吕万军
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摘 要：与传统电缆相比，高温超导电缆具有体积小、容量大、电流密度大、损耗小、环境友好等优点，为未来的电网提供了一种新的电力传输方式。随着高温超导材料研究的不断深入，超导电缆在电力系统中得到了广泛的应用。介绍了10 kv 电力系统三相同心高温超导电缆的主绝缘设计。实现了工频交流穿刺试验和雷击穿刺试验。
关键词：10kV电力电缆 测试结果 因素分析?
引言
随着经济的发展，对电网输电能力的要求日益提高。动力传输的传统方式已经提高了传输能力。然而，由于传统导电材料的线电阻，在动力传输会产生很大的损耗。此外，经纬度传输通道将占据大面积，从而影响其周围环境。相比之下，高温超导电缆利用高温超导材料具有以下优点: 损耗低，约为传统电缆损耗的20% ー70% ; 传输容量大，约为传统电缆的3ー5倍; 可变电阻容量: 在液氮冷却法快速消除故障后，短路电流可以受到限制，可以恢复到超导状态; 不存在环境污染问题; 冷绝缘和高温超导电缆的结构包括屏蔽层，在传输过程中可以屏蔽磁场。此外，由于采用液氮作为冷却剂，不必担心火灾和漏油等可能污染环境的安全问题，占用空间小，现有的电缆槽可以设置，特别是在人口密集的大城市，可以节省改造费用。由此可见，利用高温超导电缆提高电力系统的动力传输容量，对现有电力系统的更新和新电力系统的建设具有重要意义。目前国内外文献对10kv 电力系统三相同心高温超导电缆的研究很少。介绍了10kv 电力系统三相同心高温超导电缆绝缘材料(聚丙烯叠层纸)的绝缘试验，并提出了主要绝缘设计。
一． 绝缘材料的特性
1.1测试样本
为了研究高温超导电缆的绝缘性能，进行了交流击穿实验。如图1所示，制作了高温超导电缆的微型电缆。实验中使用的 PPLP 干燥4小时后再进入干燥机。2张碳纸包裹前20毫米的直径，使50% 的重叠之间的上下层。复写纸的作用是均匀电场分布。然后将6层 PPLP 薄膜包裹在其周围，使其上下层之间有50% 的重叠，间隙1mm，以避免其弯曲。此外，小型电缆的端部用 PPLP 加固和绝缘，以确保击穿仅发生在主绝缘层。
1.2绝缘纸击穿试验
测试样品在施加电压前放入低温杜瓦瓶冷却至少四小时，以确保测试样品能降低到液氮温度。施加电压以1kv/s 左右的速率稳定均匀地增加。当电压从零升至击穿电压，实验电压达到样品的工频击穿电压时，会触发击穿，因此实验电路必须进行自动跳闸保护才能完成样品的交流耐压试验。
1100kv 脉冲发生器可产生正负可调标准照明全波(1.2 ± 30%/50 ± 20μs)。冲击电压发生器具有火花间隙，当电压升高时，步长易于控制。照明脉冲试验采样装置与工频击穿试验相同。在施加电压前，试样应置于低温杜瓦瓶中冷却至少四小时，以确保试样的温度可降至液氮温度。进行雷击击穿试验时，应根据工频下击穿电压值预测雷击击穿电压值，通常为工频击穿电压值的2ー3倍。根据所选择的起动冲击电压值，对样品进行冲击试验。然后，电压将逐渐增加，直到样品被刺穿。
二．高温超导电缆设计
2.1 韦伯分布
韦伯分布在可靠的工程中得到了广泛的应用，特别适用于机电产品累积失效的分布形式。由于利用概率论文可以方便地推导出其分布参数，因此在各种寿命试验的数据处理中得到了广泛的应用。在这篇文章中，我们得到了三重态韦伯分布的概率统计。
工频交流穿刺试验中的三联体韦伯分布，其绝缘强度选择为超导电缆在0.1% 穿刺概率下的绝缘交流耐压设计，0.12 mm PPLP 的工频交流耐压介电强度为28.60 kV/mm。
2．2 高温超导电缆设计的电气计算
电缆芯部主要采用波纹管实现，作为液氮通道。三相导电层与筛网同心平行，各相由聚丙烯复合纸(PPLP)隔离。三相导电层是由含有高温超导材料的多股导体组成。这种三相同心电缆与其它只需要一个液氮通道的高温超导电缆相比，可以降低超导材料的数量。在电缆系统正常运行时，其三相电流相同，相位差为120度。此外，屏幕上没有感应电流存在。这样，除了高温超导电缆系统外，就不会产生磁场杂散。
10kv 电力系统三相同心高温超导电缆的设计参数包括绝缘耐受电压和绝缘材料的绝缘密度。其设计原理与普通电缆相同，可以根据 PPLP 在工频下的耐受电压和在照明冲击下的绝缘密度来计算，较大的绝缘厚度将作为主绝缘厚度。根据10kv 电力系统常规电缆耐压试验标准，可以获得超导电缆的耐压值。根据上述测试，可以得到 PPLP 在0.1% 的概率下的绝缘密度随着威布尔穿孔概率的变化。照明冲击试验是进行了10次75千伏的极性，并为交流耐压试验电压30千伏是适用于不同的介质。根据 PPLP 工作频率下耐受电压的绝缘密度，主绝缘厚度为：
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其中 U
AC 在工作频率下为耐受电压，E
AC 在50 Hz 以下为击穿强度。rc 是各相导电层的外半径，m 是 m=k
1k
2k
3的设计裕度，其中 k
1是时效系数，k
2是温度系数，k
3是体积效应。
根据 PPLP 照明脉冲下的绝缘密度，主绝缘的厚度为:
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其中U
imp为照明脉冲下的耐受电压， E
imp为照明下的击穿强度。
在正常运行过程中，由于电场、温度、机械力、湿度和周围环境的长期影响，绝缘能力会逐渐下降，结构会受到损坏，最终导致绝缘失效，造成设备的异常运行 。为了保证电缆长期稳定运行，参照电晕老化计算，在工作频率下进行耐压设计时设置 k
1 = 1.4，在雷击冲击下进行耐压设计时设置 k
1 = 1.1。
传统电缆绝缘层的工作温度一般较高，容易因热老化而导致绝缘失效。而低温超导绝缘层的运行环境为液氮，其温度将相当稳定。通过这种方式，温度系数 k 2 = 1将被设置。电缆位于杜瓦瓶管内，电缆绝缘层和杜瓦瓶管之间的空间充满液氮。
2.3 模拟分析
为了验证设计的可行性，建立了10kv 电力系统三相同心高温超导电缆主绝缘的仿真模型。PPLP 和液氮的相对介电常数分别为2.6和1.44。三相导电层频率为50hz，相电压工作电压为30kv。屏幕与地面相连。
电缆主绝缘半径方向各点的电场强度从内侧向外侧递减，最大值出现在超导导体表面。显示了三相超导体表面在一个周期内的电场强度。结果表明，在绝缘纸的工作频率为0.1% (PPLP 28.6 kV/mm)时，绝缘中的最大场强远小于穿孔场强，满足设计要求，证明了其安全性。
三．可能的故障分析
首先，电力电缆在安装过程中，因为错误措施或者其他意外情况会导致电缆有机械性损伤存在，或者当电缆在完成铺设之后，电缆附近区域在展开施工时，会因为人为等因素导致电缆出现损伤，最终电缆绝缘层出现穿孔，空气中的水分会顺着破损位置进入线缆，很大程度上降低了整个电缆的整体绝缘性，出现故障。
此外，在电力系统，电气设备的对地绝缘仅承受相电压，很多电机自身的绝缘系统所承受的电压不能超过几十伏安，最多控制在百余伏以内。在实际应用中，受到多个方面因素影响和干扰，很多电气设备实际绝缘电压超过百余伏限定值，虽然仅存在很短时间，但是数值往往非常高，容易有电气电缆被击穿或者闪络等情况出现，也就是所谓的过电压。当有瞬间高位电压出现时，即使很短的时间，也会出现严重的破坏，必须要做好相应的防护措施，降低电力电缆运行过程中承受的压力。
通过对电缆故障测试的最后一步，采用精确定位的方法可以获得准确的故障点，并且可以在预先定位的基础上提高故障定位的精度，减少程序误差，是一种实用的方法。在实际应用中，通过对故障线路施加高压脉冲，把故障声信号和电磁信号组合在一起，得到的故障点往往是最大声信号。在实际工作中，对于高阻故障，击穿故障点的电压要求较高，而且常常声音较大，易于判断故障点的位置；而对于低阻故障，对击穿故障点的电压要求较低，声音较小，而且很难准确地判断故障点的位置，但是预定的位置会比较准确。
四．小结
综上，本文介绍了 PPLP 的绝缘特性，并通过工频交流穿孔试验和雷击试验，对 PPLP 在低温下的绝缘特性进行了研究。提出了10kv 电力系统三相同心高温超导电缆的主绝缘设计方案。仿真和实验结果表明，该设计是可行和安全的。
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