35 kV冷绝缘高温超导电缆的雷电冲击特性研究

阚常涛 王银顺 付 瑜 张 瀚

(1华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室 北京 102206) (2华北电力大学高电压技术与电磁兼容北京市重点实验室 北京 102206)

35 kV冷绝缘高温超导电缆的雷电冲击特性研究

阚常涛1，2王银顺1，2付 瑜1，2张 瀚1，2

(1华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室 北京 102206) (2华北电力大学高电压技术与电磁兼容北京市重点实验室 北京 102206)

为了优化35 kV冷绝缘高超导交流电缆的绝缘设计，研究了聚丙烯层压纸(PPLP)在液氮环境中的绝缘特性，得到了它在液氮环境中的交流耐压绝缘强度和雷电冲击绝缘强度。根据实验结果和35 kV纸绝缘电缆的国家标准，设计了35 kV冷绝缘高超导交流电缆主绝缘、应力锥的形状、样品的长度并且绕制了该电缆的试验样品。最后对电缆样品进行了雷电冲击试验，样品通过试验验证，表明电缆的设计完全符合国家标准要求。

冷绝缘 高温超导电缆 绝缘设计 雷电冲击试验

1 引 言

高温超导电缆凭借其传输电流大、结构紧凑、损耗低等优点有望成为下一代电力传输线、世界各国都在大力研究。超导电缆系统由超导体、绝缘、冷却通道组成，为了获得一个长期稳定、安全、可靠运行的超导电缆，对电缆绝缘的研究是必不可少的[1]。根据绝缘层分布的位置，超导电缆的绝缘类型分为热绝缘(WD)和冷绝缘(CD)2种。热绝缘类型的超导电缆绝缘层分布在低温容器外部，可以采用常温材料如聚乙烯(PE)、交联聚乙烯(XLPE)来作为绝缘，然而由于热绝缘型超导电缆没有超导屏蔽层，涡流损耗大，所以它输送容量有限，只适合在中、低电压等级情况下使用[2]。相反，冷绝缘型超导电缆绝缘层位于低温容器内，且利用超导带材作为屏蔽层，涡流小、损耗低，所以它载流能力高，适用于较高电压等级。冷绝缘型的超导电缆多采用聚丙烯层压纸(polypropylene laminated paper，简称PPLP)绕包绝缘，对超导电缆绝缘的研究主要集中在PPLP绝缘特性、超导电缆绝缘设计、电缆终端等方面。

H J Kim、D S Kwag研究了用PPLP叠包缠绕主绝缘时，绝缘纸缝隙之间不同距离对击穿电压的影响，随着绝缘纸缝隙之间距离的增大，交流击穿电压也增大，发当间隙距离等于大于8 mm时，击穿电压达到饱和，并且优化了22.9 kV/50MVA高温超导电缆的绝缘设计[3]。Woo-Jin Kim，Hae-Jong Kim研究了PPLP绝缘纸和环氧树脂材料在液氮环境中的表面闪络特性和击穿特性，得出了击穿电压和闪络距离之间的关系，设计了超导电缆接头[4]。Jeon-Wook Cho研究了PPLP在液氮下的直流耐压和雷电冲击绝缘特性、直流极性反转特性，根据实验结果设计了250 kV直流超导电缆的绝缘[5]。中国电力科学研究院对35 kV高温超导电缆终端绝缘进行研究，对套管式终端绝缘的局部放电，介质损耗角，交流耐压及电容量4个特性进行了实验研究并给出了测试结果[6]。

然而，国内对35 kV超导电缆的绝缘研究较少，为了设计35 kV超导电缆的绝缘，本文通过制作并测试PPLP小样品，研究了PPLP在液氮下的交流耐压绝缘特性和雷电冲击绝缘特性，根据实验结果设计了35 kV超导电缆主绝缘的厚度、应力锥的形状、样品的长度并缠绕了电缆样品，利用Ansys仿真分析了电缆样品在200 kV时电场强度的分布，最后对电缆样品进行了雷电冲击试验。

2 PPLP低温下的绝缘特性

PPLP是一种性能优越的绝缘材料，它由2层25 μm厚的牛皮纸和中间厚度为69 μm的聚丙烯薄膜层压而成，它绝缘强度高、介电损耗低、低温性能优越，目前被大量应用为超导电缆的绝缘材料[7]。冷绝缘高温超导电缆的绝缘是由PPLP和液氮组成的复合绝缘系统，复合绝缘的优点是超导电缆由低温所引起的形变可以很好的被电缆本身所吸收，超导电缆的绝缘由多层绝缘纸带绕包而成。所以为设计出一个长期、稳定、安全运行的35 kV超导电缆，对PPLP在低温下绝缘特性的研究就显得尤为重要。

2.1 小样品的制作

为了研究PPLP在液氮中的绝缘特性先要制作试验小样品，然后对其进行交流击穿试验和雷电击穿试验，获得相应的耐压绝缘强度。试验小样品的电极结构和绝缘方式与实际超导电缆的一样，制作小样品时先在直径为20 mm的铜管上缠绕2层厚度为0.15 mm的碳纸，保证铜管高压端电场的均匀分布，然后在碳纸外围缠绕7层厚度为0.12 mm的PPLP纸作为绝缘层，最后在PPLP外侧缠绕2层碳纸和一层金属网，从金属网上用铁丝引出一条接地线，为了避免绝缘层上接地碳纸截止处因电场强度集中而发生击穿，使击穿发生在有效长度内，样品的两端分别用PPLP缠绕了应力锥，制作完成的样品如图1。试验样品的总长度为500 mm，有效长度为中间30 mm，用于实验测试的绝缘层厚度为0.84 mm。所用的碳纸和PPLP在缠绕之前都放在烘干房中进行了4个小时的105 ℃的烘干以去除其中的潮气[7]。碳纸和PPLP的缠绕方式都采用对缝叠包工艺，将碳纸和PPLP用裁纸机统一裁成宽度30 mm的纸带，为了防止超导电缆弯曲时绝缘层发生褶皱损坏，缠绕时上下2层纸带的重叠率为30%，同一层纸带之间留有1—2 mm的缝隙[4]。具体叠包工艺效果如图2。

图1 制作完成的小样品Fig.1 Prepared mini model

图2 对缝叠包工艺Fig.2 View of processing insulation for cable

2.1 小样品的绝缘测试

将制作完成的试验样品分为2组，每组10个样品，分别对其进行交流击穿试验和雷电击穿试验。交流击穿实验所用的变压器为10 kV/120 kV无局放工频变压器，交流击穿试验采用连续均匀升压方式，速度约1 kV/s直至小样品被击穿。雷电冲击所用的变压器为1 100 kV冲击电压发生器，它可以产生正极性或负极性的标准雷电冲击全波(1.2±30%/50±20%us)。实验时从40 kV等级开始，做3次冲击；之后每个等级增加20 kV，每个等级做3次冲击，直至小样品击穿。当击穿发生时，记录击穿电压，除以绝缘层的厚度，即可得到耐压绝缘强度。

韦伯分布是随机变量分布之一，是可靠性分析及寿命检验的理论基础。由于韦伯分布是根据最弱环节模型得出的，在电介质体击穿电压(场强)的分散性统计方面和实际吻合较好[8]，所以用3参数韦伯分布来对试验结果进行概率统计，在计算时先做2参数韦伯分布计算，取此时所得概率为0.1%时所对应的击穿场强值作为E0值，进而再做3参数韦伯分布计算。最后取3参数韦伯分布中击穿概率为0.1%时PPLP的击穿绝缘强度作为交流超导电缆绝缘设计的重要参数。由图3可知， 在液氮和0.1个大气压力下，0.12 mm厚PPLP的交流耐压绝缘强度34.75 kV/mm，雷电冲击耐压绝缘强度为69.42 kV/mm。

图3 PPLP交流耐压和雷电冲击绝缘强度的韦伯分布图Fig.3 Weibull plot of PPLP’s AC and impulse breakdown strength

3 35 kV交流超导电缆绝缘的设计及试验

3.1 超导电缆主绝缘的设计

电缆模型的设计参数主要有导体尺寸、绝缘耐受电压和绝缘材料介电强度。在本次35 kV超导电缆的设计中，导体骨架采用弯曲性能良好的直径为33 mm的波纹管。根据国家标准GB/T12976.3-2008《额定电压35 kV及以下纸绝缘电缆及其附件》、GB/T12706.3-2008《额定电压1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)挤包绝缘电力电缆及附件》，对于制作完成的35 kV的纸绝缘电缆要分别通过交流耐压试验、雷电冲击试验和局部放电试验的验证，试验要求如表1。

表1 35 kV电缆的试验要求

由于电缆电极结构为共轴圆柱模型如图4，因此在设计电缆主绝缘时，需要用到共轴圆柱模型电场强度公式(1)计算绝缘层厚度[9]。为了满足国标试验的要求，在设计绝缘时分别根据PPLP的交流耐压强度、雷电冲击强度和局部放电起始场强对绝缘厚度进行计算，然后取3者之中最大者，因此可以由式(1)得到主绝缘厚度的计算公式(2)、(3)、(4)。

图4 共轴模型图Fig.4 Schematic diagram of coaxial model

(1)

根据PPLP的工频耐压绝缘强度，主绝缘厚度：

(2)

根据PPLP的雷电冲击绝缘强度，主绝缘厚度：

(3)

根据PPLP的局部放电的最小起始场强，主绝缘厚度：

(4)

式中：rc为电缆导体外径，mm(为铜管半径和3层碳纸厚度之和，取16.95 mm)；Uac为交流耐压值，kV；Uimp为雷电冲击电压峰值，kV；Upc为局部放电电压值，kV；Eac为PPLP交流耐压场强，kV/mm；Eimp为PPLP雷电冲击场强，kV/mm；Epc为PPLP局部放电起始场强，kV/mm。根据PPLP的绝缘特性试验结果，Eac、Eimp分别为34.75、69.42 kV/mm；根据参考文献，PPLP的局部放电起始场强Epc取22 kV/mm[10]。

计算要求和结果如表2，由表可知雷电冲击实验释放的能量更大，它对绝缘厚度的要求更高，因此电缆主绝缘的厚度就取雷电冲击公式计算的绝缘厚度，但是为了留有裕度和满足工艺的需求，将绝缘厚度取整数为4 mm，因此本体绝缘外径R为20.95 mm。

表2 不同试验超导电缆绝缘的厚度

与PPLP小样品绝缘特性试验一样，为了防止接地极截止处电场强度过于集中绝缘层发生击穿，电缆样品的两端也要缠绕应力锥。应力锥是在电缆屏蔽层中断处添加的一个锥体，锥体通过加厚屏蔽层零电位截止处的绝缘厚度或延长高电位降落距离，来达到缓解电场集中、优化电场分布、保证电缆绝缘不被破坏的作用[4]。应力锥的设计只考虑工频耐压场强即可，应力锥结构的电气计算，主要是确定增绕绝缘层的厚度、应力锥的长度、应力锥的形状[11]。

电缆本体最大工作场强即为主绝缘表面的电场强度，由式(1)计算得最大工作场强E1=20.466 6 kV/mm。计算增绕绝缘层的厚度可根据终端绝缘最大允许场强来确定，由于实验时增绕绝缘层是由手工缠绕，所以导体层表面的最大允许工作场强比电缆本体最大场强低，为电缆本体最大工作场强的50%，En=0.5E1，应力锥的示意图如图5。

图5 应力锥示意图Fig.5 Schematic diagram of cone stress

增绕绝缘厚度为：

(5)

同样考虑到应力锥实际缠绕时的工艺和裕度要求，取Δt=5.5 mm，增绕绝缘应力锥外径Rn=26.45 mm。

当绝缘强度满足要求时，也可以直接用单直线锥AB代替理想应力锥面，既保证了方便的加工工艺，又缩短了应力锥的轴向长度，减少了绝缘材料的使用量，应力锥轴向长度计为式[11]。

(6)

式中：Et为连接处绝缘层最大允许轴向场强，一般取电缆本体最大工作场强的1/10—1/20，Et=0.05E1。同样根据实际工艺要求，取Lk=55 mm。

爬电距离(干弧距离)是指高压绝缘子在正常带有运行电压的2个金属部件间外部空间的最短距离。在对样品电缆进行雷电冲击试验时，为保证样品高压端和接地极间不会沿着PPLP表面发生闪络放电，要增加样品接地极到高压端间的爬电距离。对于雷电冲击试验来说，在空气中爬电距离的经验电场强度为5.5 kV/cm[12]。据此可以计算出电缆样品接地极到高压端的爬电距离为37 cm。因为样品的雷电冲击试验是在液氮中进行，液氮介电常数为1.4大于空气介电常数，所以37 cm的爬电距离远能满足本次试验要求。根据上述要求制作电缆样品，缠绕方法与小样品缠绕方法类似，设计完成的样品和实物如图6。

图6 35 kV超导电缆样品Fig.6 Prototype of 35 kV HTS cable

3.2 主绝缘的仿真分析

采用Ansys仿真软件对电缆样品进行电场强度分析，由于雷电冲击的峰值为200 kV，因此高压端施加的电位即为200 kV，分析雷电冲击试验时电缆样品最高电位时电场强度的分布。在图7中，中间部分为高压端即波纹管电场强度分布，粗线部分为绝缘层PPLP上电场强度的分布，碳纸截止处为粗线部分右端粗头部分，右端PPLP绝缘层上没有接地。图8与图7接地分布相反，由图8可以看出电缆样品上最大电场强度为51.989 kV/mm，小于PPLP的雷电冲击绝缘强度Eimp=69.42 kV/mm，因此绝缘设计满足要求，且最大电场强度分布在有效长度内。另外，对比图8和图7可以看出，应力锥将接地极截止处电场强度从61.934 kV/mm降为23.106 kV/mm，大大减弱了接地极截止处的电场强度，防止了击穿的发生。

图7 未加应力锥的电场强度分布Fig.7 Electric field strength distribution without cone stress

图8 加应力锥后的电场强度分布Fig.8 Electric field strength distribution with cone stress

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4 超导电缆的雷电冲击试验

35 kV纸绝缘电缆的雷电冲击试验，采用正负极性标准雷电冲击波(1.2±30%/50±20%us)，对试验样品各进行10次试验，试验样品不发生击穿，则样品通过国家标准要求。如果所施加的耐受冲击电压值低于3%容许偏差下限，该次不予计数，应当适当调整充电电压值，并相应补充施加耐受冲击电压值[11]。

4.1 试验装置及结果

试验装置如图9所示，杜瓦直径1 m、高2.2 m为双层不锈钢结构，中间抽真空，杜瓦上方坐落着一根110 kV低温高压套管，套管可以浸入到液氮中使用。电缆样品连接到套管下端的均压球上，样品下端连接均压环，防止试验时发生电晕放电。为了使样品底部满足电气绝缘要求，增加均压球底部与杜瓦底部的距离，在杜瓦和套管法兰之间垫了一个环氧圆筒。

图9 雷电冲击试验装置Fig.9 Apparatus of impulse lighting test

试验所用冲击电压发生器额定电压为1 800 kV、额定储能为90 kJ，级数为10级，级电压为100 kV。试验时，将连接好的高压套管和样品缓慢放到已经充满液氮的杜瓦中，静置4个小时，待样品充分冷却后，先进行10次正极性雷电冲击试验，再进行10次负极性雷电冲击试验并记录试验结果，其中正极性试验波形和电压记录如图10，最后电缆样品通过正负极性各10次雷电冲击试验而没有发生击穿，说明通过试验验证，电缆设计满足国家标准要求。

图10 雷电冲击电压波形记录Fig.10 Waveform record of impulse lighting withstand voltage

5 结 论

主要通过研究PPLP在低温下的绝缘特性，得到了PPLP绝缘纸在液氮环境下的交流耐压绝缘强度、雷电冲击绝缘强度。根据实验数据，利用电缆模型绝缘厚度的计算公式设计了35 kV超导电缆的主绝，利用应力锥计算公式设计了增绕绝缘厚度、应力锥的形状和样品的横向长度，继而缠绕了电缆的试验样品。通过分析电缆样品在200 kV时的电场强度，发现电缆设计合理，最后对电缆样品进行雷电冲击试验，试验结果完全满足国家标准对35 kV纸绝缘电缆电缆雷电冲击试验的要求。

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1 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，1998：324-326.

1 Yang Shiming，Tao Wenquan. Heat Transmission Science[M]. Beijing：Higher Education Press，1998：324-326.

2 丁闪，王毅，李冀鹏，等. 液氢循环预冷泵用电机的研制[J]. 低温工程，2013(6)：48-51.

2 Ding Shan，Wang Yi，Li Jipeng，et al. Development and experiment research of liquid hydrogen recirculation pre-cooling pump motor[J]. Cryogenics，2013(6)：48-51.

Experimental research on lighting impulse characterization of 35 kV CD HTS cable

Kan Changtao1，2Wang Yinshun1，2Fu Yu1，2Zhang Han1，2

(1State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China) (2Key Laboratory of HV and EMC Beijing，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

To optimize the electrical insulation design of high temperature superconducting(HTS)of 35kV class cold dielectric(CD)cable, the insulation properties of polypropylene laminated paper(PPLP)in liquid nitrogen was investigated.The alternative current(AC)and lightning impulse breakdown strength of PPLP was obtained by experiment. Based on the experiment results and the standard technical specification of 35kV class cables，thickness of insulation，shape of cone stress and the length of model cable for 35kV class HTS power cable was designed, and the prototypes of HTS cable were also fabricated. The property of prototype cable was evaluated by lighting impulse test，which shows that the designed cable meets the standard technical specification of 35kV class cables.

cold dielctric(CD)；HTS cable；insulation design；impulse lighting test

2016-06-15；

2016-11-23

新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)资助(KZ0002)。

阚常涛，男，24岁，硕士研究生。

TB663

A

1000-6516(2016)06-0036-07