CN117727495A - 一种用于液氦温度的高压输电电缆及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于液氦温度的高压输电电缆及其应用，所述电缆由内到外依次包括：电缆阳极，为掺杂炭黑的聚酰亚胺；电缆绝缘层，为聚酰亚胺；电缆阴极，为掺杂炭黑的聚酰亚胺；采用适宜于液氦温度下工作的聚酰亚胺取代常用的聚乙烯作为绝缘材料，起导电作用的电缆阳极和电缆阴极采用掺杂炭黑的聚酰亚胺来实现。本发明提供的所述电缆的电缆绝缘层聚酰亚胺在4K温度下的击穿电压不低于100kV/cm；同时所述电缆的结构设计使得在输送500kV直流高压时，所述电缆所有位置的电场强度均不超过100kV/cm。因此，在输送500kV直流高压时，所述电缆绝缘层处于安全状态，不会出现被击穿的事故，能够为液氦时间投影室引入500kV及以下直流高压。
Description
技术领域
本发明属于暗物质探测实验技术领域，具体涉及一种用于液氦温度的高压输电电缆及其应用。
背景技术
暗物质(dark matter)是当今基础物理学届最亟须理解和回答证实的重要科学问题之一，暗物质存在的天文学证据是广泛而可靠的。但目前人类对暗物质的粒子物理特性仍然知之甚少。对暗物质的探测分为地下实验室直接探测、空间间接探测以及在对撞机上的寻找，地下实验室直接寻找目前是在SI(spin independent)模型下灵敏度最高的暗物质探测方式。现有处于活跃状态的暗物质实验大概有三十多个，按照物理目标，这些实验可以分为低质量暗物质实验和高质量暗物质实验；一般而言，质量在10MeV/c2
-10GeV/c2区间的是低质量暗物质,10GeV/c2 -10TeV/c2之间是高质量暗物质。如果以技术路线为分类标准，这些实验大致可以分为液氙时间投影室、液氩时间投影室、超低温探测器、半导体探测器、以及闪烁体(晶体)探测器。在实验过程中，上述探测器均需要在外加高电压、足够小的电流下工作。因此，需要采用合适的电缆将500kV高压从外部引入其中。
目前，国内外高压输电电缆的典型设计方案如国家标准《额定电压500kV及以下直流输电用挤包绝缘电力电缆系统》(GB/T-31489.2-2020)等显示，这种输送500kV及以下直流高压的电缆的主要部件及典型厚度如下：金属阳极(70.0mm)、阳极屏蔽层(1.2mm)、交联聚乙烯绝缘层(28.0mm)、绝缘屏蔽层(1.0mm)、金属阴极(3.4mm)、半导电缓冲层(2.0mm)以及电缆最外层的保护套等。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于液氦温度的高压输电电缆及其应用，采用适宜于液氦温度下工作的聚酰亚胺取代常用的聚乙烯作为绝缘材料，起导电作用的阳极和阴极采用掺杂炭黑的聚酰亚胺来实现，以解决液氦时间投影室所需要的500kV直流高压引入问题。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于液氦温度的高压输电电缆，所述电缆由内到外依次包括：
电缆阳极，为掺杂炭黑的聚酰亚胺；
电缆绝缘层，为聚酰亚胺；
电缆阴极，为掺杂炭黑的聚酰亚胺。
进一步，所述掺杂炭黑的聚酰亚胺中，炭黑的质量百分含量为8-12％。
进一步，所述电缆阳极的直径为7±0.5cm。
进一步，所述电缆绝缘层的厚度为10±0.5cm。
进一步，所述电缆阴极的厚度为0.5±0.1cm。
进一步，所述电缆采用一体挤压成型工艺制作而成。
进一步，所述一体挤压成型工艺为三层共挤工艺。
进一步，所述电缆绝缘层在4K温度下的击穿电压不低于100kV/cm。
进一步，在输送500kV直流高压时，所述电缆所有位置的电场强度均不超过100kV/cm。
本发明还提供所述的一种用于液氦温度的高压输电电缆在4K温度下为液氦时间投影室引入500kV直流高压的应用。
本发明的有益效果在于，采用本发明所提供的一种用于液氦温度的高压输电电缆及其应用，所述电缆由内到外依次包括：电缆阳极，为掺杂炭黑的聚酰亚胺；电缆绝缘层，为聚酰亚胺；电缆阴极，为掺杂炭黑的聚酰亚胺；采用适宜于液氦温度下工作的聚酰亚胺取代常用的聚乙烯作为绝缘材料，起导电作用的阳极和阴极采用掺杂炭黑的聚酰亚胺来实现。本发明提供的所述电缆采用一体挤压成型工艺制作而成，而且电缆阳极、电缆绝缘层、电缆阴极的基质均为聚酰亚胺，能够避免在低温下由于热膨胀系数差异而产生如传统电缆那样的空隙，从而可以在电缆的成型工艺、材料物性差异等方面避免电缆内部缝隙的产生，进而避免发生局部高压事故。
本发明提供的所述电缆的电缆绝缘层聚酰亚胺在4K温度下的击穿电压不低于100kV/cm；同时所述电缆的结构设计使得在输送500kV直流高压时，所述电缆所有位置的电场强度均不超过100kV/cm。因此，在输送500kV直流高压时，所述电缆绝缘层处于安全状态，不会出现被击穿的事故。本发明提供的所述电缆可以解决液氦时间投影室所需要的500kV直流高压引入问题，为ALETHEIA液氦探测器提供高压传输，即在4K温度下为液氦时间投影室引入500kV及以下高压。
附图说明
图1为本发明实施方式提供的一种用于液氦温度的高压输电电缆结构示意图；
图2为本发明实施方式提供的杜邦公司的Vespel SP-1圆棒材室温下的绝缘强度与厚度关系曲线图；
图3为本发明实施方式提供的利用COSMOL模拟的所述电缆电场分布图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明实施方式中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下而获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
ALETHEIA是世界上第1个在低质量暗物质领域内采用时间投影室技术的实验，ALETHEIA实验采用双相时间投影室技术，以液氦为探测器靶物质；ALETHEIA实验需要采用直流高电压使液氦小室内产生强电场，这就需要采用适用于液氦温度(4K)下的高压电缆。
但是，发明人发现，国内外高压输电电缆的典型设计方案提供的电缆的最低工作温度一般在－60℃左右，不适宜于工作在液氦温度下。主要原因包括但不限于：(1)交联聚乙烯在4K低温下机械性能会变得很脆，容易碎裂；绝缘层一旦产生裂纹，将会造成局部电场畸变，从而难以安全有效地对500kV高压起到绝缘作用，甚至产生安全事故；(2)传统电缆主要有三种材料，起导电作用金属如铜、铝等，起绝缘作用的有机物如聚乙烯，起屏蔽作用的半导体材料；这些材料在室温到液氦低温之间的热收缩系数不一样，如金属和有机物的收缩系数甚至能差十倍以上；因此，应用场景以室温(或－60℃)为主的传统电缆的不同材料层之间在低温下会产生缝隙，而由于材料表面难以避免的大小不一的毛刺、裂纹等的存在，高压电场容易在缝隙处产生局部畸变，有可能酿成高压事故。
美国的Dielectric Sciences,Inc.公司生产的SK160318电缆最高工作电压是150kV，虽然该电缆已经在－112℃(即液氙温度，161K)的液氙探测器中稳定运行，但这种电缆仍然无法满足ALETHEIA液氦探测器对高压传输的要求，即在4K(－269℃)温度下实现对500kV(1mA电流)的传送；原因如上已述，聚乙烯在液氦温度下会变得很脆，从而难以实现安全、稳定地绝缘。
本实施方式提供的电缆采用适宜于液氦温度下(4K)工作的聚酰亚胺取代常用的聚乙烯作为绝缘材料，起导电作用的电缆阳极和电缆阴极采用掺杂炭黑的聚酰亚胺来实现，从而不需要铜、铝等金属导体材料，也不需要半导电材料。从整体上看，电缆的主体材料是聚酰亚胺，在需要导电的电缆中心(电缆阳极1)和最外层(电缆阴极3)掺杂一定比例(如10％)的炭黑。
如图1所示，本实施方式提供的一种用于液氦温度的高压输电电缆，所述电缆由内到外依次包括：
电缆阳极1，为掺杂炭黑的聚酰亚胺；
电缆绝缘层2，为聚酰亚胺；
电缆阴极3，为掺杂炭黑的聚酰亚胺。
可选的，制得所述掺杂炭黑的聚酰亚胺的方式为：通过开炼机混炼的方式将炭黑均匀掺杂入聚酰亚胺中。
可选的，所述电缆阳极1的直径为7±0.5cm；所述电缆绝缘层2的厚度为10±0.5cm；所述电缆阴极3的厚度为0.5±0.1cm。
可选的，所述掺杂炭黑的聚酰亚胺中，炭黑的质量百分含量为8-12％。
所述电缆采用一体挤压成型工艺制作而成。由于电缆是由同一种材料即聚酰亚胺制成，炭黑只是在某些局部(电缆阳极1内部和电缆阴极3内部)“嵌入”其中，因此不会在绝缘层和导电层之间产生如传统电缆那样的空隙，从而避免了可能出现的高压电场局部畸变。
具体的，所述一体挤压成型工艺为三层共挤工艺，电缆阳极1、电缆绝缘层2、电缆阴极3采用三层共挤出的方式，可以有效避免分开挤出方式造成的工艺因素引起电缆阳极1与电缆绝缘层2之间、电缆绝缘层2与电缆阴极3之间形成缝隙的问题。同时，电缆阳极1、电缆绝缘层2、电缆阴极3的基质均为耐低温的聚酰亚胺，即使在低温下也不易由于热膨胀系数差异而产生缝隙，从而可以在电缆的成型工艺、材料物性差异等方面避免电缆内部缝隙的产生，进而避免发生局部高压事故。
实施例
以下通过实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明，在本实施例中，所述电缆阳极1、电缆绝缘层2、电缆阴极3中的聚酰亚胺采用杜邦公司的Vespel SP-1(纯聚酰亚胺)，其中电缆阳极1(掺杂10％炭黑的Vespel SP-1)的直径为7cm；所述电缆绝缘层2(Vespel SP-1)的厚度为10cm；所述电缆阴极3(掺杂10％炭黑的Vespel SP-1)的厚度为0.5cm。
根据杜邦公司提供的Vespel SP-1的物性资料显示，聚酰亚胺可以在液氦温度(4K)下工作。同时，杜邦公司提供的相关测试结果显示，在室温下2毫米厚的Vespel SP-1(纯聚酰亚胺)的击穿电压数据是220kV/cm；在77K温度下对0.125毫米厚的Kapton薄膜(纯聚酰亚胺)的击穿电压是1540kV/cm；且膜的厚度越薄，击穿电压越高。另外，文献
Temperature-dependent dielectric properties of Polyimide(PI)andPolyamide(PA)nanocomposites指出，在低温环境中测试的PI样品的介电强度与在室温下相比显著提高，几百纳米厚度的聚酰亚胺在92K低温下的击穿电压是室温下的约1.5倍，达3.5MV/cm。
此外，由图2所示的杜邦公司的Vespel SP-1圆棒材室温下的绝缘强度与厚度关系曲线图可以看出，聚酰亚胺的绝缘强度在厚度为3mm时趋于稳定。而且，随着聚酰亚胺厚度继续增加至无限大，绝缘强度无限趋近于100kV/cm；进而可以合理且偏保守地外推出，室温下厚度为10cm的Vespel SP-1的绝缘强度不低于100kV/cm。再结合低温下PI的介电强度与在室温下相比显著提高的结论，可以得出如下合理且偏保守的结论：聚酰亚胺Vespel SP-1在4K温度下的击穿电压不低于100kV/cm，也就是说，所述电缆绝缘层2在4K温度下的击穿电压不低于100kV/cm。
图3为本实施方式利用COSMOL模拟采用杜邦公司Vespel SP-1(纯聚酰亚胺)制成的所述电缆的内部结构电场分布图，可以看出，最高场强在中心区域，约为100kV/cm(10kV/mm)。从模拟结果可以看出，在输送500kV直流高压时，所述电缆的电缆阳极1与电缆阴极3之间产生的电场强度均不超过100kV/cm，也就是说所述电缆所有位置的电场强度均不超过100kV/cm；因此，所述电缆绝缘层2在此电场强度下处于安全状态，不会出现被击穿的事故。
在上述模拟过程中，发明人发现，将电缆阳极1的直径设计为7±0.5cm能够确保电缆阳极1附近的电场强度控制在不超过100kV/cm；从而确保电缆绝缘层2在输送500kV直流高压时的电场强度下处于安全状态。
而且，采用本实施方式的所述电缆可成功应用于为ALETHEIA液氦探测器提供高压传输，即在4K(－269℃)温度下为液氦时间投影室引入500kV(1mA电流)；即本实施方式提供的所述电缆可以解决液氦时间投影室所需要的500kV直流高压引入问题。另外，本实施方式的技术构思可以为未来月球基地建设所需要的极低温度下的高压传输打下基础。月球基地应该需要将电力从发电区域输送到用电区域，就象我国的“西电东送”。而月球表面昼夜温差极大，白天可达127℃，晚上北极最低温度可达－248℃(25K)，因此目前已有的高压远距离输电技术(最低工作温度约－60℃)难以在如此低温下工作。而杜邦公司的VESPEL SP-1的稳定工作温度是－272℃到288℃，完全覆盖月球表面温度范围。虽然本实施方式针对的是小电流(1mA)高压输电，与远距离输电所需要的大电流(1000A)相差甚远；但本实施方式可以为极低温度下的大电流远距离输电打下一定的技术基础，从而有利于月球基地建设的顺利开展。
本发明所述的方法并不限于所述具体实施方式，上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其他的特定方式或其他的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种用于液氦温度的高压输电电缆，其特征在于，所述电缆由内到外依次包括：
电缆阳极，为掺杂炭黑的聚酰亚胺；
电缆绝缘层，为聚酰亚胺；
电缆阴极，为掺杂炭黑的聚酰亚胺。
2.根据权利要求1所述的一种用于液氦温度的高压输电电缆，其特征在于，所述掺杂炭黑的聚酰亚胺中，炭黑的质量百分含量为8-12％。
3.根据权利要求2所述的一种用于液氦温度的高压输电电缆，其特征在于，所述电缆阳极的直径为7±0.5cm。
4.根据权利要求2所述的一种用于液氦温度的高压输电电缆，其特征在于，所述电缆绝缘层的厚度为10±0.5cm。
5.根据权利要求2所述的一种用于液氦温度的高压输电电缆，其特征在于，所述电缆阴极的厚度为0.5±0.1cm。
6.根据权利要求1所述的一种用于液氦温度的高压输电电缆，其特征在于，所述电缆采用一体挤压成型工艺制作而成。
7.根据权利要求6所述的一种用于液氦温度的高压输电电缆，其特征在于，所述一体挤压成型工艺为三层共挤工艺。
8.根据权利要求1所述的一种用于液氦温度的高压输电电缆，其特征在于，所述电缆绝缘层在4K温度下的击穿电压不低于100kV/cm。
9.根据权利要求1所述的一种用于液氦温度的高压输电电缆，其特征在于，在输送500kV直流高压时，所述电缆所有位置的电场强度均不超过100kV/cm。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的用于液氦温度的高压输电电缆在4K温度下为液氦时间投影室引入500kV直流高压的应用。
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