謝庚強(qiáng)

（河南許昌陽(yáng)光光電線纜有限公司，河南 許昌 461000）

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，人民在生活中對(duì)電力的需求也日益增加，以銅為主要媒介的傳統(tǒng)輸電線電纜，電流輸送過(guò)程中存在電能損耗大的弊端，這就需要在輸電線應(yīng)用上尋找高效、環(huán)保的新型輸電方式。超導(dǎo)電纜具有零電阻的特性，而且大容量、低損耗的超導(dǎo)電纜最適合應(yīng)用于大城市的高密度用電區(qū)域，因此超導(dǎo)電纜在高溫超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)業(yè)中占據(jù)制高點(diǎn)。高溫超導(dǎo)電纜通常是由支撐體、超導(dǎo)層、屏蔽層、絕緣層、隔熱層和保護(hù)層組成的，其中絕緣材料更是以間隔隔離的形式保證電流的輸送，而且為了實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)電纜材料的實(shí)用性，依據(jù)絕緣材料的性能和分類該如何進(jìn)行選擇，就顯得尤為重要。

1 絕緣材料的分類及性能

絕緣材料是指用于使不同電位的導(dǎo)電部分隔離的材料，當(dāng)對(duì)絕緣材料施加電壓的時(shí)候，絕緣材料只產(chǎn)生微弱的電流。固體的絕緣材料較為常見(jiàn)，主要包括絕緣紙、橡膠、塑料、玻璃、陶瓷等，根據(jù)其組成部分，主要分為無(wú)機(jī)、有機(jī)和復(fù)合絕緣材料3大類。

1.1 無(wú)機(jī)的絕緣材料

常用無(wú)機(jī)的絕緣材料主要包括玻璃、陶瓷和云母等，尤其是陶瓷材料具有熔點(diǎn)高、抗氧化及硬度高等特點(diǎn)，由于陶瓷應(yīng)用中韌度和塑性應(yīng)變能力較低，因此不容易加工，成型度較低。

（1）玻璃

玻璃作為絕緣材料應(yīng)用時(shí)具有化學(xué)穩(wěn)定性較好、吸濕性較小、厚度適中等特點(diǎn)，但在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)延展性不足，而且脆性較大等問(wèn)題。

（2）陶瓷

絕緣陶瓷在應(yīng)用過(guò)程中可劃分為氧化性陶瓷和非氧化性陶瓷兩種形式，但在實(shí)際的應(yīng)用中絕緣陶瓷具有電阻率高、抗電弧度高、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，正因?yàn)樘沾刹牧献陨泶嘈暂^大，韌度較低，難以進(jìn)行加工，因此在絕緣材料的應(yīng)用中主要是以絕緣子、絕緣襯套等來(lái)進(jìn)行使用的。

（3）云母

云母內(nèi)部還有不同的堿金屬土金屬離子，在應(yīng)用過(guò)程中有實(shí)用性較高，主要是白云母和金云母。白云母主要是高擊穿場(chǎng)力較強(qiáng)，但是介質(zhì)的損耗較低。金云母具有高耐熱性，質(zhì)地較為柔軟，抵抗彎曲的特點(diǎn)。常見(jiàn)的云母制品主要是由云母碎片或者是用碎云母組合而成的云母紙，但在應(yīng)用過(guò)程中價(jià)格相對(duì)較高，而且碎云母經(jīng)過(guò)加工后韌性較大，若再次

加工成本費(fèi)用較高，因此制約了絕緣材料的應(yīng)用。

1.2 有機(jī)絕緣材料

有機(jī)的絕緣材料由于電氣的絕緣性能的發(fā)展變化，具有耐腐蝕性和易加工的特點(diǎn)逐漸取代了傳統(tǒng)的絕緣材料，而且為了減少絕緣的空間的占有性，有機(jī)材料常用不占空間的薄膜形式來(lái)供應(yīng)絕緣電纜。

（1）交聯(lián)聚乙烯（X L P E）

XLPE相比于PE，在耐老化方面具有可觀的性能，主要是由于PE是經(jīng)高能射線輻射或者是添加一定的交聯(lián)劑得成的。而且由于XLPE的耐環(huán)境開裂的能力較強(qiáng)，在應(yīng)用過(guò)程中由于XLPE的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角的正切值與PE接近，但自身的絕緣抗電阻的阻力進(jìn)一步增大，在室溫的環(huán)境下，XLPE的電阻率高于1016Ω·cm，而且在室溫和液氮的溫度下介電的常數(shù)為2.3，XLPE的抗脆化溫度臨界值也低于PE（XLPE溫度臨界值：-76℃，PE溫度臨界值：-70℃）液氮溫度下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為35kV/mm。

（2）聚四氟乙烯（P T F E）

四氟乙烯的單體經(jīng)過(guò)一系列的聚合性反應(yīng)制成的，PTFE的薄膜在室溫和液氮的溫度下介電的常數(shù)為2.1和2.0～2.2電阻率分別為：3.0×1015Ω·cm和4.0×1014Ω·cm，與PE等絕緣材料的值相比，PTFE自身具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高的低溫性能，工作溫度為-196℃～260℃，但由于分子間的作用力相對(duì)較小，所以機(jī)械強(qiáng)度、耐磨損的性能也相對(duì)較低，但由于PTFE的耐電暈性能較差，因此不適合做高壓絕緣材料。

（3）聚酰亞胺（P I）

主要是通過(guò)酰胺化和亞胺化進(jìn)行合成的聚合物，PI生成的薄膜在室溫和液氮的溫度下的電阻率分別為2.0×1015Ω·cm和2.0×1017Ω·cm，介電常數(shù)主要是在3.0～3.2，介質(zhì)損耗角的正切值處于10-4～10-3，液氮溫度下的擊穿強(qiáng)度高于150kV/mm，工作溫度為-200℃～300℃，其脆化的強(qiáng)度相對(duì)較高，同時(shí)PI的耐電暈和抗張強(qiáng)度對(duì)比PTFE相對(duì)較高，結(jié)合各項(xiàng)數(shù)值考慮，PI絕緣材料產(chǎn)品綜合性能好，但和XLPE 、PTFE相比的話，PI的介電常數(shù)相對(duì)較高，因此在應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)引用極化率較低的氟原子，脂肪族結(jié)構(gòu)單元或是硅氧基團(tuán)會(huì)不同程度地降低介電常數(shù)。

（4）乙丙橡膠

乙丙橡膠（EPR）主要是作用乙烯與丙烯共同進(jìn)行聚合而成的二元共聚物。在室溫下的電阻率為1015Ω·cm～1016Ω·cm之間，室溫以及液氮的溫度下介電常數(shù)分別為2.6～2.7，介質(zhì)損耗角正切值分別為4.0×10-3和3.5×10-4，液氮溫度下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)主要為29kV/mm，此種特性與PE、XLPE相對(duì)比的話，EPR的介質(zhì)損耗度較大，但是在其他性能的控制下優(yōu)于PE、XLPE，而且在液氮的溫度下臨界值較低。

（5）聚丙烯層壓紙（P P L P）

PPLP是以紙漿材料和聚丙烯薄膜為原材料制成的一種絕緣材料。在液氮溫度下的電阻率2.9×1016Ω·cm，室溫以及液氮的溫度下介電常數(shù)分別為2.21，介質(zhì)損耗角正切值分別為4.0×10-4以下，液氮溫度下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)主要為103.78kV/mm，PPLP在低溫的情況下具有較好的機(jī)械性能和絕緣性能，比較適合用于低溫介質(zhì)的超導(dǎo)電纜的絕緣材料。

1.3 復(fù)合絕緣材料

復(fù)合材料主要是兩種或者是以上的材料進(jìn)行組合，達(dá)到協(xié)同效應(yīng)來(lái)彌補(bǔ)某一材料性能上的不足，常見(jiàn)的復(fù)合絕緣材料主要是聚乙烯、聚酰亞胺等為基體的復(fù)合材料。

（1）聚乙烯基復(fù)合材料

在電纜應(yīng)用中，聚乙烯內(nèi)部的空間電荷容易引起絕緣老化的現(xiàn)象，影響其正常使用，一般情況下都會(huì)采用添加無(wú)機(jī)填料進(jìn)行聚合，吸引和捕獲截流子，使絕緣材料內(nèi)部的截流子均勻分布，從而達(dá)到消除內(nèi)部空間電荷的目的。

（2）聚酰亞胺基復(fù)合材料

聚酰亞胺自身具備較好的耐電暈性，但在實(shí)際應(yīng)用中介電常數(shù)相對(duì)較高，為了彌補(bǔ)這一項(xiàng)，可通過(guò)添加納米顆粒來(lái)提高耐電暈性，而且有助于局部的電荷的轉(zhuǎn)移，從而避免電荷集聚導(dǎo)致的電暈擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。

1.4 絕緣材料性能參數(shù)分析（表1）

絕緣材料的應(yīng)用性能主要包括絕緣電阻、相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值以及擊穿場(chǎng)強(qiáng)等參考項(xiàng)，絕緣材料的表面和內(nèi)部有微弱電流通過(guò)，相對(duì)應(yīng)的電阻率分別為表面絕緣電阻和體積絕緣電阻。而電介質(zhì)在外加的電壓作用下發(fā)熱而消耗的電能稱為介質(zhì)損耗。擊穿場(chǎng)強(qiáng)主要是絕緣材料抵抗電擊穿可以承受的能力。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在室溫和液氮的溫度條件下，XLPE、PPLP在考慮綜合性能的情況下是作為絕緣的理想材料。

表1 常用的絕緣材料的性能參數(shù)對(duì)比

2 超導(dǎo)電纜的絕緣材料的應(yīng)用

2.1 超導(dǎo)電纜的本體絕緣

高溫超導(dǎo)電纜根據(jù)其絕緣的介質(zhì)工作溫度可以分為室溫介質(zhì)絕緣和冷介質(zhì)絕緣兩種情形，室溫介質(zhì)絕緣電纜主要是將電絕緣層置于低溫恒溫器之外，其工作的溫度處于室溫的范圍內(nèi)，主要應(yīng)用的常規(guī)的電纜型號(hào)，具有較高可靠性。但室溫介質(zhì)的絕緣電纜損耗較明顯，而且運(yùn)作的費(fèi)用較高。而冷介質(zhì)絕緣超導(dǎo)電纜主要是以超導(dǎo)材料作為磁屏蔽層，可以減小渦流損耗，達(dá)到降低運(yùn)作成本的目的，但在使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)相比于室溫介質(zhì)較為復(fù)雜，在液氮條件下的性能穩(wěn)定性還需進(jìn)行多方的試驗(yàn)驗(yàn)證。

高溫超導(dǎo)電纜本體絕緣根據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為擠包型和饒包型兩種，擠包型絕緣在應(yīng)用中可以減少空隙，降低絕緣材料的局部放電，但若是在低溫的條件下，容易出現(xiàn)開裂的情況，但繞包型絕緣的介質(zhì)損耗較小，但由于內(nèi)部氣隙較大容易導(dǎo)致局部的放電。冷介質(zhì)的絕緣電纜使用中一般采用的是繞包型絕緣材料，室溫的絕緣超導(dǎo)電纜主要采用擠包型。

2.2 室溫超導(dǎo)絕緣材料選擇

室溫絕緣超導(dǎo)電纜所常用的絕緣材料有PE、XLPE和EPR等材料，XLPE在室溫的條件下具有的綜合性能較為穩(wěn)定，因此常用于室溫絕緣超導(dǎo)電纜的使用，而且超導(dǎo)電纜在并網(wǎng)之后配電網(wǎng)運(yùn)行比較平穩(wěn)可靠。

2.3 冷絕緣超導(dǎo)電纜

用于冷絕緣的材料主要是PI和PPLP等，在應(yīng)用中液氮溫度下PPLP綜合性能使用上較為理想，而且是冷絕緣超導(dǎo)電纜常用的絕緣材料，而與室溫絕緣相比，冷絕緣結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

結(jié)語(yǔ)

超導(dǎo)技術(shù)的引用與發(fā)展為電力的發(fā)展帶來(lái)了技術(shù)性的革新，針對(duì)高溫超導(dǎo)電纜的應(yīng)用，電纜本體的絕緣材料選用的研究與設(shè)計(jì)如何朝向?qū)嵱眯园l(fā)展具有至關(guān)重要的作用，因此在操作中如何改進(jìn)和提升超導(dǎo)電纜的損耗度和使用年限，絕緣材料的選用在室溫及液氮條件下如何選擇，如何進(jìn)一步提升絕緣材料的性能，還須進(jìn)行更深入的研究與測(cè)試工作。