关于发展高温超导输电的建议

严陆光，周孝信，甘子钊，周 远，卢 强，赵忠贤，周 廉，程时杰，刘峰松，肖立业，林良真，韩征和，信 赢，戴少涛，来小康，唐跃进，罗二仓，王俊杰，丘 明，李柏青，于坤山，古宏伟，任 丽，冯 霞，许 熙

(中国科学院学部咨询研究组，北京 100190)

关于发展高温超导输电的建议

严陆光，周孝信，甘子钊，周 远，卢 强，赵忠贤，周 廉，程时杰，刘峰松，肖立业，林良真，韩征和，信 赢，戴少涛，来小康，唐跃进，罗二仓，王俊杰，丘 明，李柏青，于坤山，古宏伟，任 丽，冯 霞，许 熙

(中国科学院学部咨询研究组，北京 100190)

为解决我国日益突出的能源资源和负荷分布不均的矛盾，提高能源、环境和经济等综合利用效率，中国科学院学部于2011年12月设立了“高温超导输电”的咨询项目，力求前瞻思考和探讨高温超导输电的可行性并为国家发展此项前沿技术提供咨询意见。本项目在严陆光院士的主持下，组织20多位院士和专家，经过一年多的深入调研和研讨，形成了《关于发展高温超导输电的建议》咨询报告。报告分析了国内外高温超导输电技术发展和示范应用情况，认为高温超导输电具有大容量、低损耗、体积小、重量轻、系统可靠性高、节约资源、环境友好等优势，有望在我国未来电网发展中发挥重要作用。报告还针对我国相关技术和政策等方面的问题，提出了我国发展高温超导输电路线图和设立“高温超导输电”项目等政策建议。

高温超导输电;超导电缆;未来电网

1 研究背景与研究意义

1.1 研究背景

100年前，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现了超导体，由于超导体没有电阻，即它在输送电流时没有电阻损耗，因此，它的应用将对整个电能输送技术带来革命性的影响。20世纪80年代后期，液氮温区的高临界温度超导体的发现，使得将超导体用于大规模的电能输送成为可能。20世纪 90年代以来，国内外均在高温超导输电方面进行着积极的研发与示范工作，奠定了良好基础，研究开发与产业链雏形已经形成，有望在21世纪前期进入超导电力输送的新时代。

我国的能源资源大部分分布在西部和北部，负荷大部分分布在中部和东部地区，我国能源资源和负荷需求的地理分布决定了电能输送具有跨区域、远距离和大规模的特点，西南的水电、西北的火电、风电和太阳能发电将送至华北、华中、华东和南方，从而形成大规模“西电东送”、“北电南送”电力流格局。到2020年，跨区、跨国电网输送容量预测有可能达到4.38亿kW。考虑到新能源发展的远景，我国未来能源资源和负荷分布不均衡的矛盾将更加突出。周孝信院士等专家预测(注):到2050年，我国中东部地区仍是主要负荷中心，“三华”地区负荷比重约达65%，加上南方主要负荷中心的珠三角，预计中东部主要负荷中心用电量比例将达到75%左右。而电源分布则是中东部略大于西部、北部，大致比例是55∶45，所以必然形成西部、北部向中东部地区的电力流，其中主要包括煤电、水电、风电和太阳能发电等电力。

为了提高能源、环境和经济等综合利用效率，从“十二五”起我国将大力发展特高压交流和直流输电。其中特高压交流定位于主网架建设和跨大区送电，直流定位于大型能源基地的远距离、大容量外送和跨网电源输送。在“十二五”发展基础上，我国电网建设将有更大规模的发展。

考虑到电能在终端能源中的比重不断提高，减少电网损耗将成为日益重要的任务。目前，我国电网的损耗约为7.5%，以2010年的总发电功率9.6亿kW为基数来计算，电网的损耗达到7200万kW，相当于三座三峡电站的发电功率。到2050年，以总发电功率为25.6亿kW来计算，如果电网无有效的降耗措施，则电网的损耗将达到1.92亿kW，大致相当于1994年全国电力装机总容量。

电网的损耗主要源于输配电线路及变压器，其中输电线路损耗约占1/3，即大约为总发电功率的2.5%左右。随着可再生能源的大量接入，我国未来的平均输电距离将比现在更远，如果没有技术上的进步，则总的输电损耗将不可避免地增加。因此，采用新的输电技术以提高电网的效率是十分重要和迫切的任务。

1.2 研究意义

高温超导输电是使用高温超导材料替代传统的铜和铝导线来输送电能，与常规直流输电相比，高温超导直流输电的主要优越性可归纳为:

(1)大容量。输送容量可达常规特高压直流输电的4～10倍。如常规的 ±800kV直流输电线路，传输电流可达4750A，其传输容量可达750万kW，由于超导材料的载流能力可以达到普通铜或铝的载流能力的50～500倍，即电流密度约为100～1000 A/mm2，因此一回 ±800kV的超导直流输电线路传输电流可达 20～50kA，其输送容量达 3200万 ～8000万kW。

(2)损耗低。其输电总损耗可以降到常规直流输电的1/4～1/2。对常规直流输电线路，其线路损耗为5.76% ～8.91%，而超导直流输电没有电阻损耗，其损耗仅仅来自冷却超导电缆的低温冷却系统。

(3)体积小。超导电缆载流密度高，因此超导直流输电系统体积相对较小，其安装占地空间也较小，从而土地占用减少。

(4)重量轻。由于超导线电流密度高，输送相同容量的超导线截面积较常规铜线或铝线大大减少，因此超导电缆的重量也要比同样传输电压和传输容量的常规电缆小。

(5)可降低传输电压。超导电缆可以在比常规电缆损耗小的前提下传输比常规电缆大数倍的电流，这样在同样传输容量的需求下，传输电压就可以降低一到两个等级。

(6)增加系统运行的灵活性。超导电缆传输电流的能力可以随着工作温度的降低而增加。由于可以在原有设备配置条件下通过降低温度来增加传输容量，因而有更大的过流能力，增加了系统运行的灵活性。对于冷绝缘超导电缆而言，在正常运行时绝缘层的温度基本不变，不会像常规交联聚乙烯电缆那样可能因为经常温度增高而缩短寿命。

(7)节约资源，环境友好。超导电缆使用液氮冷却，没有造成环境污染的隐患，且具有防燃防爆的特性。冷绝缘超导电缆设计中采用了超导屏蔽层，基本消除了电磁场辐射，减少了对环境的电磁污染。超导电缆系统总损耗的降低，减少了温室气体的排放，有利于环境保护。

在高电压、大容量输电发展中，高温超导输电是一项革命性的前沿技术，有着一系列优越性，可望在我国未来电网发展中发挥重要作用。高温超导输电技术的研发涉及超导材料、新型电工装备、大型低温工程、巨型电网等多个重大领域的发展，因此对培育相关的战略性新兴产业也将起到重大作用。

长期从事和关心高温超导应用的院士及专家充分认识到，作为一种具有重大前景的新技术，大力促进高温超导输电技术的研究和应用，使其成为我国电网发展的重要成员，发挥应有的作用已经刻不容缓。

2 现状分析与主要问题

2.1 现状分析

(1)高温超导输电示范工程

自20世纪90年代中期以来，液氮温度的高温超导材料制备技术取得了很大的进步，从而引发了世界范围内的超导输电技术研究开发热潮。美国、欧洲、日本、中国和韩国等都相继开展了高温超导电缆的研究，完成了多组高温超导输电电缆的研制，研究重点主要集中在高温超导交流输电电缆。美国南方电线公司于 1999年首先将 30m长、12.5kV/ 1.25kA三相交流高温超导电缆安装在其总部进行供电运行;丹麦于2001年研制出30m长、36kV/2kA的三相交流高温超导电缆并进行并网运行实验。此后，国际上有多组更长距离的高温超导电缆并入实际电网运行，主要集中在美国，包括长度分别为200m、350m以及目前国际上最长的600m(138kV/ 2kA)等三组三相交流高温超导电缆，均已完成研制，并投入到实际电网示范运行。日本多年来一直致力于超导输电电缆的研究与开发，1997年日本住友电气公司、古河电气公司，以及日本电力公司等已合作开展高温超导输电电缆样机的研制。2004年日本在经济、通商和工业省的支持下，Furukawa电气公司和电力工业中心研究所(CRIEPI)等研制出500m长、77kV/1kA单芯高温超导电缆。2006年，日本住友公司完成了全球第一组以商业化方式订制的100m长、22.9kV/1.25kA三相交流高温超导电缆的开发并交付韩国使用。

我国自“九五”以来，即开展高温超导电缆的研究。1998年中国科学院电工研究所与西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院合作，研制成功1m长、1kA的Bi系高温超导直流输电电缆模型，随后又先后完成6m长、2kA高温超导直流输电电缆和10m长、10.5kV/1.5kA三相交流高温超导输电电缆的研制与实验。2004年中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司等合作研制成功75m长、10.5 kV/1.5kA三相交流高温超导电缆，先后安装在甘肃长通电缆公司和白银超导变电站中运行至今。2004年4月北京云电英纳超导电缆公司研制成三相交流、33.5m长、35kV/2kA的高温超导电缆，并在昆明普吉变电站投入运行。2011年中国科学院电工研究所与河南中孚公司合作，在中孚铝冶炼厂建成360m长、电流达10kA的高温直流超导电缆，2012年9月投入实际运行。以上工程的实施，为我国高温超导电缆设计、制造和运行积累了经验。

目前在世界范围内，在较长距离的高温超导电缆的研究开发方兴未艾，高温超导电缆的实用化步伐正在加速，韩国启动了500m、22.9kV/1.25kA的三相交流高温超导电缆的研制，电缆安装在首尔韩国电力公司附近的配电网中，于2011年9月投入示范运行;美国超导公司与韩国LS电缆公司于2009年9月建立战略合作伙伴关系，共同推进韩国现有电力传输网采用高温超导电缆的进程，预计在未来五年内将实现50km高温超导电缆在实际商业电网中的使用和服务。德国和俄罗斯近期也分别启动了超导输电电缆研制项目，以期在超导输电技术发展中取得优势。

由于直流输电的优势以及发展新能源的需求，近年来，超导直流输电技术的研究与开发备受重视。2010年，日本中部大学完成了一组 200m 长、!10kV/2kA高温超导直流电缆的研制和实验。韩国拟计划在济州岛智能电网示范项目中，研发一组500m长、80kV/60MW的超导直流输电电缆，并利用该电缆作为可再生能源接入电网的通道。2011年5月，德国就开展千公里级高温超导直流输电示范工程的建设，召开了国际可行性专题研讨会。2011年8月在日本召开的第一届亚洲—阿拉伯可持续能源论坛，提出开发撒哈拉太阳能和风能发电，并采用超导直流输电技术将电力输送到欧洲和日本的宏伟计划。为此，日本住友电气已经启动了一项旨在利用超导直流输电构造全球性可再生能源网络的前期研究项目。

当前，高温超导电缆的总体发展趋势是:以示范工程为突破口，进一步发展实用化高温超导输电技术，逐步实现在更大容量、更长距离的电力传输领域的应用。同时，从过去以开发交流超导电缆为主，到目前开始并重推进直流超导电缆的研究开发与示范。

(2)高温超导材料

超导材料是超导电力应用的基础，目前，实用的高温超导材料主要包括Bi系(包括Bi2Sr2Ca2Cu3O10即Bi-2223、Bi2Sr2Ca1Cu2O8即 Bi-2212，也称为第一代高温超导带材 BSCCO)和 Y系(YBa2Cu3O7－x即Y-123，也称第二代高温超导带材YBCO)高温超导带材。Bi系和Y系高温超导材料可以在液氮温度(77K)下运行，由于氮气资源极其丰富以及77K的液氮温度比液氦温度(4.2K)高出73K，带来制冷成本的大大降低，使得超导技术的大规模工业化应用成为可能。

以Bi系高温超导带材为代表的第一代高温超导带材由于可加工成长带并具有较高的临界电流密度(77K、自场下达3×104～7×104A/cm2)，良好的热、机械及电稳定性，使其率先进入了产业化生产阶段。工业化生产的截面约为1mm2的带材，在77K与自场下的临界电流一般在100A以上，最好的接近200A。以YBCO为代表的第二代高温超导带材，由于其载流能力优于Bi系高温超导带材，近年来已成为超导材料领域的研究热点，美国和日本等相继制定了大规模研究计划，已取得了很好的研究成果。

Bi-2223导线通常用粉末装管法(PIT)，即将陶瓷性的超导材料粉末充填在金属套管(银管)里来制备，制备技术已比较成熟。Bi系高温超导带材在77K下的不可逆场约为0.4T，临界电流易受磁场影响，在磁场下其临界电流衰减很快;另一方面由于采用银套管等贵金属材料，生产成本较高。美国超导公司(AMSC)、德国布鲁克公司(Bruker)都曾有批量化生产千米长带材的能力，目前已停产或转产Y系超导带材。日本住友电工公司(Sumitomo)和我国北京英纳公司现在仍生产Bi-2223/Ag带材，年产能力分别为500km和200km。Bi-2223/Ag导线已用于超导电缆、超导变压器、超导电机、超导限流器和大电流引线等的研发与示范工程。

YBCO超导体具有优异的磁场下性能，77K下的不可逆场达7T，比Bi-2223高出一个量级，外延生长的YBCO超导薄膜的临界电流密度在77K零场下一般均达到106A/cm2。由于 YBCO超导材料的延展性极低，织构形成困难，Bi系带材所用的粉末装管法不适用于其带材的制备，加工长带材需采用涂层技术将超导材料复合到一种柔性的金属基带上，从而也被称为涂层导体。

YBCO超导带材主要由金属基带、隔离层、超导层与保护层组成，制备技术比较复杂。YBCO超导层的制备过程是一种在纳米尺度上的可控晶体外延生长过程，目前主要采用的手段有激光沉积(PLD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和金属有机物化学溶液沉积(MOD)。

1999年第一根100m长的YBCO高温超导带材被制备出来后，YBCO涂层导体的长度方面的制备技术瓶颈被突破，为其工业化应用奠定了基础，从此，研发工作逐渐向企业转移。YBCO带材研发工作目前领先的是日本藤仓(Fujikura)公司、美国超导公司(AMSC)和美国 Super Power公司等。日本藤仓公司制备YBCO带材性能最高，2011年已制备出单线长816.4m、临界电流达572A/cm宽的带材，并用所制备的YBCO带材研制出一些具有商业用途的超导器件。美国超导公司研制的4mm宽YBCO带材，临界电流保持在100A左右。美国 Super Power公司是世界上首家制备出千米长 YBCO带材的厂家，其长1065m的 YBCO带材临界电流达 282A/ cm。目前，日本藤仓公司只向外界提供少量YBCO带材产品，美国 Super Power公司产能约达500km (12mm宽)，美国超导公司产能约达250km(40mm宽)。

我国YBCO超导带材的研发与生产工作也已起步，“十一五”期间上海交通大学开展YBCO带材研究，2011年研制出百米级的带材，临界电流达194A/cm。近年来，国内企业开始介入YBCO带材的产业化。2011年2月永鼎股份公司在苏州科技园区成立了苏州新材料研究所有限公司，从美国引进研发团队并联合国内研发机构，计划2013年制备出千米级、百安培级的 YBCO带材。2012年，赣商集团联合上海交通大学创办了上海超导科技股份有限公司，上海大学联合上海汇阳超导材料有限公司共同组建了上海上创超导科技有限公司，他们都准备开展YBCO带材的研制。此外，西北有色金属研究院已实现YBCO基带的小批量制备，北京工业大学已与中国节能环保集团所属的中节能新材料投资有限公司签订了投资 YBCO用基带产业化的协议等。

Tl(铊)系超导体是高温超导体中成员最多的家族，在晶体结构上它几乎涵盖了所有铜基氧化物高温超导体的晶体类型。由于其临界转变温度达125K，高于液化天然气温度，因此Tl(铊)系超导体的发展和应用，有可能使超导输电在液化天然气温区实现。但由于 Tl(铊)系材料具有高挥发性和毒性，目前开展研究较少。

最近几年，人们又发现了一些有应用前景的新型超导体，如MgB2和铁基超导体等，虽然它们的临界转变温度都还低于Bi系和Y系超导体，但新型超导体的不断发现，突破了人们对超导机制的传统认识，表明了超导电性仍然是一片有待于大力开发和探索的前沿领域，并可能存在重大突破。实际上，具有更高转变温度的超导材料探索和研究(例如，200K超导材料直至常温超导材料)，始终是人类的不懈追求。可以预见，随着新型高临界温度超导体的研究不断取得突破，超导技术在能源和电力等方面的广泛应用将变成现实，从而为未来电网的发展提供强大的技术支撑。

(3)低温制冷冷却系统

目前高温超导电缆需要运行在液氮温区，因此必须有相应的低温制冷装置和冷却系统来保证其稳定运行。高温超导电缆的低温冷却系统有着一些重大特点，如:

1)它通常采用过冷(65～72K)液氮循环迫流冷却;

2)要稳定保持超导输电线路在低温下工作，系统的制冷量将达1～2kW/km以上;

3)整个系统将由多套相同的制冷与冷却装备连接组成。实用高温超导输电低温冷却系统的规模与水平将大大超过现有的低温冷却系统。

实现高温超导电缆冷却有多种制冷方式，如常压液氮沸腾制冷、减压降温制冷与低温制冷机等。对实用超导电缆，采用制冷机提供冷源实现闭式循环是比较合适的冷却方式，它自动化程度比较高，可以实现远程监控。

目前，国际上已有多种实现批量化商业生产的低温制冷机产品出售。近些年来，在77K温区下大冷量单级G-M制冷机和单级脉管制冷机的研发，取得了良好的进展。日本住友公司生产的低温小型蓄冷型低温制冷机(如G-M制冷机)在77K下的制冷量可达数百瓦甚至上千瓦。目前商用的大型液氮制冷机还有斯特林(Stirling)制冷机和布莱顿(Brayton)循环制冷机等，国外法液空(Air Liquide)公司与林德(Linde)公司已能提供制冷量达数十千瓦的布莱顿(Brayton)循环制冷机产品，荷兰斯特林低温与制冷技术公司生产的斯特林制冷机则可在77K提供数千瓦的制冷量。但这些制冷机在液氮温区的制冷效率普遍在卡诺效率的0.1左右，较大型制冷机的制冷效率也仅在卡诺效率的0.15左右，从超导电力技术的实用化和产业化角度来看，目前的制冷系统在制冷效率、价格、使用寿命、可靠性等方面还有待于提高。

我国低温技术经过多年的发展，已积累了扎实的理论和技术研究基础，以周远院士为代表的研究团队在国际前沿的新型低温制冷基础理论和关键技术方面都取得了突破，掌握了斯特林制冷机、G-M制冷机、脉冲管制冷机、透平膨胀制冷机等研制经验和技术，部分制冷机和低温制冷技术已经成功应用于包括高温超导电缆、高温超导限流器等超导电力示范装置上。

2.2 主要问题

在高温超导输电示范工程方面，国内外已取得了一系列成果，但输电电缆最长仅610m，最高额定电压138kV，运行时间普遍较短，具有明显的研发电缆在电网试运行的性质，与高温超导输电的实际应用尚有差距。

(1)要实现使高温超导输电尽快成熟到能进入国家未来电网建设计划，进行大规模建设与运营的总目标，在技术上尚需解决如下问题:

1)高温超导电缆及示范工程。高温超导电缆采用液氮温度下工作的超导带材作为导体层替代常规输电的室温工作的铜铝导线，其发展需要解决多方面的相关技术，诸如电缆结构和绕制技术、电缆绝缘技术、电缆终端与接头技术、低温杜瓦管技术、液氮制冷与循环冷却技术以及安全运行技术等。为了适应未来超导电缆大批量生产的需要，还要做大量工作。此外，超导电缆冷却系统的运行稳定性和可靠性是决定超导输电可靠性的最重要因素，研究开发出最佳的长距离超导电缆的冷却技术无疑是一项十分重大的任务。因此，要发展高温超导输电还必须部署长期持续的示范工程工作，以求在输电工程的设计、建设、运行和维护方面取得突破。

2)高温超导材料。目前，Bi-2223/Ag高温超导导线已实现了商业化生产和产业化发展，它在低场下的性能与价格较YBCO带材有一定优势，但由于其电磁性质具有显著各向异性，同时其电流密度将随磁场增大而急剧下降，从而限制它的应用范围。YBCO超导体具有更为优异的磁场下性能，电磁性质各向异性也较Bi-2223小一数量级。由于不需要银作为基体材料，近年来一直是超导材料领域的研究热点。YBCO超导带材要获得实际应用还必须针对千米级的长带开展工作，解决关键制备技术，并进一步提高其性价比。Tl(铊)系和其他新的超导体有待进行深入研究，以探索在液化天然气温区使用的超导线(带)材。

发展高温超导输电至关重要的是超导材料要在技术性能和价格方面都有新的、重大突破并形成规模化产业。

3)低温冷却技术。要真正实现高温超导输电的规模化实际应用，必须发展长距离、合理高效、安全可靠的大型液氮温区的低温制冷冷却系统并实现产业化。整个低温制冷冷却系统的发展与成熟还需大力发展一系列关键低温技术，主要包括:高效、长寿命和高可靠性的大型制冷机的研发、长距离超导电缆冷却流程的优化设计技术和低温输配技术、低漏热低温杜瓦管的优化设计以及低温系统监控与保护技术等。

4)一、二次电气设备。高温超导输电线路是由超导电缆和一、二次电气设备构成，由于超导输电电缆可比常规输电电流大，因此研发高载流、容量/功率匹配、性能符合要求的换流等一次设备和监控、继保等二次设备并实现线路/系统的科学规划、建设、管理和运营也是发展高温超导输电的重要任务。

(2)要实现尽快使高温超导输电成熟到能进入国家未来电网建设计划，进行大规模建设与运营的总目标，需要有相应的战略措施:

1)尽管已经过近二十年的各方努力，在超导输电电缆的研发与示范运行方面已取得了一些成绩，为继续前进奠定了基础，但要实现在电力系统中安全、可靠的大规模应用，还要经历长时间的逐步提高，可能还需要二十年左右时间。为了能快速发展高温超导输电的实际应用，国家应在发展中起主导作用，进行计划与部署，制定分阶段前进的路线图，在一定时间内，承担资金投入与政策扶持。

2)高温超导输电技术属于前沿的高新技术，牵涉到超导材料、超导电缆、大型低温工程、超导输电线路建设与运营及含有超导输电的巨型电网发展等多个重大领域的发展，涉及多个行业、专业和部门，要在所有方面都组成强有力的工作队伍，形成面向不同核心技术的创新团队，采取有效的组织措施，保证大家能持续、稳定、协调工作，快速成长与提高。

3)要实现规模化应用，必须在研发、产业化与建设运营三方面都要坚持持续性工作，必须大力加强产、学、研、用有机联合，有效发挥各自优势，统一协调地进行工作。用户部门负责提出技术要求和应该解决的关键问题，组织进行示范运行，并建立标准测试平台;研发单位和大专院校重点解决应用基础问题，共性关键技术及原理创新;产业部门重点解决工艺、配套技术和系统集成。

(3)由于超导输电设备产业近期内还难以给投资者带来经济利益，从而产业发展需要国家投入引导性资金，作为战略性新兴产业来支持。

(4)高温超导输电要达到大规模建设与运营，成为电力输电系统的重要成员的总目标，需要二、三十年长时间的持续努力。因此，要以国家为主导，根据需求与实际进展，进行计划与部署，拟定发展路线图，明确目标，并进入国家五年计划体系，以使各方面工作统一协调前进。

3 解决思路与政策建议

3.1 解决思路

我国的电力需求不断增长，大城市高密度高可靠性供电、长距离大容量输电、接纳大规模新能源发电等技术能力都需要大幅提高，高温超导输电技术必将在这一发展需求中发挥重要作用。高温超导输电应成为我国电网发展的重要手段，在未来电网建设中发挥重要作用。近期，在大城市、大负荷过江河输电等特殊场合的大容量高密度超导输配电是可期望的应用点之一。为此，已刻不容缓地需要国家进行统一规划和认真部署，形成国家发展计划，组织强有力的队伍，给以长期稳定的有力支持，大力推动其发展与实用。

发展高温超导输电国家计划的目标应与我国未来电网建设实际需求紧密结合，国家计划的总目标应是尽最大努力使高温超导输电能尽快成熟到进入国家未来电网建设计划中，进行大规模建设与运营，成为重要成员，发挥应有作用。主要包括:在全面系统地进行关键材料与装备的研发、形成一系列自主知识产权基础上，大力发展技术与经济均先进的装备与材料并实现产业化;培育成长相关战略性新兴产业，实现建设输电线路所需材料与装备的产业化;通过逐步提高超导输电示范工程输送容量和距离，获得设计、建设，运营的经验，培养队伍，为超导输电规模化进入国家大电网奠定基础。

发展直流输电是近年来已开始的未来趋势。目前，世界上运行的直流输电系统共百余个，容量100万kW以上的有29个，我国已有三峡-华东、青海-西藏、宁东-山东等10多条直流输电系统投入运行。随着可再生能源发电的比重增大，直流输电正在迅速发展。由于高温超导直流输电有其特殊优越性，发展超导直流输电日益受到世界各国重视，根据我国电网发展的实际需求，大容量、直流高温超导输电应是我国当前超导输电发展的重点。

项目组对在我国发展高温超导输电取得了以下重要共识:

(1)20世纪80年代后期发现了液氮温区的高临界温度超导体，国内外积极进行着超导输电的研发与示范工作，显示了高温超导输电具有大容量、低损耗、体积小、重量轻、系统可靠性高、节约资源、环境友好等重大优越性，期望21世纪前期人类将进入超导电力输送的新时代，为此已奠立了良好基础，正在形成发展高温超导输电的热潮。

(2)我国电力需求仍在快速增长，终端能源中电力的比重将大幅度提高，正在大力发展可再生能源来逐步替代化石能源发电，使电力资源和负荷分布不均衡的矛盾将更加突出，从“十二五”开始大规模建设特高压交直流输电已提上日程，21世纪上半叶将是建设高潮。高温超导输电应成为我国电网发展的重要手段，要形成国家计划，认真部署，大力加强其发展，使之尽早成熟到能在国内进行大规模建设与运营，使高温超导输电在国家巨型电网发展中发挥其应有的作用。

(3)我国发展高温超导输电国家计划的总目标应是尽最大努力使其能尽快(如二十年内)成熟到能按实际需求进入国家电网进行大规模建设与运营，占有较大比例，成为重要成员。为此，要全面系统地进行材料、装备和关键技术的研发，培育成长相关战略性新兴产业，循序渐进地建设运营一系列超导输电示范工程，充分重视我国以远距离、大容量、高电压输电为主和以直流输电为主发展的主要特点。

(4)由于整个发展要经历长时间(约二十年)逐步提高的过程，涉及超导材料、超导电缆、大型低温工程、超导输电线路建设与运营及含有超导输电的巨型电网发展等多个高新技术重大领域和研发、产业化与建设运营多个行业与部门的统一协调，要能有效地进入国家五年计划体系，要根据需求与实际进展，明确每五年或十年的分阶段目标，提出发展路线图。从当前已有基础和对需求的了解出发，可设想将整个发展路线图分为四个阶段，即:

1)“十二五”期间为启动阶段，组建队伍，结合过江河输电等需求建成公里级、百千伏、千安级的国家研发试验平台，对各类超导电缆、换流、冷却等一次设备和监控、继保等二次设备进行研发、集成、试验和评估，同时开展输电技术的系统研究，判断线路设计、保护配置、施工运维等所采取技术路线的合理性和科学性，为商业运营线建设打好基础。

2)“十三五”期间，立足国内研发成功的材料、装备与技术和提供的产品，选择如城市中心配电或短距离海底输电的线路，建成一条选定的长十公里级、数百千伏、千安级的直流输电商业运营示范线，证实全套技术与装备的实用性与运营安全可靠性。

3)“十四五”与“十五五”期间，选择一条或数条实用线路，建成长百公里、更高电压与传输容量的实用线，带动国家有关战略性新兴产业的迅速成长和输电工程的建设与运营队伍的成长，为规模化应用奠定可靠基础。

4)2030年以后，选择若干国家规划线路进行高温超导直流输电线建设与运营，逐步建成国家超导直流输电网，实现规模化应用。

在当前的起始阶段，重点应尽快搞好“十二五”的计划部署，能尽快制定计划，开始工作，对后面的工作将根据实际进展与需求逐步进行调整完善。超导输电示范工程、超导材料、超导电缆、大型低温工程、高载流配套电力设备等高新技术领域应根据上述的总体分阶段路线图的要求，制定各自的发展路线图，以保证整体工作统一协调进行。

(5)超导输电示范工程是整个超导输电国家计划的中心任务。它需要国家资金的大力支撑，带动研发与产业化工作前进，培养锻炼工程设计、建设、运行、维护队伍的成长。示范工程的成功将充分显示超导输电的现实性与优越性，从而大大提高人们采用的决心。考虑到尽可能迅速达到规模化实际应用的需求，有关材料、装备、技术研发、产业化及提高经济性能的可能性与现实性，和各阶段计划能得到持续的大力支持，重点开展超导线路设计、电网分析、布局规划、保护控制、工程建设、试验评估、线路运维等关键技术研究，考察超导电缆、低温变流等设备及线路长期运行性能和可靠性，提出与总体分阶段路线图一致的四阶段路线图设想，供制定国家规划与计划、部署工作时参考。

(6)超导材料的发展是实现超导输电的基础。目前，以Bi系超导带材为代表的第一代高温超导带材已进入产业化，世界生产能力已达年产上千公里，为超导电缆等超导电力装备研发示范运行奠立了基础。以YBCO涂层导体为代表的第二代高温超导带材近年来成为研发热点，世界年生产能力也达数百公里，但价格还较高。临界温度为125K的 Tl(铊)系超导体的发展有可能使高温超导输电在液化天然气(LNG)温区(112K)实现，但实用导线还在基础性研究探索阶段。根据我国发展高温超导输电的实际需求，目前需在国家计划大力支持下，认真部署研发工作，提高现有实用超导带材性能与单根长度，大幅度降低成本与出厂价格，扩大作为战略性新兴产业的规模。对新的和正在探索的临界温度更高、性能更好的超导材料，也应给予充分的关注，并期待超导材料在不远的将来有新的重大突破。

(7)超导输电电缆及其配套设备的研发成功、产业化与经济性能提高到有足够的竞争力是实现超导输电规模化应用的关键。高温超导电缆采用液氮温度下工作的超导带材替代常规输电的室温工作的铜铝导线，其发展需要解决多方面的相关技术，诸如:电缆绕制技术、低温电气绝缘技术、终端与接头技术、低温杜瓦管技术、液氮制冷与循环冷却技术、安全运行所需的监控保护技术以及超导电缆敷设技术等。自21世纪初以来，世界及我国已积极进行多条高温超导电缆的研发，并有多条超导电缆进入电网进行试验示范运行，一些新计划正在推进，为继续前进奠定了基础。由我国发展高温超导输电的目标与分阶段路线图的需求出发，已有研发工作尚处于初始阶段，队伍也比较薄弱，当前应尽快组成强有力、高水平的国家研发队伍，在国家稳定可靠的经费支持下，主要围绕“十二五”期间建成公里级超导输电研发试验平台和为“十三五”期间建成十公里级商业运营示范线做好准备进行工作。至于“十三五”的工作计划及2020年实现百公里级实用线建设运营的计划，应根据实际需求和技术与产业发展的情况与问题，逐步明确。

低温制冷系统是保证高温超导输电能安全可靠稳定运营的重要装备，其规模与水平均大大超过现有的低温制冷系统。应按超导输电分阶段路线图的要求，统一协调进行有关研发、试验运行考验与产业化工作。

实现超导输电技术评估、工程示范和应用推广的目标必须统筹部署、研发高载流、容量/功率匹配、性能符合要求的换流等一次设备和监控、继保等二次设备并实现线路/系统的科学规划、建设、管理和运营，最终形成与超导输电容量和性能相适应的一、二次配套设备产业。

3.2 政策建议

基于上述共识，对我国大力加速发展高电压、长距离、大容量高温超导输电有以下主要建议:

(1)从我国输电系统发展需求和高温超导输电的重大优越性出发，努力提高国家领导与有关部门对发展高温超导输电重要性的认识，以不失时机地尽快实现其在国家电网发展中规模化应用为目标，作为重大项目在国家相关计划中设立“高温超导输电”项目，以国家投入和政策扶持为主，由国家为主导，尽快组织由相关部门领导、各方面技术专家组成的国家总体专家组，负责提出统一协调的规划、工作计划与发展路线图，争取能得到尽快立项，尽早开始实际工作，总体专家组将负责指导与检查计划的实施。

(2)由于高温超导输电属于前沿高新技术，其发展涉及多个重大科技领域和多方面研发，产业化与应用行业与部门的统一协调努力，建议在总项目下设立超导输电示范工程、超导材料、超导输电电缆、低温制冷系统和配套电力设备五个分项，各分项应大力加强产、学、研、用有机结合，有效发挥各自优势，统一协调地进行工作。各分项间要按照统一的分阶段路线图，制定自己的分阶段路线图，保证整体工作统一协调前进。

(3)由于整个发展要经历长时间(约二十年)逐步提高的过程，而目前正处于起步阶段，整个计划要有效进入国家五年计划体系，根据需求和实际进展，制定相应的项目五年计划。当前应首先抓紧“十二五”五年计划制定，按照分阶段路线图设想，大力组建强有力的队伍，以建成公里级、百千伏、千安级的国家研发试验平台为目标，全面系统地开展关键技术、材料与装备的研发与试验，使平台达到世界先进水平，开展多方面研究试验，为“十三五”建成十公里级的商业运营示范线打好基础。“十二五”计划尽早落实是当前能组织起来，有效开展工作的关键。

(4)人才与队伍是能取得成功、快速前进的关键，应注意加速培养和引进高素质的科技人才，有计划地扶持一些优势明显的单位，形成面向不同核心技术的创新团队，成为整个工作的骨干队伍。

［1］严陆光，肖立业，林良真，等 (Yan Luguang，Xiao Liye，Lin Liangzhen，et al．)．大力发展高电压、长距离、大容量高温超导输电的建议 (A proposal for development of high-voltage，long-distance，high-capacity high temperature superconducting power transmission)［J］．电工电能新技术 (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2012，31(1):1-7．

［2］肖立业，林良真，戴少涛 (Xiao Liye，Lin Liangzhen，Dai Shaotao)．发展高温超导直流输电技术的意义、目标及路线图 (The significance，target and roadmap of development of high temperature superconducting DC power transmission technology)［R］．咨询研究分报告 I (Consulting research report I)，2012．

［3］周孝信，来小康，戴少涛，等 (Zhou Xiaoxin，Lai Xiaokang，Dai Shaotao，et al．)．超导输电试验示范工程的建设与运营 (Construction and operation of the superconducting power transmission demonstration project)［R］．咨询研究分报告 II(Consulting research report II)，2012．

［4］甘子钊，周廉，韩征和，等 (Gan Zizhao，Zhou Lian，Han Zhenghe，et al．)．超导材料的研发、产业化与经济性能提高 (R ＆ D，industrialization and economic performance improvement of superconducting materials)［R］．咨询研究分报告 III(Consulting research report III)，2012．

［5］林良真，信赢，唐跃进，等 (Lin Liangzhen，Xin Ying，Tang Yuejin，et al．)．超导输电电缆研发、产业化与经济性能提高 (R＆D，industrialization and economic performance improvementofsuperconducting power transmission cable) ［R］．咨询研究分报告 IV (Consulting research report IV)，2012．

［6］周远，王俊杰，罗二仓，等 (Zhou Yuan，Wang Junjie，Luo Ercang，et al．)．大型低温制冷系统研发与产业化 (R＆ D and industrialization of large cryogenic refrigeration system)［R］．咨询研究分报告 V(Consulting research report V)，2012．

关于《电工电能新技术》变更为月刊的重要启事

《电工电能新技术》(ISSN 1003-3076，CN11-2283/TM)创刊于1982年。由中国科学院主管，中国科学院电工研究所主办。30多年来，始终坚持严谨、求实、理论与实际相联系的办刊方针，一直是中国电气工程领域权威性的学术期刊之一，在广大读者、作者中享有很高的威望。为适应现代科学技术的快速发展，更好地推进科研成果的交流，经上级单位批准，《电工电能新技术》自2014年1月开始刊期变更为月刊，每月23日出版。

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《电工电能新技术》编辑部

Proposal for development of high-temperature superconducting power transmission

YAN Lu-guang，ZHOU Xiao-xin，GAN Zi-zhao，ZHOU Yuan，LU Qiang，ZHAO Zhong-xian，ZHOU Lian，CHENG Shi-jie，LIU Feng-song，XIAO Li-ye，LIN Liang-zhen，HAN Zheng-he，XIN Ying，DAI Shao-tao，LAI Xiao-kang，TANG Yue-jin，LUO Er-cang，WANG Jun-jie，QIU Ming，LI Bai-qing，YU Kun-shan，GU Hong-wei，REN Li，FENG Xia，XU Xi
(Consulting Research Group，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

This paper analyzes the situation of development and demonstration applications of domestic and foreign high-temperature superconducting power transmission technology．There are many advantages of the high-temperature superconducting power transmission，such as large capacity，low loss，small size，light weight，high reliability，resource conservation and environmental friendliness，etc．It is expected to play an important role in the development of China’s future power grid．This paper also presents the policy recommendations for the roadmap of development of high-temperature superconducting power transmission，and establishment of a‘high-temperature superconducting power transmission’project，and others against our relevant technical and policy aspects and other issues．

high-temperature superconducting power transmission;superconducting cable;future grid

TM725;O511

:A

:1003-3076(2014)01-0001-09

注:周孝信，等．能源变革中电网技术发展预测与对策研究，内部报告，2012

2013-09-11

中国科学院学部咨询评议项目(2011年12月)

严陆光 (1935-)，男，浙江籍，院士，主要从事能源和电工新技术研究。