陳卓正，李華強，鐘力生

（西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

0 引言

電力電纜是城市用電以及遠距離跨海輸電的重要組成部分，電力電纜的安全可靠運行是輸電穩(wěn)定性的重要保障[1-5]。通常電力電纜可以分為擠包絕緣電纜和繞包絕緣電纜，如常用的交聯聚乙烯（crosslinked polyethylene，XLPE）電纜和充油電纜等。20世紀70年代初日本住友公司開發(fā)出聚丙烯層壓紙（polypropylene laminated paper，PPLP）作為充油電纜復合絕緣材料，PPLP有效結合了固體絕緣材料的力學性能與液體絕緣材料的自恢復特性，具有良好的絕緣性能與力學性能[6-8]。

海洋風力資源是公認的優(yōu)質綠色能源，世界上許多國家都在大力開展海上風電的開發(fā)[9-12]。但海上風電資源一般集中在離岸較遠的深海區(qū)域，同時為了降低輸電損耗，研發(fā)高電壓、長距離的跨海輸電海纜已成為行業(yè)的發(fā)展趨勢[13-14]。盡管聚合物電纜越來越多地應用于海纜輸電領域，但由于其存在的空間電荷效應，直流工況下長時間工作仍有可能出現絕緣問題。目前我國高電壓、長距離XLPE 海纜的運行經驗不足，XLPE 電纜絕緣料主要依賴進口，因此在高壓直流應用中PPLP 電纜仍然是一種可行的替代方案。研究PPLP 電纜作為XLPE 擠包絕緣電纜的有效補充，對于開發(fā)我國海上風力資源具有重要意義。

在電力傳輸過程中能量的損耗不可避免。由銅芯或鋁芯制成的傳統(tǒng)電纜在傳輸過程中的線損約為15%，據統(tǒng)計，我國每年電力傳輸過程中的線損就超過數百億千瓦時[15]。為了提高經濟效益，同時節(jié)約能源，降低輸電過程中的電能損耗一直是電力行業(yè)重要的研究方向[16-17]。超導技術的出現大幅降低了輸電過程中的能量損耗，使零損耗輸電成為可能[18-21]。高溫超導（high temperature superconduc‐tivity，HTS）電纜是一種基于高溫超導技術（臨界溫度高于77 K），可以實現大容量、低損耗電能傳輸的電纜。HTS 電纜的絕緣方式可以分為室溫絕緣與低溫（冷）絕緣兩種形式[22-23]。冷絕緣HTS 電纜是絕緣材料工作在液氮溫度下（約77 K）的HTS 電纜。研究發(fā)現，PPLP在液氮環(huán)境中具有比常溫環(huán)境中更優(yōu)秀的電氣性能，十分適合作為冷絕緣HTS 電纜的絕緣材料[24-25]，近年來國際上出現了許多針對PPLP在低溫環(huán)境下的介電性能以及采用PPLP 為主絕緣材料的冷絕緣HTS電纜的相關研究。

本文綜述國內外針對PPLP 材料在交流、直流條件下電氣性能的研究進展，以及采用PPLP 作為主絕緣材料的高壓電纜和冷絕緣HTS 電纜的發(fā)展應用現狀，并展望其發(fā)展趨勢。

1 PPLP絕緣材料及PPLP電纜結構

PPLP 是一種由牛皮紙（kraft paper）與聚丙烯（polypropylene，PP）薄膜復合而成的絕緣材料。采用在兩層牛皮紙中間夾入PP 薄膜的結構，如圖1 所示。PPLP不僅具有PP材料優(yōu)良的電氣性能，在浸漬絕緣油的條件下運行還具有液體絕緣的自修復特性。與傳統(tǒng)牛皮紙絕緣相比，這種結構具有更高的交流、脈沖和直流電氣強度以及更低的介質損耗。

圖1 PPLP結構示意圖Fig.1 Structure diagram of PPLP

PPLP 高壓電纜一般由銅芯、油道、PPLP 絕緣層、鉛包等部分組成。對于海纜還會增加金屬鎧裝層、防蟲層等結構來提高電纜抵御海底環(huán)境、生物影響的能力。圖2 為廈門220 kV 春闈Ⅱ路海底電纜工程采用的一種PPLP 絕緣復合光纖電纜的斷面圖。該海纜是由銅單芯、鉛包、徑向加強層、回流導體、PE 防腐蝕層、單粗圓鋼絲鎧裝等結構組成的自容式充油電纜[26]。

圖2 220 kV自容式充油PPLP絕緣復合光纖電纜斷面圖Fig.2 Diagram of 220 kV self-contained oil-filled PPLP insulated composite optical fiber cable

HTS 電纜的結構與普通PPLP 充油電纜不同，通常由導體、冷卻系統(tǒng)、絕緣材料和低溫下的高壓絕緣等部分組成，大多采用單相或三相平行軸以及三相同軸的結構，一般結構如圖3所示。

圖3 冷絕緣HTS直流電纜基本結構圖Fig.3 Basic structure diagram of cold insulated HTS DC cable

2 PPLP的介電、理化特性

2.1 常溫PPLP的電氣性能

20 世紀70年代末，國內外學者開始關注PPLP的介電性能并開展許多研究。常憲民等[6]對十二烷基苯（DDB）浸漬條件下的PPLP 材料研究發(fā)現，相同條件下油浸PPLP 的介質損耗因數（tanδ）只有油浸紙tanδ的一半，相對介電常數εr則由3.5～3.6降低至2.6左右，減小了約28%；PPLP的交流電氣強度較傳統(tǒng)超高壓電纜紙可以提高15%以上，直流電氣強度可以提高30%以上。增大油壓可以有效提高電氣強度，在15 kg/cm2壓力下的交流電氣強度較常壓下提高80%，但這種方法無法明顯提高直流電氣強度；在6 kg/cm2的油壓下通過疊加多層PPLP 材料，發(fā)現PPLP 的厚度對交流瞬時擊穿性能的影響是非線性的，球-板電極下的工頻實驗結果如圖4 所示，隨著厚度的增加，其對交流擊穿電壓的影響減弱，薄層強化效應明顯。周紹昌[7]研究了不同溫度下PPLP 介質損耗因數的變化情況，發(fā)現在20℃下PPLP 的tanδ比普通絕緣紙降低了50%～60%，在80℃下降低了70%。

圖4 工頻球板電極下不同厚度PPLP的電氣強度Fig.4 The electric strength of PPLP with different thickness under power frequency and spherical plate electrode

CHEN G 等[27]在60℃溫度下分別測量了牛皮紙、聚丙烯和PPLP 的直流電導率，發(fā)現三者的直流電導率均處于10-15～10-16S/cm 數量級。DDB 浸漬的牛皮紙與聚丙烯薄膜的電導率均隨著外加電壓的增大而增大，但DDB 浸漬的PPLP 電導率卻基本不受外加電壓的影響。作者認為該現象是牛皮紙與聚丙烯之間的界面阻礙了載流子的運動導致的；研究還發(fā)現，施加相同的外加電場，60℃溫度下正負電荷的注入與衰減速度均明顯高于室溫下電荷的注入與衰減速度。

PPLP 材料在常溫下的電氣性能明顯優(yōu)于普通的超高壓電纜紙。相比于常用的XLPE 材料，在直流工況下PPLP 的電導特性似乎不受電壓的影響，使得PPLP 在柔性直流輸電領域可能會得到更好的應用。

2.2 低溫PPLP的電氣性能

冷絕緣高溫超導電纜的絕緣材料要求在液氮條件下具有良好的性能。王之瑄等[28]對普通電纜紙、PPLP、聚酰亞胺薄膜與LDPE 薄膜4種材料在液氮溫度下的絕緣性能進行比較，認為PPLP 是最適合冷絕緣超導電纜的絕緣材料，測試結果如表1 所示。雖然LDPE 在低溫下的電氣性能優(yōu)異，但這一溫度下其力學性能較差。日本豐橋技術大學曾對2 mm 厚擠包LDPE 絕緣HTS 電纜進行測試，在冷卻過程中由于LDPE 與低溫金屬容器的收縮率不同，導致LDPE 在170 K 左右產生裂紋[29]。PPLP 因其在液氮中具有良好的浸漬性、力學性能和電氣性能，被廣泛應用于冷絕緣高溫超導電纜的主絕緣[30]。

表1 液氮溫度下4種絕緣材料的比較Tab.1 Comparison of four insulating materials at liquid nitrogen temperature

國內外學者對液氮條件下PPLP 的電氣性能進行了廣泛的研究。LI W 等[31]分別在空氣與液氮條件下利用柱-板電極對PPLP 薄片的擊穿特性進行測試，發(fā)現液氮條件下PPLP 的交流電氣強度和直流電氣強度都較常規(guī)條件下有一定的提高，結果如表2 所示。DU H 等[32]研究了不同電壓測試方案下PPLP樣品在室溫和低溫下的擊穿特性，發(fā)現相同實驗條件下，無論交流電壓還是直流電壓，PPLP 樣品低溫下的電氣強度均高于常溫下的電氣強度，PPLP樣品在直流電壓下的電氣強度幾乎是交流電壓下的2 倍，這與LI W 等得出的結論基本一致。W J KIM 等[33]對不同溫度下PPLP 片材的體積電阻率進行了測量，將帶保護電極的PPLP 浸漬在液氮（77 K）、液氬（87 K）與硅油（300 K）中，利用高壓直流試驗機，通過在電壓0.5～10 kV 下1 min 的泄漏電流來估算其體積電阻率，發(fā)現77 K 液氮環(huán)境下PPLP片材的體積電阻率約為1014Ω·m，且隨著溫度升高，材料的體積電阻率降低；在300 K 硅油環(huán)境下體積電阻率約為1012Ω·m。I KWON 等[34]對比測試了液氮條件下PPLP 與牛皮紙的電導率，結果如表3 所示，單層、雙層和四層PPLP 與牛皮紙試樣的電導率受試樣層數的影響較小，變化率為7%左右，而牛皮紙的電導率大約是PPLP的3.25倍。

表2 空氣與液氮條件下PPLP的擊穿特性Tab.2 Breakdown characteristics of PPLP in air and liquid nitrogen

表3 液氮條件下PPLP與牛皮紙的電導率Tab.3 Conductivity of PPLP and kraft paper in liquid nitrogen

彭暢等[35]測試了液氮環(huán)境下PPLP的擊穿特性，采用三參數Weibull分布處理得到0.1%Weibull分布概率對應的PPLP 直流電氣強度為74.88 kV/mm，雷電沖擊電氣強度為67.60 kV/mm。

PPLP在低溫下具有優(yōu)異的電氣性能，價格也相對較低，在超導電纜絕緣領域具有很強的競爭力。隨著未來超導技術的不斷進步，超導電纜工程的不斷建設，PPLP預計會被更多地應用在超導電纜上。

2.3 PPLP的空間電荷效應

近年來，對遠距離高功率傳輸的巨大需求推動了高壓直流輸電技術的快速發(fā)展。相比交流輸電技術，直流輸電技術更適合長距離、大容量的電能輸送[36]。在超導電纜中，HTS 交流電纜系統(tǒng)的損耗約為傳統(tǒng)電纜的50%～60%，而HTS 直流電纜則可以降到20%左右，具有損耗更低、尺寸更緊湊、容量更大等優(yōu)點。在聚合物絕緣電纜中，絕緣料中空間電荷的形成和電荷動力學對高壓直流電纜的高效可靠運行起著至關重要的作用，研究PPLP 的空間電荷效應對發(fā)展PPLP直流電纜具有重要意義。

目前，關于XLPE 電纜絕緣中的電荷特性研究已經較為完善，但對PPLP 復合絕緣材料中的電荷特性認識還存在不足。近年來國內外學者對PPLP的空間電荷效應做了一些研究。CHEN G 等[27]利用電聲脈沖技術（PEA）對單層和多層PPLP 的電荷動力學進行了實驗研究，對PPLP 施加8 kV/mm 的外加電場并進行電場演變測試。圖5為在不同的測試時間內一層PPLP 上的空間電荷密度與電場強度的分布規(guī)律，在多層PPLP 絕緣系統(tǒng)中各層PPLP 仍遵循這一規(guī)律。從圖5 可以看到，在50 min 時PP 上的電場幾乎加倍，而牛皮紙上的電場顯著降低，由此得出結論：牛皮紙與PP的界面起到阻礙載流子運動的屏障作用。作者認為這種電場分布是十分理想的，施加在PP上的電場強度顯著增加，由于PP 的電學性能更強，可以承受更大的電場而不發(fā)生劣化。XU Z等[40]研究了PPLP樣品在不同浸漬條件下的空間電荷行為，發(fā)現含水率對牛皮紙層的電荷動力學有較大影響，但對PP 層的電荷動力學影響不大；水分含量主要通過改變可用載流子的數量來影響空間電荷行為，較高的含水量會導致大量的電離衍生空間電荷，并以較高的遷移率遷移。低黏度的浸漬劑具有較強的吸濕性，導致較高的電荷遷移率，而使用高黏度的浸漬劑時，電荷的遷移率明顯降低。XU Z 等[41]還研究了40 kV/mm 外加電場作用下PPLP 的空間電荷行為，結果在PP 中發(fā)現了快速移動的同性電荷注入，注入電荷和電離電荷可以被DDB 浸漬狀態(tài)下的牛皮紙捕獲，圖6 為PPLP 中的電荷流向示意圖。W J KIM 等[33]研究發(fā)現空間電荷密度隨著直流電壓逐漸增大，而空間電荷的積累對充電時間相對不敏感。

圖5 空間電荷密度與電場強度的分布規(guī)律Fig.5 Distribution laws of space charge density and electric field intensity

圖6 PPLP中的電荷Fig.6 The charge in PPLP

PPLP具有十分優(yōu)異的空間電荷分布，可以承受很強的直流場強，同時可以更持久地維持這種電荷分布。隨著柔性直流輸電技術的不斷發(fā)展與相關工程的大力建設，PPLP在這一領域的應用前景十分廣闊。

2.4 PPLP的力學性能

作為冷絕緣HTS 電纜的主絕緣材料，PPLP 在低溫下的力學性能十分重要。A B GOROSPE 等[42]對比測試了PPLP 在常溫與77 K 下的力學性能，發(fā)現PPLP 在77 K 下的破壞應力和楊氏模量比常溫下提高了近1 倍，但材料的延展性顯著降低。W J KIM 等[43]也對室溫與液氮溫度條件下PPLP 的拉伸性能進行了測試，結果如表4所示。室溫下PPLP的楊氏模量為4.7 GPa，而液氮溫度下楊氏模量增長到10.7 GPa，斷裂伸長率從2.8%下降到1.0%，這也驗證了A B GOROSPE 等[42]的結論。同時，在破壞載荷與破壞應力的測試數據上，液氮溫度下PPLP 的性能均要優(yōu)于室溫條件下。

表4 PPLP的拉伸性能Table 4 Tensile properties of PPLP

作為對比，LDPE與XLPE等常見聚合物絕緣材料在77 K 下雖然也具有優(yōu)異的電氣性能，但由于其脆化溫度較高，無法滿足工程要求，無法作為HTS電纜的絕緣材料[29]。PPLP 在液氮溫度下具有比室溫下更好的力學性能，更適合應用在HTS電纜上。

2.5 PPLP的溶脹問題

早期曾出現過很多聚合物絕緣材料，但往往因為聚合物與絕緣油的相容性問題而無法實際應用，相容性是目前研究油浸絕緣材料時必須考慮的重要因素[44-45]。PPLP 在絕緣油中也會有略微的溶解，污染絕緣油使其絕緣性能劣化，同時會發(fā)生溶脹現象，增大絕緣層的徑向壓力，造成絕緣紙開裂、力學性能下降、油流阻力增大等問題。溶脹問題是早期限制PPLP 材料發(fā)展的一大因素。溶脹率可由式（1）計算得到。

式（1）中：?t表示厚度的增加量；t0表示PP 薄膜的初始厚度。

為研究PPLP 的溶脹問題，鄧長勝[46]對國產CPC-125型PPLP和相同結構的進口PPLP進行對比測試，發(fā)現國產PPLP 的24 h 溶脹率為8.75%，遠大于進口PPLP 的溶脹率4.5%。高良玉等[47]認為PPLP溶脹的程度與PP薄膜的結晶度等參數有關，研究發(fā)現，提高PP 的結晶度、取向度和分子量可以有效提高PPLP 在油中的穩(wěn)定性。但提高聚合物的結晶度會使其變脆，過高的結晶度易使PP薄膜開裂。另外實驗研究了不同溫度下PP薄膜浸漬絕緣油的表現，發(fā)現室溫下浸漬30 天后PP 薄膜的微觀結構與強度特性變化不大，而100℃下浸漬30天后PPLP的電氣強度和抗張強度均有明顯的下降。卓金玉等[48]認為，在加工過程中將PP的結晶度控制在70%左右比較合適。針對PPLP 的溶脹問題，住友公司與巴川制紙公司合作研發(fā)了PPLP 的新法加濕處理技術，據介紹該技術可以使PPLP中PP層的允許膨脹厚度比原來的加濕技術增加4倍[49]。

3 PPLP電纜的應用

3.1 PPLP充油電纜的應用

1972年日本住友公司研制出PPLP 復合紙，并于1974年進行了275 kV PPLP 充油電纜的實驗研制。我國沈陽電纜廠1978年試制了PPLP 電纜樣品，于次年成功研制了長度為50 m 的PPLP 高壓500 kV充油電纜。又于1983年研制了110 kV PPLP電纜樣品，其介質損耗因數在0.001～0.001 5。1982年日本將PPLP 絕緣1 500 mm2電纜敷設于關西電力公司的南大阪泉北線，同時還有兩條275 kV 的PPLP 電纜線路投入運行，全長約為21 公里。住友公司還向美國Phelps Dodge 公司提供了PPLP，成功制成了765 kV 鋼管充油電纜。1994年，Hydro Que‐bec公司和住友公司合作研發(fā)了800 kV PPLP 電纜。1999年新加坡在Tuas發(fā)電站到Ayer Rajah和Labra‐dor變電站之間鋪設了400 kV的PPLP電纜。

國家對海洋資源開發(fā)力度不斷加大，海上風電平臺得到大力建設，高電壓等級、大容量、低損耗的海纜必定是未來的發(fā)展方向。PPLP 充油海纜在高電壓等級輸電方面具有優(yōu)勢，相同截面積的自容式充油PPLP 海纜與XLPE 海纜相比，其絕緣厚度更小，長期允許載流量略大，輸送容量略大，質量略輕且價格偏低。在廈門電力進島I 通道第一回電纜改造工程進行海纜選型時，對XLPE 絕緣與自容式充油PPLP 絕緣兩種海纜進行了比較[50]，如表5 所示。XLPE 絕緣海纜由于采用緊壓導體技術生產，具有較大的導體集膚效應，大幅增大了導體電阻，需要增大回流導體截面或采用銅鎧裝以滿足送電容量的要求，導致成本較高。而自容式充油PPLP 電纜雖然維護成本高且存在漏油風險，但通過配備可靠的監(jiān)控系統(tǒng)與合理的電纜結構設計可以有效降低維護工作量與漏油風險。廈門220 kV 春圍Ⅱ路海底電纜工程首次在國內使用了2 500 mm2大截面、220 kV 高電壓等級的自容式充油PPLP 絕緣復合光纖電纜[26]，線路全長21.45公里。

表5 相同截面積XLPE海纜與自容式充油PPLP海纜對比Fig.5 Comparison between XLPE and self-contained oil-filled PPLP insulated marine cables with the same cross-sectional area

3.2 冷絕緣PPLP高溫超導電纜

高溫超導傳輸技術以其損耗低、傳輸容量大、體積小等優(yōu)點受到世界各國的廣泛關注。世界上許多國家與組織都在積極研制HTS 電纜，以滿足未來人類對電力傳輸的巨大需求[51,55]。

2000年由美國能源部經費支持，美國South Wire 公司與Oak Ridge 國家實驗室等單位合作研制了30 m 長的12.5 kV 三相冷絕緣HTS 電纜，并在美國南線公司廠區(qū)電網并網運行，是世界上第一條并網運行的HTS 電纜[56]。2002年底，South Wire 公司與丹麥NKT 公司、美國電力公司等6 家單位合作開發(fā)了13.2 kV/3 kA/200 m 的哥倫布HTS 電纜示范性項目并于2006年8月正式掛網運行[57]。日本中部電力公司聯合古河電力公司和電力工業(yè)中心研究院開發(fā)了一根單相77 kV/1 kA/500 m的HTS電纜及其配套系統(tǒng)，并進行了10個月的電氣、力學和熱力學測試[58]。2005年韓國電力公司電力研究院聯合其他3 所研究機構和3 所大學在高敞郡安裝了一組3相22.9 kV/25 kA/100 m 的HTS 電纜并進行了調試和運行研究[59]。2013年韓國在濟州島安裝并測試了一條100 m 長的直流HTS 電纜。2011年9月德國Nexans公司、KIT學院與德國聯邦經濟技術局在Es‐sen 市啟動了AmpaCity 項目，旨在開發(fā)一組10 kV/2.3 kA/1 000 m的三相同軸交流冷絕緣HTS電纜[60]。巴西國家電能中心2010年提出并設計制造了一根長度為10 m 的69 kV 三相三軸PPLP 冷絕緣HTS電纜。

我國冷絕緣HTS 電纜的應用較晚，2012年由中國科學院電工研究所牽頭，河南中孚實業(yè)股份有限公司等單位聯合研制的1.3 kV/10 kA/360 m 的直流冷絕緣HTS 電纜在河南投入示范運行[61]。中國電科院與國內高校對HTS 電纜PPLP 絕緣結構的優(yōu)化設計工作取得了一定的進展，楊泉[62]優(yōu)化了10 kV三相同軸PPLP 高溫超導電纜的絕緣設計，通過仿真分析驗證了其合理性。彭暢等[35]設計了10 kV 雙極同軸PPLP 高溫超導直流電纜的本體絕緣結構，制作樣品并進行了直流耐壓和雷電沖擊耐壓測試，試驗結果符合國家標準要求。

4 PPLP電纜的發(fā)展趨勢及展望

PPLP 材料的出現距今已有約50年的發(fā)展歷史。目前，PPLP 主要應用在高電壓、長距離的海底輸電電纜以及冷絕緣HTS 電纜等領域。隨著海上風電項目的大力建設與超導技術的不斷進步，PPLP材料在未來仍有廣闊的發(fā)展空間。

相比于XLPE 電纜，PPLP 電纜在直流海纜輸電領域具有電壓等級高、輸送容量大、不受空間電荷效應影響等優(yōu)勢。絕緣材料的空間電荷效應一直是制約高壓直流輸電技術發(fā)展的關鍵因素之一，電荷的累積會增大直流電纜絕緣擊穿的概率。PPLP與其他絕緣材料不同，牛皮紙與PP薄膜界面間的電荷行為很大程度上影響了其直流絕緣性能，界面電荷的存在使得PPLP 絕緣系統(tǒng)具有最優(yōu)的電場分布。目前，雖然學術界有一些針對PPLP 直流電導與空間電荷行為的研究，但大部分研究還處于比較基礎的階段，特別是界面處的空間電荷行為，一些研究結論還缺乏有效的理論支持，可以參考的文獻較少。PPLP在直流下具有優(yōu)異的電氣性能，研究其空間電荷行為對于發(fā)展我國的直流輸電技術具有重要意義，對其絕緣性能的研究工作仍有較大的空間。

目前，HTS 電纜大多處于研究與試制階段，與大規(guī)模推廣應用還有一定的距離。雖然低溫條件下PPLP 可以有效解決絕緣問題，但原材料價格昂貴、電纜及附件和線路試驗技術缺乏標準規(guī)范、電纜線路敷設及運維缺乏相關經驗都是目前阻礙HTS 電纜進一步發(fā)展的瓶頸?？梢灶A見，HTS 電纜由于其優(yōu)異的低損耗特性，具有巨大的應用前景。未來30年超導輸電技術會逐漸規(guī)?；瘧?，改變傳統(tǒng)的電力輸送方式。因此針對HTS 電纜，應該從中低壓配網入手，逐步提高其經濟適用性，建立相應的技術標準規(guī)范，積累運行經驗。