冷绝缘高温超导电缆用绝缘材料PPLP在液氮中拉伸状态下的冲击绝缘击穿强度

汤 昕 郭昱延 杨 鑫

(1长沙电力职业技术学院 长沙 410125)

(2冀北廊坊供电公司 廊坊 065000)

(3长沙理工大学电气与信息工程学院 长沙 410004)

冷绝缘高温超导电缆用绝缘材料PPLP在液氮中拉伸状态下的冲击绝缘击穿强度

汤 昕1郭昱延2杨 鑫3

(1长沙电力职业技术学院 长沙 410125)

(2冀北廊坊供电公司 廊坊 065000)

(3长沙理工大学电气与信息工程学院 长沙 410004)

对聚丙烯复合纤维纸(PPLP)在液氮中拉伸状态下的冲击绝缘击穿强度进行了实验研究，用韦伯概率分布的方法进行数据处理，得出不同拉伸应力下0.1%击穿概率的冲击绝缘击穿强度。根据实验结果，结合相关的设计方法，对110 kV冷绝缘高温超导电缆本体用PPLP绕包时的绕包厚度和绕包层数进行了设计。

聚丙烯复合纤维纸 冲击绝缘击穿强度 冷绝缘高温超导电缆 绕包厚度

1 引言

低温绝缘(cold dielectric，简称CD绝缘)高温超导电缆(high temperature superconducting cable，简称HTS电缆)，其绝缘采用耐低温绝缘材料，能够运行在液氮温度下，电缆的屏蔽也采用超导材料，超导电缆的导体、绝缘和屏蔽均置于绝热套内，在液氮温度下运行。相对于常温绝缘(warm dielectric，WD绝缘)超导电缆，有效地避免了因泄漏的磁场产生的交流损耗以及对相邻超导电缆导体临界电流退化的影响，自2005年后，世界各国进行的超导电缆研究项目都采用了CD绝缘高温超导电缆［1-2］。

聚丙烯复合纤维纸(polypropylene laminated paper，PPLP)是日本J-Power公司研制的一种复合绝缘纸，由两层牛皮纸和一层聚丙烯(PP)膜复合而成。PPLP在液氮环境中具有优良的电气性能和一定的机械性能，被广泛用作冷绝缘高温超导电缆的绕包型绝缘材料。PPLP在低温条件下电气性能的研究已有大量研究，张智勇等人研究了PPLP在液氮浸渍条件下的交流击穿电压随液氮压力的变化关系［3］;Cheon H G 等人［4］研究了多层PPLP叠加后交流和冲击绝缘击穿强度随绝缘厚度的变化关系。

但PPLP作为绕包型绝缘材料在使用中都需要承受一定的绕包张力。张智勇等人研究了用PPLP进行绕包时绕包张力的计算方法［5］，认为要到“紧而不皱”的绕包效果，绕包张力应在4—9 N之间。低温环境中，材料普遍会变脆，拉伸应力对绝缘材料的绝缘击穿强度会产生一定的影响，因而有必要对PPLP在液氮中拉伸状态下的绝缘击穿强度进行研究。杨鑫等研究了PPLP在液氮中老化处理后的交流、直流击穿强度随拉伸应力的变化关系［6］;李卫国等对比研究了PPLP在常温大气环境和液氮环境中拉伸状态下交流、直流绝缘击穿强度对拉伸应力变化关系［7］。

冲击击穿强度是反映介电材料绝缘性能的一项重要指标，本文在设计的用于测量液氮中薄膜型绝缘材料拉伸状态下绝缘强度的实验平台上，对PPLP在液氮中冲击绝缘击穿强度随拉伸应力的变化关系进行实验研究;根据得出的实验结果，进而对110 kV冷绝缘高温超导电缆本体用PPLP绕包时绕包厚度和绕包层数进行设计。

2 实验装置、方法和数据处理方法

2.1 实验装置和实验方法

图1给出了整体实验装置图。实验电源为400 kV冲击电压发生器，可以提供波前时间和半波峰值时间分别为1.2 μs和50 μs(误差分别在30%和20%以内)的标准雷电冲击波。分压器为BHT 400 kV弱阻尼电容式分压器，变比为420∶1，用于测量实验波形。用长、宽、高分别为400、300和的立方体型泡沫容器用于盛放液氮。实验时，电极系统放置于盛有液氮的泡沫容器中。

图1 整体实验接线图Fig.1 Hole experiment setup

图2给出了用于拉伸实验的电极和试品系统。一对直径为6 mm的棒-棒电极，顶端做成直径2 mm的倒角，分别固定于固定环氧板块和移动环氧板块内，环氧板块内共固定5对相同的电极，从上至下依次排列。薄膜试品夹于两板块的电极中间，上端固定，下端悬挂砝码，从而使试品处于拉伸状态。试品固定好，加砝码之后，可进行5次击穿实验。

图2 试品拉伸状态击穿实验装置Fig.2 Experiment setup for breakdown test at tensile status of specimens

文献［5］指出，PPLP绕包于通流导体上时，一般承受的绕包张力为4—9 N，同时考虑泡沫容器的承受能力，砝码质量分别选择0.5、1、和2 kg三种，在液氮中对试品的拉伸力分别为4.01、8.036和16.07 N。试品为聚丙烯复合纤维纸(PPLP)，厚度为0.119 mm。材料所受的拉伸应力σ可由σ=F/(w·t)计算(F为试品受到的拉力，w为试品宽度，t为试品厚度)，可得不同砝码质量下PPLP的拉伸应力，如表1所示。

表1 不同砝码质量下PPLP承受的拉伸应力Table 1 Tensile stresses suffered by PPLP at different weights

冲击绝缘击穿强度的实验方法采用首先设定一个较低的电压进行实验，如果没有击穿，则增加2 kV继续进行，直至试品击穿。

不同情况下的各种材料均进行10次击穿实验，绝缘击穿强度Ei由Vi/t计算得来(Vi表示每次的击穿电压，kV;t表示薄膜材料的厚度，mm)。

2.2 数据处理方法

国标GB/T16927.1-1997对于破坏性放电实验，推荐采用正态分布、韦伯分布和二重指数分布来进行数据分析［8］。工程用固体电介质的击穿场强，一般遵从韦伯分布［9］。对于二维参数的韦伯分布，概率分布如式(1)所示:

式中:E是随机变量，指绝缘击穿强度(kV/mm)，m称为形状参数，η称为尺度参数。

对PPLP在液氮中各个拉伸应力下的多次绝缘击穿强度实验数据，按照韦伯概率分布的方法进行了处理，得出50%击穿概率的绝缘击穿强度E50%，用于反映冲击绝缘击穿强度对拉伸应力的变化规律;0.1%击穿概率的绝缘击穿强度E0.1%，为超导电力装置的绝缘设计提供依据。

3 实验结果及分析

PPLP在液氮环境中拉伸状态下的冲击击穿强度实验结果的韦伯分布如图3所示。由韦伯概率分布的计算，可得出液氮中PPLP拉伸状态下的50%击穿概率和0.1%击穿概率冲击击穿强度E50%、E0.1%，见表2。

图3 PPLP在液氮中拉伸状态下冲击击穿强度的韦伯概率分布Fig.3 Weibull plot of impulse breakdown strength for PPLP in liquid nitrogen

表2 PPLP在液氮中拉伸状态下的冲击绝缘击穿强度Table 2 Impulse breakdown strengthes of PPLP under tensile status in liquid nitrogen

由图3和表2中的数据可见，PPLP在液氮中的冲击绝缘击穿强度随拉伸应力的增加而下降，但总体下降幅度较小，3.85 MPa拉伸应力下相对于无拉力时，仅下降3.26%。

4 110 kV冷绝缘高温超导电缆本体PPLP绝缘绕包厚度和层数的设计

计算电缆本体绝缘厚度的方法可按最大场强设计的方法来计算，如式(2)所示。

式中:U为绝缘应承受的最高电压，kV;E为绝缘材料的绝缘击穿强度，kV/mm;r0为通流导体半径，mm;m为安全裕度。

110 kV超导电缆本体绝缘要承受的最高工频电压为200 kV，最高雷电冲击电压为550 kV;m取1.2;设计通流能力按3 kA考虑，通流导体半径 r0取20 mm。

文献［7］中给出了PPLP在液氮中交流击穿强度随拉伸应力的变化关系，认为考虑绕包张力情况下，0.1%击穿概率的交流绝缘击穿强度Eac0.1%按91 kV/mm考虑。本文得出的考虑拉伸应力时0.1%击穿概率的冲击绝缘击穿强度Eim0.1%为134 kV/mm。

文献［4］指出PPLP材料多层绕包时，随着绕包层数的增加，总体的绝缘强度呈不断下降的变化趋势，绕包层数从3层至6层时，绝缘强度下降程度较大，9层之后绝缘强度趋于平缓，认为可选择9层绕包时的绝缘强度作为多层绕包的绝缘强度，对PPLP材料9层叠加时的绝缘强度和单层时绝缘强度进行折算，折算系数冲击电压下取0.44，工频电压下取0.42。因而得出对多层绕包时工频击穿强度Eac取38.22 kV/mm;冲击击穿强度Eim取58.96 kV/mm。

根据选择的工频和冲击绝缘击穿强度，按式(2)计算为满足工频和冲击耐受电压的要求，得到绝缘厚度分别为5.5328和11.252 2 mm。为了保证绝缘设计的可靠性，应取较大值，即满足冲击耐压要求时的绝缘厚度11.252 2 mm。

选择的绕包材料PPLP宽度为35 mm，厚度为0.119 mm，由于绕包时层与层之间相互交叠，绝缘厚度t与绕包层数的关系可由式(3)计算。

式中:d0表示PPLP薄膜厚度，取0.119 mm;n为绕包层数;k为交叠系数，经测量，本设计取1.5。由于绕包层间相互交叠，层间交叠缝隙中的气泡等因素更容易产生局部放电，因而在计算的厚度11.252 2 mm的基础上，再保留一定的裕度，实际设计的绕包层数为84层，由设计的绕包层数最终确定的绝缘厚度为14.994 mm。

5 结论

(1)通过实验，得到了PPLP在液氮环境中冲击绝缘击穿强度随拉伸应力的变化关系。PPLP材料随拉伸应力的增加，冲击绝缘强度缓慢下降，说明其对拉伸应力具有良好的适应能力，是一种低温环境中良好的绕包绝缘材料。

(2)冲击绝缘击穿强度对绕后型绝缘结构下绕包厚度的计算具有决定性的作用。根据测量的PPLP液氮环境中考虑拉伸应力影响的冲击绝缘击穿强度数据，设计了110 kV冷绝缘高温超导电缆本体的绕包层数和绝缘厚度，分别为84层，14.994 mm。

1 应启良.低温绝缘(CD)高温超导电缆屏蔽层电流对超导导体和屏蔽电流分布的影响［J］.电线电缆，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 张智勇，宗曦华，韩云武，等.冷绝缘高温超导电缆用绝缘材料PPLP液氮浸渍击穿场强特性研究［J］.稀有金属材料与工程，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 张智勇，宗曦华，张喜泽，等.低温绝缘高温超导电缆PPLP绝缘绕包张力选择和计算［J］. 电线电缆，2009，5:9-10，14

6 杨鑫，李卫国，郭昱延，等.液氮环境中3种聚合物薄膜老化和拉伸状态下的绝缘强度［J］.电网技术，2013，37(3):759-764.

7 李卫国，杨鑫，郭昱延，等.不同环境中三种聚合物薄膜拉伸状态下的交、直流绝缘强度研究［J］.低温物理学报，2013(2):44-49.

8 西安高压电器研究所和武汉高压研究所.GB/T 16927.1-1997高电压试验技术［S］.北京:国家技术监督局，1997.

9 陈季丹，刘子玉.电介质物理学［M］.北京:机械工业出版社，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

汤 昕，女，30岁，硕士、讲师。