低溫環(huán)境下高電壓超導(dǎo)電纜局部放電特性研究

高電壓、實(shí)用化是超導(dǎo)電纜必然發(fā)展趨勢，這對(duì)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(dǎo)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(xiàng)目以低溫絕緣超導(dǎo)電纜要研究對(duì)象，分析了高溫超導(dǎo)電纜正常及其在配套冷卻系統(tǒng)發(fā)生泄壓時(shí)的運(yùn)行環(huán)境，提出高溫超導(dǎo)電纜絕緣材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究，掌握了液氮環(huán)境下超導(dǎo)電纜絕緣內(nèi)部局部放電和沿面放電起始場強(qiáng)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(shí)，聚丙烯層壓紙（PPLP）低溫下局部放電起始場強(qiáng)達(dá)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(qiáng)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(qiáng)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(xiàng)目共進(jìn)行了40次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其中15次局部放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(duì)模型電纜持續(xù)四天累計(jì)16小時(shí)、局部放電量為7000PC——9000PC局部放電老化實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)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(shí)，擊穿電壓隨電極間隙線性增長，在液氮中，電極間隙增加時(shí)出現(xiàn)飽和趨勢。 通過本項(xiàng)目的研究，為高溫超導(dǎo)電纜絕緣材料選型、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、局部放電控制水平、終端電流引線設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 項(xiàng)目共發(fā)表文章10篇，其中項(xiàng)目負(fù)責(zé)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(xiàng)；培養(yǎng)博士1名、碩士2名。

高電壓、實(shí)用化是超導(dǎo)電纜必然發(fā)展趨勢，這對(duì)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(dǎo)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(xué)反應(yīng)將得到抑制，但其引起的光、電化學(xué)反應(yīng)可能同樣會(huì)對(duì)高電壓絕緣產(chǎn)生嚴(yán)重影響，低溫條件下局部放電對(duì)絕緣的危害性比常溫條件下更大。本項(xiàng)目以低溫絕緣超導(dǎo)電纜及其終端和電流引線絕緣為主要研究對(duì)象，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，構(gòu)建物理模型和數(shù)學(xué)模型，開展超導(dǎo)電纜局部放電特性研究；掌握低溫環(huán)境下超導(dǎo)電纜局部放電規(guī)律、影響因素；獲得低溫?zé)嵫h(huán)對(duì)局部放電的影響機(jī)理、局部放電對(duì)絕緣的損傷方式以及絕緣材料對(duì)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(dǎo)電纜高電壓絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和局部放電控制水平提供理論依據(jù)，最終解決超導(dǎo)電纜高電壓絕緣穩(wěn)定性難題。

一、超導(dǎo)電纜按采用超導(dǎo)材料不同分低溫超導(dǎo)電纜和高溫超導(dǎo)電纜。

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

高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)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(yùn)行，其低溫結(jié)構(gòu)相對(duì)低溫超導(dǎo)電纜要簡單。

二 、超導(dǎo)電纜按其輸送電能形式不同有直流超導(dǎo)電纜和交流超導(dǎo)電纜。

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

交流超導(dǎo)輸電電纜由于超導(dǎo)體在通電運(yùn)行時(shí)會(huì)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(dǎo)電纜還可分為常溫絕緣超導(dǎo)電纜和低溫絕緣超導(dǎo)電纜。

常溫絕緣超導(dǎo)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(dǎo)電纜的電絕緣層是直接纏包在導(dǎo)體上，并與導(dǎo)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(shí)產(chǎn)生磁場對(duì)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(yàn)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(yàn)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(zhǔn)方法及對(duì)校準(zhǔn)儀器的要求、試驗(yàn)程序、區(qū)分局部放電和外界干擾的準(zhǔn)則。該標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)或直流電壓試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的局部放電測量。該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)主要涉及脈沖型（短持續(xù)時(shí)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)主要闡述交流電壓試驗(yàn)時(shí)局部放電的電氣測量方法，也提及了在直流電壓試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的特殊問題（見第4章）。該標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語、定義、基本試驗(yàn)回路和程序一般也都適用于其他頻率下所進(jìn)行的試驗(yàn)，但可能要求特殊的試驗(yàn)方法和測量系統(tǒng)特性，這些要求未在該標(biāo)準(zhǔn)中考慮。 附錄B作為要求給出了對(duì)校準(zhǔn)器性能試驗(yàn)的要求。