伸狀態(tài)下交流、直流絕緣擊穿強(qiáng)度對(duì)拉伸應(yīng)力變化關(guān)系［7］。

沖擊擊穿強(qiáng)度是反映介電材料絕緣性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，本文在設(shè)計(jì)的用于測(cè)量液氮中薄膜型絕緣材料拉伸狀態(tài)下絕緣強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)PPLP在液氮中沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度隨拉伸應(yīng)力的變化關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;根據(jù)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而對(duì)110 kV冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜本體用PPLP繞包時(shí)繞包厚度和繞包層數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置、方法和數(shù)據(jù)處理方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

圖1給出了整體實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)電源為400 kV沖擊電壓發(fā)生器，可以提供波前時(shí)間和半波峰值時(shí)間分別為1.2 μs和50 μs(誤差分別在30%和20%以內(nèi))的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波。分壓器為BHT 400 kV弱阻尼電容式分壓器，變比為420∶1，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)波形。用長、寬、高分別為400、300和的立方體型泡沫容器用于盛放液氮。實(shí)驗(yàn)時(shí)，電極系統(tǒng)放置于盛有液氮的泡沫容器中。

圖1 整體實(shí)驗(yàn)接線圖Fig.1 Hole experiment setup

圖2給出了用于拉伸實(shí)驗(yàn)的電極和試品系統(tǒng)。一對(duì)直徑為6 mm的棒-棒電極，頂端做成直徑2 mm的倒角，分別固定于固定環(huán)氧板塊和移動(dòng)環(huán)氧板塊內(nèi)，環(huán)氧板塊內(nèi)共固定5對(duì)相同的電極，從上至下依次排列。薄膜試品夾于兩板塊的電極中間，上端固定，下端懸掛砝碼，從而使試品處于拉伸狀態(tài)。試品固定好，加砝碼之后，可進(jìn)行5次擊穿實(shí)驗(yàn)。

圖2 試品拉伸狀態(tài)擊穿實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experiment setup for breakdown test at tensile status of specimens

文獻(xiàn)［5］指出，PPLP繞包于通流導(dǎo)體上時(shí)，一般承受的繞包張力為4—9 N，同時(shí)考慮泡沫容器的承受能力，砝碼質(zhì)量分別選擇0.5、1、和2 kg三種，在液氮中對(duì)試品的拉伸力分別為4.01、8.036和16.07 N。試品為聚丙烯復(fù)合纖維紙(PPLP)，厚度為0.119 mm。材料所受的拉伸應(yīng)力σ可由σ=F/(w·t)計(jì)算(F為試品受到的拉力，w為試品寬度，t為試品厚度)，可得不同砝碼質(zhì)量下PPLP的拉伸應(yīng)力，如表1所示。

表1 不同砝碼質(zhì)量下PPLP承受的拉伸應(yīng)力Table 1 Tensile stresses suffered by PPLP at different weights

沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)方法采用首先設(shè)定一個(gè)較低的電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果沒有擊穿，則增加2 kV繼續(xù)進(jìn)行，直至試品擊穿。

不同情況下的各種材料均進(jìn)行10次擊穿實(shí)驗(yàn)，絕緣擊穿強(qiáng)度Ei由Vi/t計(jì)算得來(Vi表示每次的擊穿電壓，kV;t表示薄膜材料的厚度，mm)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

國標(biāo)GB/T16927.1-1997對(duì)于破壞性放電實(shí)驗(yàn)，推薦采用正態(tài)分布、韋伯分布和二重指數(shù)分布來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析［8］。工程用固體電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，一般遵從韋伯分布［9］。對(duì)于二維參數(shù)的韋伯分布，概率分布如式(1)所示:

式中:E是隨機(jī)變量，指絕緣擊穿強(qiáng)度(kV/mm)，m稱為形狀參數(shù)，η稱為尺度參數(shù)。

對(duì)PPLP在液氮中各個(gè)拉伸應(yīng)力下的多次絕緣擊穿強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照韋伯概率分布的方法進(jìn)行了處理，得出50%擊穿概率的絕緣擊穿強(qiáng)度E50%，用于反映沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度對(duì)拉伸應(yīng)力的變化規(guī)律;0.1%擊穿概率的絕緣擊穿強(qiáng)度E0.1%，為超導(dǎo)電力裝置的絕緣設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

PPLP在液氮環(huán)境中拉伸狀態(tài)下的沖擊擊穿強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果的韋伯分布如圖3所示。由韋伯概率分布的計(jì)算，可得出液氮中PPLP拉伸狀態(tài)下的50%擊穿概率和0.1%擊穿概率沖擊擊穿強(qiáng)度E50%、E0.1%，見表2。

圖3 PPLP在液氮中拉伸狀態(tài)下沖擊擊穿強(qiáng)度的韋伯概率分布Fig.3 Weibull plot of impulse breakdown strength for PPLP in liquid nitrogen

表2 PPLP在液氮中拉伸狀態(tài)下的沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度Table 2 Impulse breakdown strengthes of PPLP under tensile status in liquid nitrogen

由圖3和表2中的數(shù)據(jù)可見，PPLP在液氮中的沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度隨拉伸應(yīng)力的增加而下降，但總體下降幅度較小，3.85 MPa拉伸應(yīng)力下相對(duì)于無拉力時(shí)，僅下降3.26%。

4 110 kV冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜本體PPLP絕緣繞包厚度和層數(shù)的設(shè)計(jì)

計(jì)算電纜本體絕緣厚度的方法可按最大場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)的方法來計(jì)算，如式(2)所示。

式中:U為絕緣應(yīng)承受的最高電壓，kV;E為絕緣材料的絕緣擊穿強(qiáng)度，kV/mm;r0為通流導(dǎo)體半徑，mm;m為安全裕度。

110 kV超導(dǎo)電纜本體絕緣要承受的最高工頻電壓為200 kV，最高雷電沖擊電壓為550 kV;m取1.2;設(shè)計(jì)通流能力按3 kA考慮，通流導(dǎo)體半徑 r0取20 mm。

文獻(xiàn)［7］中給出了PPLP在液氮中交流擊穿強(qiáng)度隨拉伸應(yīng)力的變化關(guān)系，認(rèn)為考慮繞包張力情況下，0.1%擊穿概率的交流絕緣擊穿強(qiáng)度Eac0.1%按91 kV/mm考慮。本文得出的考慮拉伸應(yīng)力時(shí)0.1%擊穿概率的沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度Eim0.1%為134 kV/mm。

文獻(xiàn)［4］指出PPLP材料多層繞包時(shí)，隨著繞包層數(shù)的增加，總體的絕緣強(qiáng)度呈不斷下降的變化趨勢(shì)，繞包層數(shù)從3層至6層時(shí)，絕緣強(qiáng)度下降程度較大，9層之后絕緣強(qiáng)度趨于平緩，認(rèn)為可選擇9層繞包時(shí)的絕緣強(qiáng)度作為多層繞包的絕緣強(qiáng)度，對(duì)PPLP材料9層疊加時(shí)的絕緣強(qiáng)度和單層時(shí)絕緣強(qiáng)度進(jìn)行折算，折算系數(shù)沖擊電壓下取0.44，工頻電壓下取0.42。因而得出對(duì)多層繞包時(shí)工頻擊穿強(qiáng)度Eac取38.22 kV/mm;沖擊擊穿強(qiáng)度Eim取58.96 kV/mm。

根據(jù)選擇的工頻和沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度，按式(2)計(jì)算為滿足工頻和沖擊耐受電壓的要求，得到絕緣厚度分別為5.5328和11.252 2 mm。為了保證絕緣設(shè)計(jì)的可靠性，應(yīng)取較大值，即滿足沖擊耐壓要求時(shí)的絕緣厚度11.252 2 mm。

選擇的繞包材料PPLP寬度為35 mm，厚度為0.119 mm，由于繞包時(shí)層與層之間相互交疊，絕緣厚度t與繞包層數(shù)的關(guān)系可由式(3)計(jì)算。

式中:d0表示PPLP薄膜厚度，取0.119 mm;n為繞包層數(shù);k為交疊系數(shù)，經(jīng)測(cè)量，本設(shè)計(jì)取1.5。由于繞包層間相互交疊，層間交疊縫隙中的氣泡等因素更容易產(chǎn)生局部放電，因而在計(jì)算的厚度11.252 2 mm的基礎(chǔ)上，再保留一定的裕度，實(shí)際設(shè)計(jì)的繞包層數(shù)為84層，由設(shè)計(jì)的繞包層數(shù)最終確定的絕緣厚度為14.994 mm。

5 結(jié)論

(1)通過實(shí)驗(yàn)，得到了PPLP在液氮環(huán)境中沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度隨拉伸應(yīng)力的變化關(guān)系。PPLP材料隨拉伸應(yīng)力的增加，沖擊絕緣強(qiáng)度緩慢下降，說明其對(duì)拉伸應(yīng)力具有良好的適應(yīng)能力，是一種低溫環(huán)境中良好的繞包絕緣材料。

(2)沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度對(duì)繞后型絕緣結(jié)構(gòu)下繞包厚度的計(jì)算具有決定性的作用。根據(jù)測(cè)量的PPLP液氮環(huán)境中考慮拉伸應(yīng)力影響的沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了110 kV冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜本體的繞包層數(shù)和絕緣厚度，分別為84層，14.994 mm。

1 應(yīng)啟良.低溫絕緣(CD)高溫超導(dǎo)電纜屏蔽層電流對(duì)超導(dǎo)導(dǎo)體和屏蔽電流分布的影響［J］.電線電纜，2009(2):7-15.

2 Suzuki H，Takahashi T，Okamoto T.Electrical insulation characteristics of cold dielectric high temperature superconducting cable［J］.IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation，2002，9(6):952-957.

3 張智勇，宗曦華，韓云武，等.冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜用絕緣材料PPLP液氮浸漬擊穿場(chǎng)強(qiáng)特性研究［J］.稀有金屬材料與工程，2008，37(4):402-403.

4 Cheon H G，Kwag D S，Choi J H，et al.A study on thickness effect of HTS cable for insulation design［C］.7th European Conference on Applied Superconductivity，2006:889-892.

5 張智勇，宗曦華，張喜澤，等.低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜PPLP絕緣繞包張力選擇和計(jì)算［J］. 電線電纜，2009，5:9-10，14

6 楊鑫，李衛(wèi)國，郭昱延，等.液氮環(huán)境中3種聚合物薄膜老化和拉伸狀態(tài)下的絕緣強(qiáng)度［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(3):759-764.

7 李衛(wèi)國，楊鑫，郭昱延，等.不同環(huán)境中三種聚合物薄膜拉伸狀態(tài)下的交、直流絕緣強(qiáng)度研究［J］.低溫物理學(xué)報(bào)，2013(2):44-49.

8 西安高壓電器研究所和武漢高壓研究所.GB/T 16927.1-1997高電壓試驗(yàn)技術(shù)［S］.北京:國家技術(shù)監(jiān)督局，1997.

9 陳季丹，劉子玉.電介質(zhì)物理學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

Impulse dielectric breakdown strength of PPLP used as dielectric material for cold dielectric high temperature superconducting cable in liquid nitrogen

Tang Xin1Guo Yuyan2Yang Xin3

(1Changsha Electric Power Technical College，Changsha 410125，China)
(2Jibei Langfang Power Supply Company，Langfang 065000，China)
(3College of Electrical and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410004，China)

The impulse dielectric breakdown strength experiment of polypropylene laminated paper(PPLP)under tensile status in liquid nitrogen was done.The experimental results were processed by Weibull plot method.The impulse dielectric breakdown strength of 0.1%breakdown probability under different tensile stresses was achieved.Combined experimental results and design method related，the lapping thickness and layers of PPLP used for 110 kV cold dielectric HTS cable were designed.

PPLP;impulse dielectric breakdown strength;cold dielectric high temperature superconducting cable;lapping thickness

TB663、TM215.1

A

1000-6516(2013)04-0050-04

2013-05-12;

2013-07-22

湯 昕，女，30歲，碩士、講師。