摘要：超导材料独特的零电阻特性和完全抗磁性，使其在强电、弱电、轨道交通等诸多领域应用前景良好。至今，已经发现了包括元素、合金和化合物在内的超过 2000 种超导体，应用较多的是以铌钛、铌三锡为代表的低温超导材料和以铋系、钇系铜氧化物为代表的高温超导材料。
关键词：超导电缆；绝缘材料；绝缘性能
1 前言
高温超导电缆根据其绝缘介质的工作温度可以分为室温绝缘和冷绝缘两种。室温绝缘电缆是将电绝缘层置于低温恒温器之外，其工作温度在室温范围，因此可以选用可靠性较高的常规电缆绝缘材料。冷绝缘超导电缆以超导材料作为磁屏蔽层，可以减小涡流损耗，降低运行成本；但是由于工作环境为液氮温区，因此对于绝缘材料的低温综合性能要求很高。
2 室温绝缘超导电缆
室温绝缘超导电缆通常使用的绝缘材料有聚乙烯、交联聚乙烯和乙丙橡胶等。对于室温绝缘超导电缆，一般采用挤包型绝缘，挤包型绝缘可以减少绝缘中间隙，降低局部放电。
2.1 交联聚乙烯
聚乙烯经高能射线辐照或添加交联剂可以得到交联聚乙烯。与聚乙烯相比，交联聚乙烯的耐老化性能、耐环境应力开裂性能更好，脆化温度低于聚乙烯（交联聚乙烯：-76°C，聚乙烯：-70°C）。交联聚乙烯的介电常数和介质损耗角正切值和聚乙烯相近，而绝缘电阻较大。在室温条件下，交联聚乙烯的电阻率高于1016Ω•cm，介电常数为2.3，介质损耗角正切值为5.0×10-4。
2.2 乙丙橡胶
乙丙橡胶是由乙烯和丙烯共聚成的二元共聚物。在室温条件下，乙丙橡胶的电阻率为1015~1016Ω•cm，介电常数为2.6，介质损耗角正切值为4.0×10-3。相比于聚乙烯和交联聚乙烯，乙丙橡胶在室温和液氮温度下的介质损耗较大。但是，乙丙橡胶的低温机械性能好于聚乙烯和交联聚乙烯，在液氦温度下也不会开裂。
3 冷绝缘超导电缆
用于冷绝缘超导电缆的绝缘材料主要为聚酰亚胺、聚芳酰胺纸和聚丙烯层压纸。其中，聚丙烯层压纸在液氮温度下的综合性能较为理想，目前成为冷绝缘超导电缆首选的绝缘材料。对于冷绝缘超导电缆，一般采用绕包型绝缘。绕包型绝缘的介质损耗较小，而且由于其绝缘间浸有液氮，可以有效降低局部放电量。2005年之后，更多的研究围绕冷绝缘高温超导电缆展开，表1中列出了相关研究项目。
表1 冷绝缘超导电缆研究项目
3.1 聚酰亚胺
聚酰亚胺是以四羧酸二酐和芳香二胺单体为原料，通过酰胺化和亚胺化合成的聚合物。聚酰亚胺薄膜在室温到液氦温度范围内的介电常数在3.0~3.2之间，介质损耗角正切值在10-4~10-3之间，在液氮温度下的电阻率为2.0×1017Ω•cm，击穿场强高于150kV/mm。同时，聚酰亚胺还具有较好的耐电晕性和抗张强度。但聚酰亚胺的介电常数相对较高，通过引入氟原子、脂肪族结构单元、硅氧基团可以不同程度地降低其介电常数。
3.2 聚芳酰胺纸
聚芳酰胺纸（Nomex）由杜邦公司研制，以聚间苯二甲酰间苯二胺短纤维和浆粕纤维为原料，通过湿法抄纸、干燥热轧制得。Nomex在液氮温度下的介电常数为3.1，介质损耗角正切值为1.0×10-3，击穿场强为35kV/mm。我国自主生产的间位芳纶绝缘纸（芳纶1313）生产技术基本成熟，但在均匀性和强度方面尚有不足。
3.3 聚丙烯层压纸
聚丙烯层压纸（PPLP）是日本住友开发的以多孔纸浆材料、聚丙烯薄膜为原料压制而成的绝缘材料。在液氮温度下，PPLP的电阻率为2.9×1016Ω•cm，介电常数为2.21，介质损耗角正切值在1.0×10-4以下，击穿场强达到103.78kV/mm。此外，PPLP在低温下还具有良好的机械性能和绝缘性能，是一类适合于冷绝缘超导电缆的绝缘材料。
4 复合绝缘材料
复合绝缘材料各相之间具有协同效应，可以弥补单一材料的性能不足。目前，复合绝缘材料主要包括以聚乙烯、聚酰亚胺等为基体，二氧化硅、氧化铝为无机填料的复合材料。
4.1 聚乙烯基复合材料
聚乙烯内部积聚的空间电荷会引起树枝化等绝缘老化现象，通过添加无机填料可以吸引、捕获载流子，使得绝缘中的载流子密度可以均匀分布，从而消除空间电荷。在工作温度范围之内（70°C~90°C），聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料的电阻率为（2.0~10.0）×1016Ω•cm，高于相同温度范围内聚乙烯的电阻率。蒙脱土具有高表面能，载流子在迁移过程中为界面所捕获，载流子迁移率的降低使得复合绝缘材料的电阻率增加。在低密度聚乙烯中填充不同含量的纳米二氧化硅，可以有效提高聚乙烯的击穿场强，而且随着纳米二氧化硅含量的增加，复合材料的击穿场强呈升高趋势。无机纳米粒子的添加使聚乙烯内部的分子之间形成较强的相互作用，使载流子在复合材料中均匀分布，对载流子输运的限制提高了材料的击穿场强。
4.2 聚酰亚胺基复合材料
聚酰亚胺具有较好的耐电晕性，但是还不能满足实际的应用要求，通过添加无机纳米颗粒可使其耐电晕性得到进一步提高。衷敬和采用溶胶-凝胶法制备了聚酰亚胺/二氧化硅复合薄膜并对其绝缘性能进行了研究。实验结果表明，随着二氧化硅含量的增加，复合薄膜的电阻率略有下降；但与聚酰亚胺薄膜相比，掺杂后的复合薄膜具有更好的耐电晕性。二氧化硅的添加可以使聚酰亚胺分子之间形成连接，有助于局部电荷的转移，从而避免电荷积聚引起的电晕击穿。王晓琳制备了聚酰亚胺/二氧化硅-氧化铝复合薄膜，实验结果表明，在二氧化硅含量为20wt%时，复合薄膜的耐电晕时间为26.4h，为聚酰亚胺薄膜的14倍。
5 结论和展望
超导材料在强电领域的应用，有望克服世界范围内日益严重的能源短缺问题。对于高温超导电缆而言，绝缘材料的研究和应用是其实用化的关键技术之一。在室温和液氮温度下，交联聚乙烯和聚丙烯层压纸分别具有较为理想的综合性能，适用于超导电缆本体的绝缘要求。在现有基础上提高绝缘材料的性能，制备聚合物/纳米粉体复合材料是有效途径之一。
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论文作者:刘明
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
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