超导电缆PPLP绝缘检测方法及系统

  完成单位：国网上海市电力公司

  主要完成人：郑健、杨建平、黄华、李红雷、苏磊、焦婷、黄兴德、张琪祁、刘家妤、姚周飞

一、研发背景

高温超导（High-Temperature Superconducting，HTS）电缆是前沿尖端技术，在全球范围内处于挂网示范，少量商业应用的阶段。

HTS电缆的绝缘结构在整个 HTS 电缆中占有重要地位，为超导电缆的安全运行提供了保障。液氮浸渍聚丙烯层压纸（polypropylene laminated paper, PPLP）是一种广泛应用于高温超导电缆的绝缘结构，PPLP绝缘材料长期服役于高场强环境下，其化学组成和结构会发生一系列的变化导致绝缘性能下降。因此，研发PPLP绝缘劣化的机理及无损检测方法，对于提高高温超导电缆的绝缘可靠性、进而对保证电力电缆系统的安全可靠运行具有重要意义。

目前对超导电缆的试验项目基本上参照常规电缆，包括电容、介质损耗等。其低温绝缘的长期运行安全性以及老化检测方法，国内外缺少深入的研究和工程经验。

介质谱技术已经成功应用于变压器（油浸纸绝缘），可以较准确评估油中纸绝缘劣化状态。发明团队发现，超导电缆的绝缘为液氮浸纸（聚丙烯层压纸PPLP）结构，和变压器绝缘结构有相似之处，均为液固复合绝缘结构，但绝缘劣化机理不同。于是创新性地将介质谱应用于超导电缆绝缘PPLP的状态检测。

团队对PPLP绝缘试样进行了液氮环境下的电老化，获得了不同老化程度的PPLP试样，并开展了介质谱检测。然后对老化前后的PPLP开展了全面的实验室理化分析：采用交流击穿、ISPD和宽带介电谱测试研究了老化对PPLP绝缘击穿特性、陷阱特性以及介电性能的影响；采用拉伸测试研究老化对机械性能的影响；采用差示扫描量热测试及热重分析对老化前后的PPLP的热性能进行了测试与表征，并结合SEM、偏光、 FTIR等实验分析其影响机理。

将PPLP绝缘在老化前后理化性能的变化规律，和介质谱检测曲线在老化前后的变化，进行微观宏观相互印证分析，形成基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法。

该专利的开发、应用，形成了针对超导电缆绝缘的无损检测评估方法，有助于提高超导电缆运行的稳定性，有利于把握住中国在超导电缆领域的领先优势，支持超导电缆在电网的持续推广。

二、发明团队介绍

第一发明人李红雷是正高级工程师、工学博士、国网专业领军人才。长期从事电缆、变压器设备的试验、检测、故障诊断工作，在绝缘检测、智能变电站、电缆增容等领域取得了诸多成果，多次获省部级科技奖励。从2014年开始投身于超导电缆应用的研究，从技术跟踪、应用选点、直到工程落地应用，开展了一系列超导科技项目，负责完成了上海超导电缆示范工程的交接试验。任IEC TC20 WG19（电缆载流量）工作组专家，CIRED WG2021-3（电缆和架空线的生命周期）工作组成员，IEEE PES 中国标准委员会咨询委员会员，中国短路试验技术委员会委员。

专利由国网上海市电力公司的超导团队完成。国网上海市电力公司是国产公里级高温超导电缆示范工程的建设及运行单位；近年来在超导领域牵头开展了一系列国网总部科技项目：《国产公里级高温超导电缆系统关键技术及示范应用研究》、《高温超导电缆系统运维技术研究》等；并于2022年获批国网新型电力系统（第一批）攻关团队：“超导电缆状态检测、评价、诊断与检修技术团队”。团队聘请了中科院院士作为技术顾问，主导的上海超导电缆示范工程，其开工、全线贯通、送电运行等重要建设节点被CCTV、人民日报、国家电网报、新华社、澎湃新闻、上海发布等官方媒体进行了报道。团队的研究历程也被中国电力报、学习强国等官方媒体报道。和国际上其他工程相比，示范工程的长度、设计电压、输送容量、接头数量、敷设方式等主要技术指标国际领先，创造了多项“世界之最”。带动超导产业上下游协同发展，促进国产超导带材的性能优化与量产，掀起国内超导电缆工程建设热潮。

团队成员是长三角超导产业联盟、上海超导制造业创新中心的核心成员。上海已经成为我国唯一拥有从材料生产、电缆集成到电缆应用的超导电缆完整产业链的城市。国网上海市电力公司正在和电缆集成公司（上海国际超导科技有限公司）、2家带材制造公司（上海超导科技股份有限公司公司、上海上创超导股份有限公司）筹建上海市超导电力应用联合实验室。

三、成果(专利)简介

1.技术原创性及重要性

本专利是应用于超导电缆检测领域的基础性、原创性专利，是基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法及系统。

超导电缆具有传输容量大、损耗低、结构紧凑、环境友好等优点。超导电缆电流大，相当于4-8回相同电压等级常规电缆的输送容量，能实现狭窄通道大容量电能的输送；还可以降低变电站电压等级，例如采用35千伏超导电缆可替代常规220千伏电缆，减少了变电站对土地资源的需求。大型城市电网负荷密度高、土地资源稀缺，经常出现输电通道和变电站的建设改造非常困难的情况；超导电缆为此提供了很好的解决方案。

超导电缆造价昂贵，远高于常规电缆。一旦发生绝缘击穿故障，会导致整段超导电缆报废。超导电缆的主流绝缘结构为液氮浸渍PPLP（Polypropylene Laminated Paper，聚丙烯层压纸）。电力设备在长期运行中绝缘会逐渐劣化（老化），但目前针对PPLP的老化特性尚缺乏研究，国内外缺少超导电缆绝缘的老化状态检测和分析方法。

在超导电缆投运前，从常温工况到低温工况（零下196℃）的预冷过程中，缆芯伸缩率可达0.3％，冷却速度太快容易产生局部应力损坏电缆；另外，若预冷未完成就投运，气态氮将造成绝缘击穿。目前超导电缆预冷过程缺少全面的内部状态监测方法，特别是缺少电气量监测方法。

本专利依托国家电网公司总部项目“国产公里级高温超导电缆系统关键技术及示范应用研究”，针对超导电缆内部绝缘进行检测评估的现实问题，提出了一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法及系统，并在超导电缆型式试验和超导电缆工程现场得到成功实施。

2.文本质量情况

本发明的权利要求有5项，第1项为一种基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方法，描述了各个技术步骤：对试品施加不同频率的激励电压，通过测量电压和电流，计算并绘制试品的阻抗值、复电容和介质损耗的频率特性曲线；拟合对比绘制的频率特性曲线与预设的曲线，获取试品的老化程度。其中，预设的曲线位于老化曲线库中，建立老化曲线库的具体过程为：在实验室制作简化模型，并进行电老化后，再对不同老化状态的PPLP模型进行介质谱测试，得到不同老化状态下的频域特性曲线，整理成数据库；同时描述了电老化方法和绝缘模型的制作。第2-5项从属专利要求详细描述了本发明实施中的各项相关从属权利，包括复电容计算方法、介质损耗计算方法、曲线比对拟合方法、测试频率范围。权利要求书清楚、简要地划定了保护范围。

3.创造性和实用性

本专利与当前同类技术相比，具有以下技术优势：

（1）状态信息更全面 

本发明所介绍的介质谱测试分析方法，利用绝缘介质极化现象在频域的表现，在扫频（例如0.0001Hz-1000Hz）电压下测量介质的介质损耗tand等绝缘参数，获得不同绝缘状态所相应的一系列频域特征谱线。常规介损测试仅在工频下实施。而介质谱测试的扫频范围宽，信息维度高于常规介损测试，包含了更丰富的绝缘状态信息。

（2）能够评估绝缘老化程度

本发明通过计算不同频率下电介质材料的阻抗值，可计算出其对应的复电容和介质损耗，计算过程可靠，并且采用绘制频率曲线以及拟合比对频率曲线的分析方法，能获取试品的老化程度，从而为超导电缆PPLP绝缘检测的分析提供可靠数据。

（3）安全便捷适用范围大

介质谱测试和常规介损（电容）测试的试验接线很相似，但介质谱测试电压有效值不到200V，电压低于常规介损测试（典型值为10kV），实施更加安全便捷，是一种无损检测方法。超导电缆采用液氮浸渍PPLP复合绝缘结构，在超导的预冷期间往往存在气态氮，此时超导电缆没有完整的绝缘结构，施加常规介损等高压试验存在风险。介质谱测试由于电压低，可以在整个预冷期间开展，实时检测预冷过程中的绝缘内部状态。

（4）本专利的实用性体现

1）可实施性。本专利技术方案详尽具体，本领域技术人员根据本技术方案可以直接应用到超导电缆的绝缘状态老化/劣化检测，有效评估内部状态。

2）可再现性。本专利技术方案在实验室绝缘试样、短段超导电缆型式试验、超导电缆工程现场多次测试，本领域技术人员可以反复实现。

3）具有积极和有益效果。本发明所介绍的基于介质谱的超导电缆PPLP绝缘检测方案对比传统的工频介损电容测试方案，信息维度高，包含了更丰富的绝缘状态信息，能看到和内部绝缘状态有明显的相关性。

因此符合专利法22条第4款的规定，具有实用性。

4.国际专利、外围专利、技术标准

为加强对本专利的保护，申请授权了国际专利，并进行外围专利群布局。构建了介质谱在超导电缆应用的全面解决方案，搭建了较全面的保护体系，构筑了针对竞争对手的专利壁垒。

申请的澳大利亚国际专利Method and system for detecting insulation aging degree of PPLP of superconducting cable（专利号2020203291），已经于2021年12月23日授权。

专利群申请见表1。

表1  专利群申请情况

发明团队大力推进专利标准化，引领技术标准的制定。牵头立项了1部国网企业标准《高温超导电缆及通道运维规程 第一部分 试验》，并将介质谱技术写入标准内容。

5.政策适应性

本专利所服务的超导电缆工程具有显著的节能减排特点，属于国家政策明确鼓励、支持的成果，是实现“双碳”目标的重点领域和关键环节。从国家和国网政策来看，中央明确提出十四五期间要构建新型电力系统。国网公司印发的《新型电力系统科技攻关行动计划》中明确提出：要加强超导输电技术攻关，加强新型电力系统战略性技术储备。随着越来越多的超导电缆真正接入电网运行，本专利的应用实施有助于提高超导电缆运行的稳定性，有利于把握住超导电缆领域的领先优势，支持超导电缆在电网的持续推广。

四、成果（专利）转化情况介绍

1.自行实施

依托本专利技术完成了上海超导电缆示范工程的型式试验和现场交接试验。

上海市国产超导电缆示范工程于2021年12月建成投运，采用交流35kV三相统包电缆，长度1.2km，额定电流2200A，含2组中间接头，全排管敷设。

本专利在示范工程上得到应用，超导电缆从常温工况到低温工况（零下196℃）的15天预冷过程中，每隔4小时测试1次介质谱，通过介质谱可以得到超导电缆内部状态变化情况（内部温度、氮的气液态等），并根据介质谱数据来控制冷却速度。以确保电缆在预冷过程中温度的平稳过渡，防止由于温度剧烈变化造成的部件热、机械应力损坏；并确保预冷能够彻底完成。同时采集了超导电缆投运前的指纹数据，用于将来分析绝缘的老化状态，以便在绝缘出现明显老化时及时预警，避免发生绝缘击穿故障。

交接完成后，示范工程顺利投运，至今已稳定运行11个月。

2.推广实施

国内外缺少超导电缆绝缘的老化状态检测和分析。同时，缺少针对超导电缆预冷过程的内部状态监测方法，特别是缺少电气量监测方法。曾经有国外工程因预冷控制不佳导致电缆损坏。

超导电缆正处于实验室研究向试验示范和商业应用转变的阶段，近年来将会投运更多的超导电缆。本专利可在国内外各超导电缆工程得到推广应用。

3、专利许可

后续将进行资产评估、挂牌交易，并通过专利许可交易获得意向收入。同时该专利成果已完成澳大利亚海外专利授权,通过向国外提供技术、专利许可等途径也可获得收入。

五、经济效益与社会效益介绍

超导电缆造价昂贵，一旦发生绝缘击穿，会导致整段超导电缆报废。本专利通过在预冷过程和运行中监测电缆内部绝缘状态，保证电缆安全投运和运行，通过保护主设备，带来经济效益。

超导电缆电流大，相当于4-8回常规电缆的输送容量，能实现小通道大容量输送；还可以降低变电站电压等级，例如35千伏超导电缆可替代常规220千伏电缆，减少了变电站面积。大型城市土地稀缺，输电通道和变电站的建设改造困难；超导电缆提供了很好的解决方案，能创造可观的经济效益和社会效益。

超导电缆还有显著的节能减排效益。超导电缆的电阻损耗几乎为零，交流电缆会有磁滞涡流损耗，计及低温冷却的电力，其总损耗也比常规电缆小。