聚丙烯层压纸绝缘电缆发展现状

陈卓正，李华强，钟力生

（西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049）

0 引言

电力电缆是城市用电以及远距离跨海输电的重要组成部分，电力电缆的安全可靠运行是输电稳定性的重要保障[1-5]。通常电力电缆可以分为挤包绝缘电缆和绕包绝缘电缆，如常用的交联聚乙烯（crosslinked polyethylene，XLPE）电缆和充油电缆等。20世纪70年代初日本住友公司开发出聚丙烯层压纸（polypropylene laminated paper，PPLP）作为充油电缆复合绝缘材料，PPLP有效结合了固体绝缘材料的力学性能与液体绝缘材料的自恢复特性，具有良好的绝缘性能与力学性能[6-8]。

海洋风力资源是公认的优质绿色能源，世界上许多国家都在大力开展海上风电的开发[9-12]。但海上风电资源一般集中在离岸较远的深海区域，同时为了降低输电损耗，研发高电压、长距离的跨海输电海缆已成为行业的发展趋势[13-14]。尽管聚合物电缆越来越多地应用于海缆输电领域，但由于其存在的空间电荷效应，直流工况下长时间工作仍有可能出现绝缘问题。目前我国高电压、长距离XLPE 海缆的运行经验不足，XLPE 电缆绝缘料主要依赖进口，因此在高压直流应用中PPLP 电缆仍然是一种可行的替代方案。研究PPLP 电缆作为XLPE 挤包绝缘电缆的有效补充，对于开发我国海上风力资源具有重要意义。

在电力传输过程中能量的损耗不可避免。由铜芯或铝芯制成的传统电缆在传输过程中的线损约为15%，据统计，我国每年电力传输过程中的线损就超过数百亿千瓦时[15]。为了提高经济效益，同时节约能源，降低输电过程中的电能损耗一直是电力行业重要的研究方向[16-17]。超导技术的出现大幅降低了输电过程中的能量损耗，使零损耗输电成为可能[18-21]。高温超导（high temperature superconduc‐tivity，HTS）电缆是一种基于高温超导技术（临界温度高于77 K），可以实现大容量、低损耗电能传输的电缆。HTS 电缆的绝缘方式可以分为室温绝缘与低温（冷）绝缘两种形式[22-23]。冷绝缘HTS 电缆是绝缘材料工作在液氮温度下（约77 K）的HTS 电缆。研究发现，PPLP在液氮环境中具有比常温环境中更优秀的电气性能，十分适合作为冷绝缘HTS 电缆的绝缘材料[24-25]，近年来国际上出现了许多针对PPLP在低温环境下的介电性能以及采用PPLP 为主绝缘材料的冷绝缘HTS电缆的相关研究。

本文综述国内外针对PPLP 材料在交流、直流条件下电气性能的研究进展，以及采用PPLP 作为主绝缘材料的高压电缆和冷绝缘HTS 电缆的发展应用现状，并展望其发展趋势。

1 PPLP绝缘材料及PPLP电缆结构

PPLP 是一种由牛皮纸（kraft paper）与聚丙烯（polypropylene，PP）薄膜复合而成的绝缘材料。采用在两层牛皮纸中间夹入PP 薄膜的结构，如图1 所示。PPLP不仅具有PP材料优良的电气性能，在浸渍绝缘油的条件下运行还具有液体绝缘的自修复特性。与传统牛皮纸绝缘相比，这种结构具有更高的交流、脉冲和直流电气强度以及更低的介质损耗。

图1 PPLP结构示意图Fig.1 Structure diagram of PPLP

PPLP 高压电缆一般由铜芯、油道、PPLP 绝缘层、铅包等部分组成。对于海缆还会增加金属铠装层、防虫层等结构来提高电缆抵御海底环境、生物影响的能力。图2 为厦门220 kV 春闱Ⅱ路海底电缆工程采用的一种PPLP 绝缘复合光纤电缆的断面图。该海缆是由铜单芯、铅包、径向加强层、回流导体、PE 防腐蚀层、单粗圆钢丝铠装等结构组成的自容式充油电缆[26]。

图2 220 kV自容式充油PPLP绝缘复合光纤电缆断面图Fig.2 Diagram of 220 kV self-contained oil-filled PPLP insulated composite optical fiber cable

HTS 电缆的结构与普通PPLP 充油电缆不同，通常由导体、冷却系统、绝缘材料和低温下的高压绝缘等部分组成，大多采用单相或三相平行轴以及三相同轴的结构，一般结构如图3所示。

图3 冷绝缘HTS直流电缆基本结构图Fig.3 Basic structure diagram of cold insulated HTS DC cable

2 PPLP的介电、理化特性

2.1 常温PPLP的电气性能

20 世纪70年代末，国内外学者开始关注PPLP的介电性能并开展许多研究。常宪民等[6]对十二烷基苯（DDB）浸渍条件下的PPLP 材料研究发现，相同条件下油浸PPLP 的介质损耗因数（tanδ）只有油浸纸tanδ的一半，相对介电常数εr则由3.5～3.6降低至2.6左右，减小了约28%；PPLP的交流电气强度较传统超高压电缆纸可以提高15%以上，直流电气强度可以提高30%以上。增大油压可以有效提高电气强度，在15 kg/cm2压力下的交流电气强度较常压下提高80%，但这种方法无法明显提高直流电气强度；在6 kg/cm2的油压下通过叠加多层PPLP 材料，发现PPLP 的厚度对交流瞬时击穿性能的影响是非线性的，球-板电极下的工频实验结果如图4 所示，随着厚度的增加，其对交流击穿电压的影响减弱，薄层强化效应明显。周绍昌[7]研究了不同温度下PPLP 介质损耗因数的变化情况，发现在20℃下PPLP 的tanδ比普通绝缘纸降低了50%～60%，在80℃下降低了70%。

图4 工频球板电极下不同厚度PPLP的电气强度Fig.4 The electric strength of PPLP with different thickness under power frequency and spherical plate electrode

CHEN G 等[27]在60℃温度下分别测量了牛皮纸、聚丙烯和PPLP 的直流电导率，发现三者的直流电导率均处于10-15～10-16S/cm 数量级。DDB 浸渍的牛皮纸与聚丙烯薄膜的电导率均随着外加电压的增大而增大，但DDB 浸渍的PPLP 电导率却基本不受外加电压的影响。作者认为该现象是牛皮纸与聚丙烯之间的界面阻碍了载流子的运动导致的；研究还发现，施加相同的外加电场，60℃温度下正负电荷的注入与衰减速度均明显高于室温下电荷的注入与衰减速度。

PPLP 材料在常温下的电气性能明显优于普通的超高压电缆纸。相比于常用的XLPE 材料，在直流工况下PPLP 的电导特性似乎不受电压的影响，使得PPLP 在柔性直流输电领域可能会得到更好的应用。

2.2 低温PPLP的电气性能

冷绝缘高温超导电缆的绝缘材料要求在液氮条件下具有良好的性能。王之瑄等[28]对普通电缆纸、PPLP、聚酰亚胺薄膜与LDPE 薄膜4种材料在液氮温度下的绝缘性能进行比较，认为PPLP 是最适合冷绝缘超导电缆的绝缘材料，测试结果如表1 所示。虽然LDPE 在低温下的电气性能优异，但这一温度下其力学性能较差。日本丰桥技术大学曾对2 mm 厚挤包LDPE 绝缘HTS 电缆进行测试，在冷却过程中由于LDPE 与低温金属容器的收缩率不同，导致LDPE 在170 K 左右产生裂纹[29]。PPLP 因其在液氮中具有良好的浸渍性、力学性能和电气性能，被广泛应用于冷绝缘高温超导电缆的主绝缘[30]。

表1 液氮温度下4种绝缘材料的比较Tab.1 Comparison of four insulating materials at liquid nitrogen temperature

国内外学者对液氮条件下PPLP 的电气性能进行了广泛的研究。LI W 等[31]分别在空气与液氮条件下利用柱-板电极对PPLP 薄片的击穿特性进行测试，发现液氮条件下PPLP 的交流电气强度和直流电气强度都较常规条件下有一定的提高，结果如表2 所示。DU H 等[32]研究了不同电压测试方案下PPLP样品在室温和低温下的击穿特性，发现相同实验条件下，无论交流电压还是直流电压，PPLP 样品低温下的电气强度均高于常温下的电气强度，PPLP样品在直流电压下的电气强度几乎是交流电压下的2 倍，这与LI W 等得出的结论基本一致。W J KIM 等[33]对不同温度下PPLP 片材的体积电阻率进行了测量，将带保护电极的PPLP 浸渍在液氮（77 K）、液氩（87 K）与硅油（300 K）中，利用高压直流试验机，通过在电压0.5～10 kV 下1 min 的泄漏电流来估算其体积电阻率，发现77 K 液氮环境下PPLP片材的体积电阻率约为1014Ω·m，且随着温度升高，材料的体积电阻率降低；在300 K 硅油环境下体积电阻率约为1012Ω·m。I KWON 等[34]对比测试了液氮条件下PPLP 与牛皮纸的电导率，结果如表3 所示，单层、双层和四层PPLP 与牛皮纸试样的电导率受试样层数的影响较小，变化率为7%左右，而牛皮纸的电导率大约是PPLP的3.25倍。

表2 空气与液氮条件下PPLP的击穿特性Tab.2 Breakdown characteristics of PPLP in air and liquid nitrogen

表3 液氮条件下PPLP与牛皮纸的电导率Tab.3 Conductivity of PPLP and kraft paper in liquid nitrogen

彭畅等[35]测试了液氮环境下PPLP的击穿特性，采用三参数Weibull分布处理得到0.1%Weibull分布概率对应的PPLP 直流电气强度为74.88 kV/mm，雷电冲击电气强度为67.60 kV/mm。

PPLP在低温下具有优异的电气性能，价格也相对较低，在超导电缆绝缘领域具有很强的竞争力。随着未来超导技术的不断进步，超导电缆工程的不断建设，PPLP预计会被更多地应用在超导电缆上。

2.3 PPLP的空间电荷效应

近年来，对远距离高功率传输的巨大需求推动了高压直流输电技术的快速发展。相比交流输电技术，直流输电技术更适合长距离、大容量的电能输送[36]。在超导电缆中，HTS 交流电缆系统的损耗约为传统电缆的50%～60%，而HTS 直流电缆则可以降到20%左右，具有损耗更低、尺寸更紧凑、容量更大等优点。在聚合物绝缘电缆中，绝缘料中空间电荷的形成和电荷动力学对高压直流电缆的高效可靠运行起着至关重要的作用，研究PPLP 的空间电荷效应对发展PPLP直流电缆具有重要意义。

目前，关于XLPE 电缆绝缘中的电荷特性研究已经较为完善，但对PPLP 复合绝缘材料中的电荷特性认识还存在不足。近年来国内外学者对PPLP的空间电荷效应做了一些研究。CHEN G 等[27]利用电声脉冲技术（PEA）对单层和多层PPLP 的电荷动力学进行了实验研究，对PPLP 施加8 kV/mm 的外加电场并进行电场演变测试。图5为在不同的测试时间内一层PPLP 上的空间电荷密度与电场强度的分布规律，在多层PPLP 绝缘系统中各层PPLP 仍遵循这一规律。从图5 可以看到，在50 min 时PP 上的电场几乎加倍，而牛皮纸上的电场显著降低，由此得出结论：牛皮纸与PP的界面起到阻碍载流子运动的屏障作用。作者认为这种电场分布是十分理想的，施加在PP上的电场强度显著增加，由于PP 的电学性能更强，可以承受更大的电场而不发生劣化。XU Z等[40]研究了PPLP样品在不同浸渍条件下的空间电荷行为，发现含水率对牛皮纸层的电荷动力学有较大影响，但对PP 层的电荷动力学影响不大；水分含量主要通过改变可用载流子的数量来影响空间电荷行为，较高的含水量会导致大量的电离衍生空间电荷，并以较高的迁移率迁移。低黏度的浸渍剂具有较强的吸湿性，导致较高的电荷迁移率，而使用高黏度的浸渍剂时，电荷的迁移率明显降低。XU Z 等[41]还研究了40 kV/mm 外加电场作用下PPLP 的空间电荷行为，结果在PP 中发现了快速移动的同性电荷注入，注入电荷和电离电荷可以被DDB 浸渍状态下的牛皮纸捕获，图6 为PPLP 中的电荷流向示意图。W J KIM 等[33]研究发现空间电荷密度随着直流电压逐渐增大，而空间电荷的积累对充电时间相对不敏感。

图5 空间电荷密度与电场强度的分布规律Fig.5 Distribution laws of space charge density and electric field intensity

图6 PPLP中的电荷Fig.6 The charge in PPLP

PPLP具有十分优异的空间电荷分布，可以承受很强的直流场强，同时可以更持久地维持这种电荷分布。随着柔性直流输电技术的不断发展与相关工程的大力建设，PPLP在这一领域的应用前景十分广阔。

2.4 PPLP的力学性能

作为冷绝缘HTS 电缆的主绝缘材料，PPLP 在低温下的力学性能十分重要。A B GOROSPE 等[42]对比测试了PPLP 在常温与77 K 下的力学性能，发现PPLP 在77 K 下的破坏应力和杨氏模量比常温下提高了近1 倍，但材料的延展性显著降低。W J KIM 等[43]也对室温与液氮温度条件下PPLP 的拉伸性能进行了测试，结果如表4所示。室温下PPLP的杨氏模量为4.7 GPa，而液氮温度下杨氏模量增长到10.7 GPa，断裂伸长率从2.8%下降到1.0%，这也验证了A B GOROSPE 等[42]的结论。同时，在破坏载荷与破坏应力的测试数据上，液氮温度下PPLP 的性能均要优于室温条件下。

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

作为对比，LDPE与XLPE等常见聚合物绝缘材料在77 K 下虽然也具有优异的电气性能，但由于其脆化温度较高，无法满足工程要求，无法作为HTS电缆的绝缘材料[29]。PPLP 在液氮温度下具有比室温下更好的力学性能，更适合应用在HTS电缆上。

2.5 PPLP的溶胀问题

早期曾出现过很多聚合物绝缘材料，但往往因为聚合物与绝缘油的相容性问题而无法实际应用，相容性是目前研究油浸绝缘材料时必须考虑的重要因素[44-45]。PPLP 在绝缘油中也会有略微的溶解，污染绝缘油使其绝缘性能劣化，同时会发生溶胀现象，增大绝缘层的径向压力，造成绝缘纸开裂、力学性能下降、油流阻力增大等问题。溶胀问题是早期限制PPLP 材料发展的一大因素。溶胀率可由式（1）计算得到。

式（1）中：∆t表示厚度的增加量；t0表示PP 薄膜的初始厚度。

为研究PPLP 的溶胀问题，邓长胜[46]对国产CPC-125型PPLP和相同结构的进口PPLP进行对比测试，发现国产PPLP 的24 h 溶胀率为8.75%，远大于进口PPLP 的溶胀率4.5%。高良玉等[47]认为PPLP溶胀的程度与PP薄膜的结晶度等参数有关，研究发现，提高PP 的结晶度、取向度和分子量可以有效提高PPLP 在油中的稳定性。但提高聚合物的结晶度会使其变脆，过高的结晶度易使PP薄膜开裂。另外实验研究了不同温度下PP薄膜浸渍绝缘油的表现，发现室温下浸渍30 天后PP 薄膜的微观结构与强度特性变化不大，而100℃下浸渍30天后PPLP的电气强度和抗张强度均有明显的下降。卓金玉等[48]认为，在加工过程中将PP的结晶度控制在70%左右比较合适。针对PPLP 的溶胀问题，住友公司与巴川制纸公司合作研发了PPLP 的新法加湿处理技术，据介绍该技术可以使PPLP中PP层的允许膨胀厚度比原来的加湿技术增加4倍[49]。

3 PPLP电缆的应用

3.1 PPLP充油电缆的应用

1972年日本住友公司研制出PPLP 复合纸，并于1974年进行了275 kV PPLP 充油电缆的实验研制。我国沈阳电缆厂1978年试制了PPLP 电缆样品，于次年成功研制了长度为50 m 的PPLP 高压500 kV充油电缆。又于1983年研制了110 kV PPLP电缆样品，其介质损耗因数在0.001～0.001 5。1982年日本将PPLP 绝缘1 500 mm2电缆敷设于关西电力公司的南大阪泉北线，同时还有两条275 kV 的PPLP 电缆线路投入运行，全长约为21 公里。住友公司还向美国Phelps Dodge 公司提供了PPLP，成功制成了765 kV 钢管充油电缆。1994年，Hydro Que‐bec公司和住友公司合作研发了800 kV PPLP 电缆。1999年新加坡在Tuas发电站到Ayer Rajah和Labra‐dor变电站之间铺设了400 kV的PPLP电缆。

国家对海洋资源开发力度不断加大，海上风电平台得到大力建设，高电压等级、大容量、低损耗的海缆必定是未来的发展方向。PPLP 充油海缆在高电压等级输电方面具有优势，相同截面积的自容式充油PPLP 海缆与XLPE 海缆相比，其绝缘厚度更小，长期允许载流量略大，输送容量略大，质量略轻且价格偏低。在厦门电力进岛I 通道第一回电缆改造工程进行海缆选型时，对XLPE 绝缘与自容式充油PPLP 绝缘两种海缆进行了比较[50]，如表5 所示。XLPE 绝缘海缆由于采用紧压导体技术生产，具有较大的导体集肤效应，大幅增大了导体电阻，需要增大回流导体截面或采用铜铠装以满足送电容量的要求，导致成本较高。而自容式充油PPLP 电缆虽然维护成本高且存在漏油风险，但通过配备可靠的监控系统与合理的电缆结构设计可以有效降低维护工作量与漏油风险。厦门220 kV 春围Ⅱ路海底电缆工程首次在国内使用了2 500 mm2大截面、220 kV 高电压等级的自容式充油PPLP 绝缘复合光纤电缆[26]，线路全长21.45公里。

表5 相同截面积XLPE海缆与自容式充油PPLP海缆对比Fig.5 Comparison between XLPE and self-contained oil-filled PPLP insulated marine cables with the same cross-sectional area

3.2 冷绝缘PPLP高温超导电缆

高温超导传输技术以其损耗低、传输容量大、体积小等优点受到世界各国的广泛关注。世界上许多国家与组织都在积极研制HTS 电缆，以满足未来人类对电力传输的巨大需求[51,55]。

2000年由美国能源部经费支持，美国South Wire 公司与Oak Ridge 国家实验室等单位合作研制了30 m 长的12.5 kV 三相冷绝缘HTS 电缆，并在美国南线公司厂区电网并网运行，是世界上第一条并网运行的HTS 电缆[56]。2002年底，South Wire 公司与丹麦NKT 公司、美国电力公司等6 家单位合作开发了13.2 kV/3 kA/200 m 的哥伦布HTS 电缆示范性项目并于2006年8月正式挂网运行[57]。日本中部电力公司联合古河电力公司和电力工业中心研究院开发了一根单相77 kV/1 kA/500 m的HTS电缆及其配套系统，并进行了10个月的电气、力学和热力学测试[58]。2005年韩国电力公司电力研究院联合其他3 所研究机构和3 所大学在高敞郡安装了一组3相22.9 kV/25 kA/100 m 的HTS 电缆并进行了调试和运行研究[59]。2013年韩国在济州岛安装并测试了一条100 m 长的直流HTS 电缆。2011年9月德国Nexans公司、KIT学院与德国联邦经济技术局在Es‐sen 市启动了AmpaCity 项目，旨在开发一组10 kV/2.3 kA/1 000 m的三相同轴交流冷绝缘HTS电缆[60]。巴西国家电能中心2010年提出并设计制造了一根长度为10 m 的69 kV 三相三轴PPLP 冷绝缘HTS电缆。

我国冷绝缘HTS 电缆的应用较晚，2012年由中国科学院电工研究所牵头，河南中孚实业股份有限公司等单位联合研制的1.3 kV/10 kA/360 m 的直流冷绝缘HTS 电缆在河南投入示范运行[61]。中国电科院与国内高校对HTS 电缆PPLP 绝缘结构的优化设计工作取得了一定的进展，杨泉[62]优化了10 kV三相同轴PPLP 高温超导电缆的绝缘设计，通过仿真分析验证了其合理性。彭畅等[35]设计了10 kV 双极同轴PPLP 高温超导直流电缆的本体绝缘结构，制作样品并进行了直流耐压和雷电冲击耐压测试，试验结果符合国家标准要求。

4 PPLP电缆的发展趋势及展望

PPLP 材料的出现距今已有约50年的发展历史。目前，PPLP 主要应用在高电压、长距离的海底输电电缆以及冷绝缘HTS 电缆等领域。随着海上风电项目的大力建设与超导技术的不断进步，PPLP材料在未来仍有广阔的发展空间。

相比于XLPE 电缆，PPLP 电缆在直流海缆输电领域具有电压等级高、输送容量大、不受空间电荷效应影响等优势。绝缘材料的空间电荷效应一直是制约高压直流输电技术发展的关键因素之一，电荷的累积会增大直流电缆绝缘击穿的概率。PPLP与其他绝缘材料不同，牛皮纸与PP薄膜界面间的电荷行为很大程度上影响了其直流绝缘性能，界面电荷的存在使得PPLP 绝缘系统具有最优的电场分布。目前，虽然学术界有一些针对PPLP 直流电导与空间电荷行为的研究，但大部分研究还处于比较基础的阶段，特别是界面处的空间电荷行为，一些研究结论还缺乏有效的理论支持，可以参考的文献较少。PPLP在直流下具有优异的电气性能，研究其空间电荷行为对于发展我国的直流输电技术具有重要意义，对其绝缘性能的研究工作仍有较大的空间。

目前，HTS 电缆大多处于研究与试制阶段，与大规模推广应用还有一定的距离。虽然低温条件下PPLP 可以有效解决绝缘问题，但原材料价格昂贵、电缆及附件和线路试验技术缺乏标准规范、电缆线路敷设及运维缺乏相关经验都是目前阻碍HTS 电缆进一步发展的瓶颈。可以预见，HTS 电缆由于其优异的低损耗特性，具有巨大的应用前景。未来30年超导输电技术会逐渐规模化应用，改变传统的电力输送方式。因此针对HTS 电缆，应该从中低压配网入手，逐步提高其经济适用性，建立相应的技术标准规范，积累运行经验。