Во многих странах в 70-х годах прорабатывались три типа конструкции сверхпроводящих кабелей: жесткие, полугибкие и гибкие. К 80-м годам приоритетной полностью стала гибкая конструкция кабеля (ГСПК), которая позволяет поставку на барабанах в длинах до 150 - 200 м [15, 247]. Наиболее последовательно работы по созданию гибкого сверхпроводящего кабеля проводили в Брукхэйвенской национальной лаборатории (БНЛ, США) и во ВНИИКП. Криогенная часть кабеля базировалась на оборудовании и разработках фирмы Kabel Metal Electro (ФРГ), обладающей высокой надежностью и приемлемым уровнем теплопритока в зоне гелиевых температур (0,15 - 0,20 Вт/м). В 80-е годы объемы финансирования проблемы разработки гибких сверхпроводящих кабелей у нас и за рубежом резко сократились, уменьшилось число фирм и темпы исследований и разработок.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников и прогресс в технологии их изготовления возродили интерес к созданию сверхпроводящих кабелей, с помощью которых можно существенно увеличить пропускную способность передающих линий. Переход от "холодных" сверхпроводников (Nl^Sn, NbíGe, №>зА1) к "теплым" (иттриевая, бариевая, и висмутовая керамика) примерно на порядок упрощает все проблемы разработки и дальнейшей эксплуатации высокотемпературных сверхпроводящих кабелей и уменьшает их стоимость. Современные высокотемпературные сверхпроводящие материалы обладают пока недостаточно высокими критическими параметрами, поэтому основное внимание сейчас уделяется токопроводящей части кабеля. В ближайшие 3 -5 лет будут созданы и пройдут комплексные испытания первые опытные образцы высокотемпературных сверхпроводящих кабелей, а далее следует ожидать промышленное производство таких кабелей в Японии и США [247, 275, 276].

Исследование и разработка электрической изоляции, способной надежно работать при низких температурах, является одной из весьма актуальных проблем, имеющих большую практическую значимость при разработке конструкций гибких сверхпроводящих кабелей [31 - 33].

Вакуум и криогенные жидкости обладают хорошими изоляционными свойствами. Исследования показали, что их применение в конструкции изоляции сверхпроводящих кабелей с распорками значительно уступают конструкциям с полимерной изоляцией [32 - 34, 40 - 47].

В числе первых нами был выбран перспективный вид изоляции криогенных кабелей в виде намотанной многослойной полимерной изоляцией [37 - 39], которая обеспечивает хорошую гибкость кабелю. По сравнению с вакуумной, жидкой или монолитной изоляцией, намотанная пленочная изоляция имеет более высокое значение Е_пр, высокий уровень напряженности возникновения частичных разрядов (ЧР), возможность регулирования электрофизических и механических характеристик за счет введения различных добавок в полимер.

Сравним монолитную и намотанную пленочную полимерную изоляции. В кабелях обычного исполнения монолитная изоляция находит широкое применение. При низких температурах намотанная пленочная изоляция имеет преимущества по сравнению с монолитной изоляцией., это объясняется двумя причинами:

а).    При низких температурах полимеры снижают эластичность, а некоторые становятся хрупкими; намотанная полимерная пленочная изоляция сохраняет большую эластичность и гибкость, чем монолитная при равных толщинах, что необходимо для конструкции гибкого сверхпроводящего кабеля;
б).  Коэффициент линейного сжатия полимерной изоляции примерно на порядок больше токопроводящей жилы, поэтому при понижении температуры и вхождении кабеля в рабочий режим полимерная изоляция будет обжимать жилу, что приведет к механическим напряжениям в монолитной изоляции, зарождению и развитию субмикрОтрещин со всеми вытекающими последствиями; намотанная тонкослойная ленточная изоляция, сохраняя большую эластичность, не создает таких механических напряжений и неприятных последствий.

Перспективность намотанной плёночной изоляции для низких температур подтверждена и другими отечественными и зарубежными исследователями [40 - 47]. При разработке электрической изоляции для низких температур необходимо знать не только характеристики традиционных кабелей (Е_пр, tg 8, 8 и др.), но и удовлетворять некоторым другим требованиям:
а) обладать малыми диэлектрическими потерями;
б) выдерживать большие перепады температур и циклические воздействия;
в) выдерживать длительное воздействие низких температур;
г) сохранять достаточную эластичность при низких температурах.

В качестве критерия эластичности полимеров использовали количество двойных перегибов на воздухе и в среде жидкого азота [41, 43, 45, 46]. Экспериментально установлено, что все кабельные бумаги в жидком азоте обрываются при первом перегибе, полипропиленовая бумага снижает эластичность на порядок по сравнению с комнатной температурой, но обладает ещё достаточной эластичностью, т.к. может выдерживать 250 - 300 перегибов; эластичность лавсановой пленки снижается вдвое, полиимидной - в 20 раз, поликарбонатной - в 30 раз, полиэтиленовая пленка высокой плотности выдерживает 50000 перегибов.

Исследования электрической прочности полимеров в зависимости от температуры показали [31 - 33, 40 - 46, 201], что в области низких температур полярные полимеры, как правило, имеют более высокую электрическую прочность, чем неполярные; в области низких температур Е_пр почти не зависит от температуры, а в области высоких температур Е_пр уменьшается с ростом температуры. При этом для полярных полимеров практически отсутствует низкотемпературная область, где Е_пр не зависит от температуры.
Для объяснения наблюдаемой зависимости Е_пр от толщины полимеров используются представления о влиянии объемных зарядов на развитие электрического пробоя [201]. Наиболее изучено это влияние в случае ПЭ; оно особенно заметно при температурах ниже температуры стеклования (для ПЭ - 193 К). Выше температуры стеклования влияние объемного заряда на величину Епр уменьшается, а при температурах более 443 К это влияние практически исчезает.

Важным фактором, влияющим на величину Е_ир полимеров является частота электрического поля. С ростом частоты становится более вероятным тепловой пробой диэлектрика, т.к. увеличиваются диэлектрические потери [82] и частота следования ЧР, что приводит к снижению Е_пр полимеров [201].

Большой практических интерес представляют многослойные полимерные конструкции, погруженные в криогенную жидкость (жидкий азот, гелий), т.к. они найдут применение в реальных конструкциях гибкого сверхпроводящего кабеля. Исследования показали, что Е_пр полимерных пленок и синтетических бумаг в криогенных жидкостях существенно зависит от окружающей среды, толщины изоляции и скорости подъема напряжения. Так величина Е_пр полимерных пленок в вакууме (где ЧР практически отсутствовали) при 10 К значительно выше, чем Е_пр этих пленок в жидком гелии и азоте [45].

Увеличение скорости подъема напряжения от 0,15 до 2,5 кВ/с приводит к росту Е_пр пленок лавсана, полиимида и ГГГФЭ в среде жидкого гелия примерно до 40% [40]. В то же время в однородном электрическом поле при отсутствии краевых разрядов Е_пр от скорости подъема напряжения в интервале от 0,5 до 5 кВ/с не зависит [201].

Частичные разряды играют значительную роль при пробое полимеров в среде криогенных жидкостей. Исследования при промышленной частоте показали, что ЧР регистрировали при напряжении примерно равном половине пробивного [32, 40], а их интенсивность плавно возрастала с увеличением напряжения. Исследование ЧР макетов намотанной изоляции кабелей толщиной до 4,5 мм показало, что ЧР возникают в образцах при более низких напряжениях, чем для одиночных пленок.

Увеличение давления приводит к возрастанию Е_пр криогенных жидкостей [46], поэтому следует ожидать увеличения Е„_р полимерных пленок, погруженных в криогенную жидкость, с ростом давления над ней. Исследования показали, что по этому вопросу нет однозначного мнения; одни исследователи такой зависимости не обнаружили [248]; другие показали, что повышение давления над криогенной жидкостью приводит к снижению интенсивности ЧР и увеличению Е_пр полимерных пленок [43, 46, 249].
Зависимость II,,_р полимерных пленок и моделей намотанной многослойной изоляции, пропитанных криогенными жидкостями, от толщины имеет вид [45, 250 - 252]:
11_11р - А <1 " , где А и п - постоянные коэффициенты,

По данным работы [252] нами были вычислены коэффициенты для некоторых полимерных пленок - поликарбонатной (ПК), полиэтилентерефталатной (ПЭТФ), полипропиленовой (ПП) - различной толщины от 0,03 до 0,30 мм в жидком азоге: значения коэффициента А изменялись от 83 до 28; коэффициента п от 0,82 до 0,40. Для многослойной намотанной изоляции в среде жидкого гелия [251] расчеты дали следующие результаты: для ПЭ низкой плотности при толщинах 0,4 и 1,0 мм коэффициент А = 65; п = 0,70; для ПП двуосно ориентированного толщиной 0,5 и 1,1 мм А = 48; п = 0,8; для полипропиленовой бумаги и "тивик" (марки 1073 В) толщиной 1,0 и 3,0 мм А = 8 - 9; п = 1,0.

Закономерности электрического старения в зависимости от температуры, напряженности и частоты электрического поля были изучены для пленочных полимеров в работах [44,46-47, 85 -86, 89, 102 - 103, 105 - 109, 112, 114 - 115]. Срок службы полимерных пленок и изоляции из них в широком интервале напряженностей электрического поля хорошо описывается следующим выражением [85]: m = В х К"',

где В и т- коэффициенты, зависящие от вида полимера и условий испытаний.
Для полимерных диэлектриков прямолинейная зависимость lg т = 0(lg Е) имеет излом при Е = Е⁺ , который можно объяснить различием в механизмах старения полимеров до и после излома [ 85, 105]. При переменном напряжении основной причиной старения полимерных диэлектриков являются ЧР. По мере увеличения напряженности поля Е интенсивность ЧР возрастает и при достижении величины критических ЧР происходит излом в зависимости lg т = =0(lgE) при Е = ¿Г (II = 1Г). При Е > Е⁺ идёт более интенсивное старение, т.е. меняется механизм старения [85]; при Я Е' имеем .

Сравнивая результаты, полученные при различных температурах, авторы работы [85] пришли к выводу, что в исследованном интервале температур при 50 Гц срок службы и коэффициент m практически не зависят от температуры. Однако последующие исследования показали [103, 107] , что величина т может зависеть от температуры и, особенно, при низких температурах.

Исследование закономерностей электрического старения при частотах до 240 кГц показало [102], что с повышением частоты/срок службы г при Е = const уменьшается, что связано с увеличением частоты следования разрядов; с повышением, частоты уменьшаются значения и т. Эти результаты доказывают, что электрическое старение полимеров при переменном напряжении обусловлено частичными разрядами [85 ,105]. При этом соблюдается соотношение г •/= const при Е = const для Е <Е⁺ .

Тогда зависимость lg (m ■ /) = Ф (lg J) должна иметь вид прямой линии, параллельной оси абсцисс. Нами по экспериментальным данным работы [89], проведенной с пленками в диапазоне частот 50 - 100 Гц в среде жидкого азота, были построены такие зависимости. Результаты показали, что соотношение г-/ const при Е = const выполняется для ПЭТФ в диапазоне частот от 50 до 400 Гц; для Ф-4 выполняется, а для ПЭ не выполняется во всем исследованном диапазоне частот.

Результаты исследования полимерных пленок и моделей многослойной намотанной изоляции [44, 46, 47, 89] показали, что электрическое старение полимеров и в среде криогенных жидкостей обусловлено ЧР, которые возникают примерно при напряжении 0,5 II,,_р. Срок службы от напряженности поля также имеет степенную зависимость. В работе [46] приведены значения коэффициентов т для моделей намотанной многослойной изоляции в среде жидкого азота: для ПЭ - число слоев - 6, лента толщиной 75 мкм и 125 мкм, т = 17; для ПЭТФ ("мелинекс") - число слоев - 12, толщина ленты 23 мкм, ш = 14; число слоев - 6, толщина ленты 75 мкм, т = 16; число слоев - 6, толщина ленты 125 мкм, т = 18; для полиимида ("каптон Н") - число слоев - 6, толщина ленты 50 мкм, т = 11.

В работах [89, 108] для многослойных плоских образцов пленок ПЭ, ПЭТФ и фторопластовой Ф-4 в среде жидкого азота были получены одинаковые коэффициенты т = 12, а для ^ В значения от 20,9 до 22,2.

Исследования электрического старения полимерных пленок и моделей электрической изоляции показало, что основным недостатком для большинства работ является тот факт, что невозможно точно определить к какому участку принадлежат полученные экспериментальные данные зависимости lg т = Ф(^Е): для Е < /Г (тогда можно проводить экстраполяцию данных в область низких Е) или для Е > Е' (тогда экстраполяция полученных данных невозможна, т.к. будут допущены большие ошибки [46]).

Анализируя публикации, можно констатировать, что старение полимерной изоляции под действием электрических разрядов может происходить за счет разрушающего воздействия следующих процессов:
1.  Термической деструкции, обусловленной значительным локальным перегревом в местах воздействия ЧР.
2.  Химической деструкцией за счет воздействия продуктов электрических разрядов (озона, окислов азота и т.п.).
3. Электрической эрозии, возникающей за счет бомбардировки поверхности
полимеров электронами, ионами, фотонами. Эти процессы могут ускоряться за счет объемных зарядов в полимере, полученных за счет инжекции электронов из электродов и закрепления этих зарядов на ловушках.

Авторы работы [46] выражают большое сомнение в том, что ЧР могут вызвать возрастание температуры, достаточной для термической деструкции при криогенных температурах. Однако оценка теплового воздействия ЧР в газовой полости в толще полимерной изоляции показала [86], что чем ниже температура, тем выше перегрев изоляции в зоне действия ЧР и меньше времени требуется для его установления. Это связано с резким снижением теплофизических характеристик полимеров при низких температурах; например, для Ф-4 коэффициент теплопроводности с величины 0,26 при 296 К снижается до 0,06 Вт/м-град при 4,2 К, а коэффициент теплоёмкости
снижается с 1,05 до 0,3 Дж/кг град соответственно. Низкие теплофизические характеристики полимерных лент и наличие пузырьков газообразного хладагента при отсутствии течения охлаждающей жидкости при испытаниях небольших моделей изоляции кабелей могут привести к появлению "горячих мест" на участках с большой частотой следования ЧР.

Химическая деструкция поверхности полимеров под действием ЧР определяется химической природой газов окружающей среды [48]: в воздухе или кислороде идет интенсивное окисление ПЭ и других полимеров. В азоте идет значительно меньшая химическая деструкция, что приводит к существенному увеличению срока службы полимеров [107] . Однако полностью исключить окислительную деструкцию в жидком азоте нельзя, т.к. согласно ГОСТ 9293-74 в жидком азоте допускается содержание кислорода в зависимости от сорта от 0,4 до 3%.

Эрозия поверхности полимеров может происходить под действием ионов и электронов, производимых ЧР. В газообразном азоте для производства пары
ионов требуется энергия порядка 35 эВ, а энергия частиц в газовом разряде оценивается порядка 10 эВ [253]. Поэтому вероятность наличия частиц с энергиями порядка 35 эВ очень мала и химическая реакционная способность бомбардирующих ионов мало эффективна для значительной деструкции полимеров.

Источником разрушения поверхности полимеров в условиях ЧР в криогенных жидкостях является бомбардировка электронами [105]. Электроны с энергиями порядка 10 эВ могут легко разрывать основные связи цепи С - С, прочность которых составляет примерно 4 эВ. Для ПЭ характерным является несколько другой механизм: при обработке электронами происходит процесс сшивки, а не деструкции посредством разрыва цепи. Во время испытаний ПЭ пленок разрядами в среде азоте и аргона была обнаружено выделение газообразного водорода [256], что является характерным признаком процесса сшивки цепи, и отсутствие изменений в ИК-спектре поглощений, которые появляются при разрыве цепи полимера.

Авторы работ [254, 255] отмечают, что старение полимеров под действием ЧР имеет качественно такой же характер, как и их разрушение при воздействии радиации. Исследование углеводородов при нормальной температуре и в среде жидкого водорода под действием радиации показало, что механизм разрушения и основные продукты деструкции остаются одними и теми же, только их соотношение зависит от температуры [257].

Микроскопические исследования плоских образцов пленок полимеров после старения по действием ЧР в среде жидкого азота и гелия показали, что существует два вида разрушения - локальная эрозия и растрескивание полимера [45, 108]. Вид разрушения зависит от типа полимера, частоты и величины Е. Так для ПЭ в среде жидкого азота в диапазоне от 50 до 1200 Гц пробой обусловлен растрескиванием в зоне действия ЧР; для Ф-4 характерна локальная эрозия и растрескивание (с ростом частоты вероятность растрескивания увеличивается); для ПЭТФ пробой обусловлен только локальной эрозией поверхности [108].

Авторы работы [45] также отмечают факт наличия двух возможных механизмов разрушения многослойной намотанной полимерной изоляции, пропитанной жидким гелием. При Е < 20 кВ/мм пробой изоляции под действием ЧР происходит с образованием кратеров, эрозии поверхности. При Е > 20 кВ/мм пробой изоляции, как полагают авторы, может происходить с растрескиванием полимера, т.е. по термомеханическому механизму разрушения. Авторы работы [45] объясняют различную величину коэффициента m в зависимости, /g т = Ф (lg И) изменением механизма разрушения полимерной изоляции в жидком гелии: при Е <20 кВ/мм m = 6, а при Е >20 кВ/мм m = 20.

При низких температурах ЧР являются основным старящим фактором полимерной изоляции. Исследование ЧР на образцах цилиндрической формы в жидком азоте, моделирующих резко неоднородное поле, показало[258], что имеются три области с различного вида разрядами. В первой области существуют разряды в виде лавин с q_4p< 10"¹¹ Кл с энергией единичного ЧР
порядка 10" Дж. Во второй области из отдельных точек кромки электрода развиваются скользящие разряды типа стримеров, появление которых способствует образованию потока пузырьков азота диаметром порядка 0,2 мм. Появление пузырьков увеличивает длину разрядов до 6 - 10 мм. В третьей области происходит образование лидеров, с ростом напряжения резко удлиняются скользящие разряды, появляется яркое голубое свечение каналов разряда.

Увеличение давления над криогенной жидкостью повышает напряжение возникновения ЧР и снижает частоту следования ЧР [259].

В публикациях [43 - 47, 86, 90, 108, 258- 259] высказываются предположения о механизме возникновения ЧР в многослойной полимерной изоляции, пропитанной криогенной жидкостью. Первоначальные ЧР возникают в маленьких пузырьках или включениях, в которых напряженность электрического поля выше, чем в окружающей среде. Возникающие ЧР генерируют газообразные пузырьки в криогенной жидкости, которые становятся источником дальнейших ЧР.

Для перехода криогенной жидкости в газообразный пузырек требуется небольшое количество энергии. Согласно работе [258] в жидком азоте в зависимости от энергии ЧР возникают газовые пузырьки различных размеров. Так при энергии ЧР порядка 10"⁸ Дж и заряде 5x10"¹² Кл объем испарившегося жидкого азота будет составлять примерно 10~³ мм\ что будет соответствовать диаметру пузырька порядка 30 мкм, а при 10~⁶ Дж и заряде 10"¹¹⁾ Кл объем будет примерно 10"¹ мм³, а диаметр пузырька 130 мкм, что будет сопоставимо с зазорами между лентами изоляции. Авторы работы [258] считают, проведя аналогию с бумажно-масляной изоляцией, что ЧР с зарядом порядка Ю~¹⁰ Кл, вызывающие пузырьки, соизмеримые с зазорами между лентами изоляции, можно считать критическими.

Следует отметить, что ЧР в полимерах и намотанных конструкциях рассмотрены значительно больше в жидком азоте, чем в жидком гелий, что связано в более сложными и трудоемкими испытаниями в последнем.

Отличительными особенностями поведения полимерной изоляции при низких температурах являются: повышение плотности полимеров и газообразных включений в порах; замедление химических процессов разрушения полимеров; снижение диэлектрических потерь, уменьшение амплитуды и частоты следования ЧР, увеличение электрической прочности и срока службы полимеров; переход полимеров из высокоэластичного состояния в стеклообразное (переход через температуру стеклования - Т_с), увеличение механической прочности и хрупкости, снижение теплопроводности и теплоёмкости полимеров.

Особенно опасно сочетание металлической жилы и монолитной полимерной изоляции из-за различных коэффициентов линейного сжатия при охлаждении.

Существенные изменения электрических свойств полимеров происходят при переходе от комнатной температуры 293 К до температуры жидкого азота 77,4 К, а при дальнейшем понижении температуры до жидкого гелия 4,2 К могут происходить незначительные изменения.

Проводя краткий анализ имеющихся публикаций следует отметить, что поведение диэлектриков и полимерной изоляции в области низких температур и в криогенных жидкостях и, в первую очередь, закономерности пробоя и электрического старения изучены недостаточно; отсутствуют результаты систематических исследований при промышленной и, особенно, повышенных частотах. Окружающая среда, имеющая меньшую электрическую прочность при низких температурах, чем полимерная изоляция, оказывает существенное влияние на неё. Основной причиной разрушения полимерной изоляции при низких температурах являются ЧР, возникающие в зазорах между пленками, между пленкой и электродом, однако характеристики ЧР изучены недостаточно; в частности, отсутствует анализ влияния температуры на характеристики ЧР с использованием эквивалентной схемы диэлектрика с включением. При длительном приложении электрического поля ЧР приводят к старению полимерной изоляции, однако до сих пор нет четкого представления о механизме старения полимерной изоляции при низких температурах, особенно пропитанной криогенными жидкостями; поэтому отсутствует объяснение аномально большим величинам коэффициента ш в зависимости г = В ■ К^т\ недостаточно обоснована методика ускоренных испытаний на старение полимеров при повышенных частотах. Практически отсутствуют данные по длительному воздействию на полимеры криогенных температур, по влиянию термокриоциклических воздействий на электрическую прочность и старение полимерной изоляции. В публикациях часто недостаточно статистических данных по исследованию полимеров при низких температурах; кроме этого, встречаются противоречивые данные по влиянию эксплуатационных факторов на полимерную изоляцию, по количественной оценке параметров. Эти недостатки и отсутствие систематических исследований часто не дают возможности установить закономерности по влиянию эксплуатационных факторов в виде математических описаний, необходимых при разработке и проектировании электрической изоляции кабелей. При исследовании электрического старения полимеров и моделей электрической изоляции часто невозможно точно определить , к какому участку зависимости                                   г Ф ( Л ) принадлежат полученные экспериментальные данные: для Е <Е' или Е > Е\ что создает сомнения в возможности экстраполяции этих данных в область малых величин Е.

При анализе температурных зависимостей характеристик диэлектриков и изоляции можно констатировать, что при снижении температуры увеличивается плотность полимеров, что может привести к возрастанию электрической прочности; при этом уменьшаются тепловые колебания молекул полимеров, что снижает скорость окислительных процессов и деструкции полимеров, уменьшает диэлектрические потери. Одновременно с этими положительными изменениями существенно снижается теплопроводность, теплоёмкость и эластичность полимеров, увеличивается механическая прочность и хрупкость, что может привести к механическим напряжениям и появлению микротрещин в изоляции. Необходимо учесть, что коэффициент линейного сжатия проводников при снижении температуры примерно на порядок меньше, чем у полимеров, т.е. изоляция будет обжимать жилу кабеля и это вызовет механические напряжения в изоляции, что может привести к снижению её электрической прочности.

Целью данной части работы является выявление закономерностей электрического пробоя и старения на базе систематических комплексных исследований электрофизических процессов, происходящих в полимерной изоляции кабелей в условиях низких температур при воздействии различных эксплуатационных факторов; создание на базе этого научно-технических основ применения пленочной полимерной изоляции для кабелей в условиях низких температур, выработка практических рекомендаций по повышению качества и диагностики полимерной изоляции.

В соответствии с этой целью основными задачами являются: - проведение систематических исследований электрофизических процессов в различных полимерных пленках при кратковременном и длительном приложении напряжения в широком диапазоне температур и частот для оптимизации выбора полимерных плёнок для конструкций полимерной изоляции кабелей; проведение исследований на моделях изоляции и отрезках кабелей;

изучение влияния термокриоциклических воздействий (ТКЦВ) на электрическую прочность и старение полимерной изоляции кабелей в условиях низких температур;
на базе всестороннего анализа результатов исследований установление закономерностей по влиянию некоторых эксплуатационных факторов в'виде математических описаний, выработка практических рекомендаций по выбору плёночной полимерной изоляции кабелей в условиях низких температур.