高温超导电缆的研究与应用

文/王怡瑶 上海电缆厂有限公司 (200093)

一、引言

1911 年，荷兰科学家Kamerlingh Onnes发现汞在低温下具有“零”电阻的“超导电性”，接着又发现了其他一些金属也有类似的现象，从而使人类开创了超导物理的崭新领域。超导材料的性质可由三个基本参量来表征，即临界温度Tc、临界磁场强度Hc 和临界电流Jc，三者的关系如图1所示。

Onnes

图1 超导材料的临界参数

二、超导材料

超导体只有在处于其超导转变温度以下时才具有超导特性。1986年以前，超导材料的临界转变温度都很低，一般需在昂贵的液氦(气化温度为4.2 K，-269.3℃)环境中工作，故称为低温超导体。由于液氦制冷的费用昂贵且不方便，低温超导体的应用长期以来得不到大规模发展。1986 年4月，瑞士IBM 实验室的学者Bednorz J G 和Muller K A 发现了La-Ba-Cu-O氧化物具有超导电性，其超导态转变温度高于液氮温度（Tc=34K）。这个发现在全世界物理界引起极大的震动, 并立即在世界范围内掀起探索、研究高温超导体的热潮，随后，美国、中国等物理学家相继发现转变温度高于液氮温区的超导体，详见图2。至此开创了液氮温区超导体的新时代，使超导技术又迈上了一个新台阶。由于液氮的价格和液氦相比是很低的（液氦价格为人民币50～80元／L，而液氮为0.6～1.0元／L），能为工业用户所接受，这样就为超导技术的大规模应用提供了不可或缺的前提。人们把这些铜基氧化物超导体称为高温超导体。

图2 各种超导体的临界温度及其被发现的时间

铜基氧化物超导体是一种陶瓷材料，其机械性能比较脆硬，本身是无法制成导线的。目前使用的高温超导导线是将一种Bi系铜基氧化物超导体的粉末放在银或银合金管里经多次拉伸和挤压，再经过热处理所得到的。Bi系超导导线通过电流的能力是铜导线的100倍以上。现在人们把这种Bi系超导导线叫做第l代高温超导导线。第2代高温超导导线的研究开发正处于迅速发展之中，它是把稀土l 23系铜基氧化物超导体涂在镍或镍合金的基带上。第2代高温超导导线载流能力更强，在磁场下的性能也比第1代高温超导导线优越，目前已研究出了载流量达商业水平的第一根原型电力电缆。

三、高温超导电缆的分类和结构

1.高温超导电缆的分类

超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的理想导体。使用高温超导材料作为导体传输电流的电力电缆被称为高温超导电缆。

高温超导电缆按传输电力的形式，可分为交流和直流两种，目前，这两种电缆基本采用相同的结构。不过与高温超导交流电缆相比，当工作在临界电流以下时，高温超导直流电缆几乎没有导体损耗和无功消耗。但是，当高温超导直流电缆的负载发生变化时，会引起与电流变化率成正比的损耗。

高温超导电缆按电气绝缘结构分类，可分为WD热绝缘（Warm dielectric）和CD冷绝缘（Cold dielectric）两类，当高温超导电缆的电绝缘层置于热绝缘层外面时，因其处于环境温度下，故习惯上称为常温绝缘超导电缆（或热绝缘超导电缆），常温绝缘超导电缆的电绝缘层是由常规电缆绝缘材料（高分子材料）制成。当高温超导电缆的电绝缘层置于热绝缘层里面，电缆运行状态时是处于低温环境的，则被称为冷绝缘超导电缆，这类电缆的电绝缘层需要用适合于低温环境的电气绝缘材料制造。

高温超导电缆还可按常规电力电缆的分类方法，分为单相电缆和三相电缆。

2.高温超导电缆的结构

(1) WD绝缘高温超导电缆

WD高温超导电缆的导体内通常用罩有密致金属网的皱纹不锈钢管进行支撑，同时也用作液氮冷却循环管道。在皱纹不锈钢管外的不锈钢网套上包绕铋系高温超导带材作为导体，导体外部有以超级热绝缘为主要绝热材料的绝热管，通常由同轴双层金属波纹管套制而成，其功能是使电缆超导导体与外部环境实现热绝缘。绝热管外电缆的结构为常规电缆结构，包括绝缘层、内外半导电屏蔽层、金属屏蔽及护套等，如图3所示。

图3 WD绝缘高温超导电缆

由于WD高温超导电缆产生的磁场会对邻相高温超导电缆的金属层产生附加的涡流损耗，所以WD高温超导电缆一般适用于中等传输容量的输配电电缆，以高分子材料为绝缘的WD高温超导电缆宜采用单芯结构。

(2) CD绝缘高温超导电缆

CD高温超导电缆导体最内部为常规导体支撑，其上绕包高温超导带作为导体，再在导体上绕包导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽和高温超导带屏蔽层，然后是三芯成缆，热绝缘采用双层皱纹SUS不锈钢管，内部采用多层镀膜高真空超级热绝缘，最后是塑料外保护层，如图4所示。

图4 CD绝缘高温超导电缆

高温超导电缆运行时，处于超导状态的高温超导带屏蔽层也有感应电流通过，其值与超导电缆导体电流相同，电流方向相反，因而CD高温超导电缆每相电缆的外磁场几乎为零，不对邻相高温超导电缆产生磁场影响，因而不会对邻相高温超导电缆的金属层产生附加的涡流损耗，同时可避免由于外界垂直磁场的存在，促使超导导体临界电流的退化，导致降低超导电缆传输电流的情况发生。CD高温超导电缆适用于大容量高温超导电缆的应用。

作为CD绝缘高温超导电缆的绝缘介质，在液氮下应具有良好的电气性能和一定的机械性能，具有较高的击穿场强、局部放电起始电压、冲击击穿电压以及较低的介质损耗。PPLP高压电缆绝缘纸是由两层纤维纸和一层聚丙烯复合而成，兼顾了纤维纸的优良物理机械性能和塑料的优良电气性能，在20世纪80年代开始，作为110～500kV自容式充油纸绝缘电力电缆的绝缘得到广泛应用。试验表明PPLP还具有良好的液氮浸渍性能，在液氮浸渍下不会开裂，并保持良好的机械物理性能，因此液氮浸渍PPLP绝缘是制造CD绝缘高温超导电缆首选的绝缘结构。如图5所示，当液氮压力能够维持在0.5～0.6 MPa以上时，PPLP和液氮混合物的交流击穿场强处于较好水平。

图5 PPLP的压力-击穿场强曲线

3.制冷系统

超导电缆需要低温的工作环境，所以必须配备相应的制冷系统。制冷系统通常由制冷机组、液氮泵、绝热管道、水冷却装置和液氮储罐等部分组成，如图6所示。

图6 昆明普吉变电站HTS电缆低温制冷

4.电缆终端

电缆终端是超导电缆和外部其他电气设备之间相互连接的端口，也是电缆冷却介质和制冷设备的连接端口。除类似于常规电缆终端担负电气安全连通的作用之外，还要保证实现温度的过渡。终端的结构和电缆的结构相配套，WD绝缘超导电缆与CD绝缘超导电缆的终端在结构上有很大区别。

CD绝缘高温超导电缆终端电气绝缘性能要求与相同电压等级的常规电缆终端相同，但其导体、内绝缘、外绝缘瓷套及结构容器均需要在较高的液氮压力下运行。液氮通过终端在高温超导电缆绝热套内循环流通，其结构容器要求耐受高压力且要求良好的绝热性能。

四、高温超导电缆的进展状况

高温超导电缆技术的发展已有二十多年的历史，参与高温超导电缆技术研究的国家主要有美国、日本、丹麦、德国、中国和韩国等国家。

美国于20世纪90年代初即由能源部与电缆制造公司和电力企业联合进行高温超导电缆研制和接入电网的试运行；日本参与高温超导电缆研究开发的电线电缆制造企业包括古河、住友、藤仓和日立公司，电力企业包括关西、东京和中部电力公司以及日本中央电力工业研究所和日本电气学会；此外法国Nexans公司、德国西门子公司、丹麦北欧电缆公司等与电力企业均投入力量进行高温超导电缆的研究开发；在中国，已有云电英纳超导电缆有限公司及北京电工所等相关单位对WD绝缘高温超导电缆进行了研究并取得了很好的进展。近年以来已经实现并网试运行或试验场试验的示范性工程主要如下:

(1) 2000年2月美国Southwire公司研制的长30 m、12.4 kV、1250A冷绝缘超导电缆成功地并网运行，如图7所示。

图7 Southwire/Carrolton 30-m HTS Cable

(2) 2001年5月实现了在底特律福瑞斯比变电站地下铺设长360余m的超导电缆，这是世界上第一条实用的超导输电线路。当时令世界震撼的是，这个线路以含有铋、锶、钙、铜的氧化物超导陶瓷制造的123kg重的超导导线取代了原有的9条8100kg电缆中的铜导线。

(3) 2004年7月10日，北京云电英纳超导电缆公司研制的长度为33.5m，35kV、2kA的分相交流高温超导电缆在云南昆明普光变电站正式并网。如图8所示，这是世界上第三条并网运行的高温超导电缆线路。

图8 云南昆明普吉变电站HTS电缆

(4) 2006年7月20日，安装于美国国家电网纽约洲阿巴尼市的高温超导电缆系统示范项目中总长350m的超导电缆与地下电网并网正式通电运行。

(5) 2007年4月7日，美国超导公司成功演示了世界上第一根同比例的高温超导消磁电缆。该线缆总长度43.3m，能够输送4100A电流，电压可以小于0.5V，或比铜导线低1000倍，达到了舰艇用常规铜消磁导线的一般水平，其重量仅为普通铜导线消磁电缆的20%。由此，它不仅减轻了电力系统的重量，也减少了安装成本。

在我国，已对室温绝缘高温超导电缆进行了研究并取得了很好的进展。上海电缆研究所、上海电缆厂有限公司、上海交大等单位合作研制30m低温绝缘高温超导电缆系统(含电缆、终端和低温系统)，超导电缆的额定电压为110kV，额定传输电流为2000A。目前已完成样品的试制工作，相关的试验研究在进行中并取得进展。

五、高温超导电缆的应用

1.高温超导电缆的性能

高温超导电缆是采用无阻和具有高电流密度的超导材料作为其载流导体。当超导体处在超导态时，其直流电阻可视为零，因此电缆本体的焦耳损耗几乎为零。在交流运行状态下，超导电缆虽然会产生交流损耗，但只要电缆长度超过一定值后，电缆的交流损耗和低温冷却所需的电能消耗仍将比常规电缆低约50%左右。计算表明，同等尺寸的超导电缆的输送容量将比常规铜电缆高3～5倍。

因此，与常规电缆相比，超导电缆具有载流能力大、损耗低、体积小和电磁污染少的优点，是解决大容量、低损耗输电的重要途径之一；其在电网干线及输电瓶颈线路的应用将有利于提高电网的安全性和可靠性；其使长距离、大容量的电力输送变得更容易和更经济。

美国纽约长岛电力局与美国超导公司联合建设的世界上第一条高温超导电缆已于2008年4月22日投入商业运行。这一在满负荷运转时能够满足30万户家庭用电需求的超导输电系统，仅由三根138kV的电缆组成。相比同样粗细的铜导线，其输电能力高达150倍，输电缆沟的宽度仅为1m左右。其另一优点是这种电缆能够防止由电网短路造成的故障电流。超导体有一种天生的电流限制能力，一旦电流增强到一定程度，它们就会失去超导性而变得像普通导体一样有电阻，使电流衰减。

因此，高温超导电缆输电无需高压，可将输电损耗、电磁污染、占用缆沟宽度降至最低，真正代表了世界最先进的技术方向。

2.高温超导电缆的市场需求

目前，世界经济快速发展，电力已成为当今社会可持续发展的基础，而人类在享受现代文明的同时，却面临着日益严重的能源危机。一方面能源供应越来越紧张，另一方面电能又大量浪费在输电过程中。

目前我国发电能源结构仍是一个以煤电和水电为主的状况，两者加起来占总装机容量的97.11%。水力资源和煤炭资源大多集中在西南和陕西、山西、蒙西这“三西”地区，而电力负荷中大约占60%的负荷位于东部、南部沿海地区，特别是京津唐、长江三角洲和珠江三角洲这三大负荷受端地区，因此我国将长时间维持“西电东送、南北互供、全国联网”的格局。预计到2020年西电东送的容量达1亿kW左右，送电距离最长达2100km，对线路走廊和环保均提出了严峻挑战。

同时，国家电网公司目前正在推进“一特四大”的电网发展战略，即以大型能源基地为依托，建设由1000kW交流和±800kV直流构成的特高压电网，形成电力“高速公路”，促进大煤电、大火电、大核电、大型可再生能源基地的集约化开发，在全国范围内实现资源优化配置。

我国电力装机容量快速增长，截至2009年底，全国电力装机总容量累计达8.74亿kW，同比增长10.23%；2009年全国全社会用电量达3.64万亿kW·h时，同比增长5.96%，如果按照输电损耗率约为8%～9%计算，这就意味中国每年电量线路损耗高达2000亿kW·h，相当于几个近期开工的、投资1200亿元的福建福清、浙江方家山、广东阳江三个核电站10台百万kW级机组。

高温超导电缆的传输损耗仅为传输功率的0.5%，比常规电缆5%～10%的损耗要低得多。在重量、尺寸相同的情况下，与常规电力电缆相比，高温超导电缆的容量可提高3～5倍、损耗下降60%，可以明显地节约占地面积和空间，节省宝贵的土地资源。因此，建设具有远距离、大容量、低损耗输电能力的超导电网是克服远距离输电时对高压及特高压依赖的唯一途径，是解决一个国家或地区大容量、低损耗输电的最佳途径。尤其适应中国、美国、俄罗斯和欧盟等幅员广大的区域，从内蒙古到上海通过传统输电方式输电至少需要500kW的电压，但是，通过超导电缆可使用220kW的电压输送。因此，超导电网为我国输电网的建设提供了一种新颖且行之有效的方法。

2002年，美国电力研究院的Paul M.Grant提出了未来能源系统的设想，如图9所示。在这个系统中，电力由核电站提供，通过高温超导电缆进行输电，超导电缆的冷却介质是液化氢，这样终端用户不但可以得到清洁的电力，而且还可以在家里给以氢气为燃料的环保汽车补充燃料，当然氢气也可以作为其他用途的燃料。

图9 未来城市超导输电系统设想

在现有技术条件下，高温超导电缆可应用于短距离传输电力的场合（如发电机到变压器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口）及电镀厂、发电厂和变电站等短距离传输大电流的场合以及大型或超大型城市电力传输的场合。也可用高温超导电缆改装现有地下电缆系统，不但能将传输容量提高3倍以上，而且能将总费用降低20%。超导电力设备不但可以满足不断增长的电力需求，而且可以增强大容量电网的安全性和稳定性，最终减少电力运行成本。

高温超导电缆作为高温超导技术的重要应用之一，其研究开发的最终目标是实现连续流水线生产工艺，制造大长度、高传输容量、低传输损耗、高运行可靠性的高温超导电缆和配套附件及低温系统，从而成为电力电缆中具有明显竞争优势的产品。