超导电缆绝缘材料的应用及研究

谢庚强

（河南许昌阳光光电线缆有限公司，河南 许昌 461000）

随着经济建设的不断发展，人民在生活中对电力的需求也日益增加，以铜为主要媒介的传统输电线电缆，电流输送过程中存在电能损耗大的弊端，这就需要在输电线应用上寻找高效、环保的新型输电方式。超导电缆具有零电阻的特性，而且大容量、低损耗的超导电缆最适合应用于大城市的高密度用电区域，因此超导电缆在高温超导技术产业中占据制高点。高温超导电缆通常是由支撑体、超导层、屏蔽层、绝缘层、隔热层和保护层组成的，其中绝缘材料更是以间隔隔离的形式保证电流的输送，而且为了实现高温超导电缆材料的实用性，依据绝缘材料的性能和分类该如何进行选择，就显得尤为重要。

1 绝缘材料的分类及性能

绝缘材料是指用于使不同电位的导电部分隔离的材料，当对绝缘材料施加电压的时候，绝缘材料只产生微弱的电流。固体的绝缘材料较为常见，主要包括绝缘纸、橡胶、塑料、玻璃、陶瓷等，根据其组成部分，主要分为无机、有机和复合绝缘材料3大类。

1.1 无机的绝缘材料

常用无机的绝缘材料主要包括玻璃、陶瓷和云母等，尤其是陶瓷材料具有熔点高、抗氧化及硬度高等特点，由于陶瓷应用中韧度和塑性应变能力较低，因此不容易加工，成型度较低。

（1）玻璃

玻璃作为绝缘材料应用时具有化学稳定性较好、吸湿性较小、厚度适中等特点，但在应用过程中会出现延展性不足，而且脆性较大等问题。

（2）陶瓷

绝缘陶瓷在应用过程中可划分为氧化性陶瓷和非氧化性陶瓷两种形式，但在实际的应用中绝缘陶瓷具有电阻率高、抗电弧度高、导热性能好等特点，正因为陶瓷材料自身脆性较大，韧度较低，难以进行加工，因此在绝缘材料的应用中主要是以绝缘子、绝缘衬套等来进行使用的。

（3）云母

云母内部还有不同的碱金属土金属离子，在应用过程中有实用性较高，主要是白云母和金云母。白云母主要是高击穿场力较强，但是介质的损耗较低。金云母具有高耐热性，质地较为柔软，抵抗弯曲的特点。常见的云母制品主要是由云母碎片或者是用碎云母组合而成的云母纸，但在应用过程中价格相对较高，而且碎云母经过加工后韧性较大，若再次

加工成本费用较高，因此制约了绝缘材料的应用。

1.2 有机绝缘材料

有机的绝缘材料由于电气的绝缘性能的发展变化，具有耐腐蚀性和易加工的特点逐渐取代了传统的绝缘材料，而且为了减少绝缘的空间的占有性，有机材料常用不占空间的薄膜形式来供应绝缘电缆。

（1）交联聚乙烯（X L P E）

XLPE相比于PE，在耐老化方面具有可观的性能，主要是由于PE是经高能射线辐射或者是添加一定的交联剂得成的。而且由于XLPE的耐环境开裂的能力较强，在应用过程中由于XLPE的介电常数和介质损耗角的正切值与PE接近，但自身的绝缘抗电阻的阻力进一步增大，在室温的环境下，XLPE的电阻率高于1016Ω·cm，而且在室温和液氮的温度下介电的常数为2.3，XLPE的抗脆化温度临界值也低于PE（XLPE温度临界值：-76℃，PE温度临界值：-70℃）液氮温度下的击穿场强为35kV/mm。

（2）聚四氟乙烯（P T F E）

四氟乙烯的单体经过一系列的聚合性反应制成的，PTFE的薄膜在室温和液氮的温度下介电的常数为2.1和2.0～2.2电阻率分别为：3.0×1015Ω·cm和4.0×1014Ω·cm，与PE等绝缘材料的值相比，PTFE自身具有良好的化学稳定性和高的低温性能，工作温度为-196℃～260℃，但由于分子间的作用力相对较小，所以机械强度、耐磨损的性能也相对较低，但由于PTFE的耐电晕性能较差，因此不适合做高压绝缘材料。

（3）聚酰亚胺（P I）

主要是通过酰胺化和亚胺化进行合成的聚合物，PI生成的薄膜在室温和液氮的温度下的电阻率分别为2.0×1015Ω·cm和2.0×1017Ω·cm，介电常数主要是在3.0～3.2，介质损耗角的正切值处于10-4～10-3，液氮温度下的击穿强度高于150kV/mm，工作温度为-200℃～300℃，其脆化的强度相对较高，同时PI的耐电晕和抗张强度对比PTFE相对较高，结合各项数值考虑，PI绝缘材料产品综合性能好，但和XLPE 、PTFE相比的话，PI的介电常数相对较高，因此在应用过程中通过引用极化率较低的氟原子，脂肪族结构单元或是硅氧基团会不同程度地降低介电常数。

（4）乙丙橡胶

乙丙橡胶（EPR）主要是作用乙烯与丙烯共同进行聚合而成的二元共聚物。在室温下的电阻率为1015Ω·cm～1016Ω·cm之间，室温以及液氮的温度下介电常数分别为2.6～2.7，介质损耗角正切值分别为4.0×10-3和3.5×10-4，液氮温度下的击穿场强主要为29kV/mm，此种特性与PE、XLPE相对比的话，EPR的介质损耗度较大，但是在其他性能的控制下优于PE、XLPE，而且在液氮的温度下临界值较低。

（5）聚丙烯层压纸（P P L P）

PPLP是以纸浆材料和聚丙烯薄膜为原材料制成的一种绝缘材料。在液氮温度下的电阻率2.9×1016Ω·cm，室温以及液氮的温度下介电常数分别为2.21，介质损耗角正切值分别为4.0×10-4以下，液氮温度下的击穿场强主要为103.78kV/mm，PPLP在低温的情况下具有较好的机械性能和绝缘性能，比较适合用于低温介质的超导电缆的绝缘材料。

1.3 复合绝缘材料

复合材料主要是两种或者是以上的材料进行组合，达到协同效应来弥补某一材料性能上的不足，常见的复合绝缘材料主要是聚乙烯、聚酰亚胺等为基体的复合材料。

（1）聚乙烯基复合材料

在电缆应用中，聚乙烯内部的空间电荷容易引起绝缘老化的现象，影响其正常使用，一般情况下都会采用添加无机填料进行聚合，吸引和捕获截流子，使绝缘材料内部的截流子均匀分布，从而达到消除内部空间电荷的目的。

（2）聚酰亚胺基复合材料

聚酰亚胺自身具备较好的耐电晕性，但在实际应用中介电常数相对较高，为了弥补这一项，可通过添加纳米颗粒来提高耐电晕性，而且有助于局部的电荷的转移，从而避免电荷集聚导致的电晕击穿现象的发生。

1.4 绝缘材料性能参数分析（表1）

绝缘材料的应用性能主要包括绝缘电阻、相对介电常数、介质损耗角正切值以及击穿场强等参考项，绝缘材料的表面和内部有微弱电流通过，相对应的电阻率分别为表面绝缘电阻和体积绝缘电阻。而电介质在外加的电压作用下发热而消耗的电能称为介质损耗。击穿场强主要是绝缘材料抵抗电击穿可以承受的能力。

通过对比发现，在室温和液氮的温度条件下，XLPE、PPLP在考虑综合性能的情况下是作为绝缘的理想材料。

表1 常用的绝缘材料的性能参数对比

2 超导电缆的绝缘材料的应用

2.1 超导电缆的本体绝缘

高温超导电缆根据其绝缘的介质工作温度可以分为室温介质绝缘和冷介质绝缘两种情形，室温介质绝缘电缆主要是将电绝缘层置于低温恒温器之外，其工作的温度处于室温的范围内，主要应用的常规的电缆型号，具有较高可靠性。但室温介质的绝缘电缆损耗较明显，而且运作的费用较高。而冷介质绝缘超导电缆主要是以超导材料作为磁屏蔽层，可以减小涡流损耗，达到降低运作成本的目的，但在使用过程中结构相比于室温介质较为复杂，在液氮条件下的性能稳定性还需进行多方的试验验证。

高温超导电缆本体绝缘根据结构可以分为挤包型和饶包型两种，挤包型绝缘在应用中可以减少空隙，降低绝缘材料的局部放电，但若是在低温的条件下，容易出现开裂的情况，但绕包型绝缘的介质损耗较小，但由于内部气隙较大容易导致局部的放电。冷介质的绝缘电缆使用中一般采用的是绕包型绝缘材料，室温的绝缘超导电缆主要采用挤包型。

2.2 室温超导绝缘材料选择

室温绝缘超导电缆所常用的绝缘材料有PE、XLPE和EPR等材料，XLPE在室温的条件下具有的综合性能较为稳定，因此常用于室温绝缘超导电缆的使用，而且超导电缆在并网之后配电网运行比较平稳可靠。

2.3 冷绝缘超导电缆

用于冷绝缘的材料主要是PI和PPLP等，在应用中液氮温度下PPLP综合性能使用上较为理想，而且是冷绝缘超导电缆常用的绝缘材料，而与室温绝缘相比，冷绝缘结构更为复杂。

结语

超导技术的引用与发展为电力的发展带来了技术性的革新，针对高温超导电缆的应用，电缆本体的绝缘材料选用的研究与设计如何朝向实用性发展具有至关重要的作用，因此在操作中如何改进和提升超导电缆的损耗度和使用年限，绝缘材料的选用在室温及液氮条件下如何选择，如何进一步提升绝缘材料的性能，还须进行更深入的研究与测试工作。