低溫環(huán)境下高電壓超導電纜局部放電特性研究

高電壓、實用化是超導電纜必然發(fā)展趨勢，這對其低溫絕緣性能提出了更高的要求。局部放電是造成高壓絕緣性能劣化、影響絕緣穩(wěn)定性的最主要因素之一，而超導電纜低溫絕緣的薄膜繞包結(jié)構(gòu)自身容易引起局部放電。本項目以低溫絕緣超導電纜要研究對象，分析了高溫超導電纜正常及其在配套冷卻系統(tǒng)發(fā)生泄壓時的運行環(huán)境，提出高溫超導電纜絕緣材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計必須以常壓下局部放電和沿面放電起始電場為依據(jù)；通過理論分析和實驗研究，掌握了液氮環(huán)境下超導電纜絕緣內(nèi)部局部放電和沿面放電起始場強等規(guī)律。 交流電場下發(fā)生的部局部放電的主要誘因就是存在缺陷，常見的如微孔、雜質(zhì)、繞包絕緣結(jié)構(gòu)中絕緣帶搭接或者間隙中產(chǎn)生的間隙（butt gap）等。從絕緣結(jié)構(gòu)方面，絕緣結(jié)構(gòu)為重疊繞包時，聚丙烯層壓紙（PPLP）低溫下局部放電起始場強達到了5.9 kV/mm，比常溫下高近5倍；聚酰亞胺（PI）在液氮環(huán)境下局部放電起始場強僅為3.8 kV/mm；重疊繞包結(jié)構(gòu)比間隙繞包結(jié)構(gòu)要更為優(yōu)異，主要表現(xiàn)在局部放電起始電壓和起始場強有明顯的提高。從局部放電量而言，無論是PPLP或是PI材料，液氮環(huán)境中的局放量均有超過100倍的縮減量。本項目共進行了40次循環(huán)實驗，其中15次局部放電實驗。實驗研究結(jié)果表明，在有限的熱循環(huán)次數(shù)下，局部放電起始電壓、局部放電量等沒有明顯的變化。常規(guī)普通XLPE塑料絕緣電纜的局部放電量不超過5 PC，通過對模型電纜持續(xù)四天累計16小時、局部放電量為7000PC——9000PC局部放電老化實驗，并進行解剖研究表明，PPLP未發(fā)現(xiàn)明顯局部放電損傷痕跡。掌握了低溫下固體絕緣表面的沿面放電特性。工頻及沖擊電壓條件下，G10 環(huán)氧樣品沿面電極間隙＜100mm時，擊穿電壓隨電極間隙線性增長，在液氮中，電極間隙增加時出現(xiàn)飽和趨勢。 通過本項目的研究，為高溫超導電纜絕緣材料選型、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計、局部放電控制水平、終端電流引線設(shè)計提供了理論依據(jù)。 項目共發(fā)表文章10篇，其中項目負責人第1作者5篇；SCI收錄3篇（第1作者2篇）；發(fā)明專利6項；培養(yǎng)博士1名、碩士2名。

高電壓、實用化是超導電纜必然發(fā)展趨勢，這對其低溫絕緣性能提出了更高的要求。局部放電是造成高壓絕緣性能劣化、影響絕緣穩(wěn)定性的最主要因素之一，而超導電纜低溫絕緣的薄膜繞包結(jié)構(gòu)自身容易引起局部放電；低溫環(huán)境下，局部放電產(chǎn)生的熱化學反應(yīng)將得到抑制，但其引起的光、電化學反應(yīng)可能同樣會對高電壓絕緣產(chǎn)生嚴重影響，低溫條件下局部放電對絕緣的危害性比常溫條件下更大。本項目以低溫絕緣超導電纜及其終端和電流引線絕緣為主要研究對象，通過理論分析和實驗研究，構(gòu)建物理模型和數(shù)學模型，開展超導電纜局部放電特性研究；掌握低溫環(huán)境下超導電纜局部放電規(guī)律、影響因素；獲得低溫熱循環(huán)對局部放電的影響機理、局部放電對絕緣的損傷方式以及絕緣材料對局部放電的敏感性和耐受特性；提出局部放電抑制方法；為超導電纜高電壓絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計和局部放電控制水平提供理論依據(jù)，最終解決超導電纜高電壓絕緣穩(wěn)定性難題。

一、超導電纜按采用超導材料不同分低溫超導電纜和高溫超導電纜。

低溫超導電纜的導電層是采用低溫超導線材，通常是NbTi/Cu或NbsSn/Cu復合超導線制成。由于NbTi的臨界溫度是9.5 K，

高溫超導電纜的導電層主要采用Bi2223帶材，它的臨界溫度約為110 K，因此可以在液氮溫區(qū)下運行，其低溫結(jié)構(gòu)相對低溫超導電纜要簡單。

二 、超導電纜按其輸送電能形式不同有直流超導電纜和交流超導電纜。

直流超導電纜由于超導材料處在超導態(tài)時幾乎沒有電阻，輸電時只有電流引線和低溫制冷裝置有電能損耗。

交流超導輸電電纜由于超導體在通電運行時會產(chǎn)生交流損耗以及絕緣層介質(zhì)損耗等，因此其熱損耗要比直流電纜大。

三、按絕緣方式不同，超導電纜還可分為常溫絕緣超導電纜和低溫絕緣超導電纜。

常溫絕緣超導電纜的電絕緣層是處在電纜低溫容器外的常溫區(qū)，它可以采用常規(guī)電纜的電絕緣材料和技術(shù)，

低溫絕緣超導電纜的電絕緣層是直接纏包在導體上，并與導體一起處在低溫區(qū)，這樣電纜尺寸將更緊湊。為了防止電纜載流時產(chǎn)生磁場對周圍環(huán)境的影響，通常在絕緣層外還加有屏蔽層。

《高電壓試驗技術(shù)—局部放電測量》（GB/T 7354-2018）定義了局部放電的術(shù)語和有關(guān)的被測參量，規(guī)定了使用的試驗回路、測量回路、通用的模擬及數(shù)字測量方法，并給出了校準方法及對校準儀器的要求、試驗程序、區(qū)分局部放電和外界干擾的準則。該標準適用于電氣設(shè)備、組件或系統(tǒng)在頻率為400Hz及以下的交流電壓試驗或直流電壓試驗時產(chǎn)生的局部放電測量。該標準條款可用于起草特定電氣設(shè)備局部放電測量的技術(shù)條件。該標準主要涉及脈沖型（短持續(xù)時間）局部放電的電氣測量，也給出了主要用于局部放電定位的非電氣測量方法（參見附錄G）。

特定電力設(shè)備的特性診斷可由局部放電信號的數(shù)字化處理（參見附錄F）以及主要用于局部放電定位的非電氣測量方法（參見附錄G）完成。該標準主要闡述交流電壓試驗時局部放電的電氣測量方法，也提及了在直流電壓試驗時出現(xiàn)的特殊問題（見第4章）。該標準術(shù)語、定義、基本試驗回路和程序一般也都適用于其他頻率下所進行的試驗，但可能要求特殊的試驗方法和測量系統(tǒng)特性，這些要求未在該標準中考慮。 附錄B作為要求給出了對校準器性能試驗的要求。