超导输电技术发展现状与趋势

肖立业 林良真

(1.中国科学院应用超导重点实验室 北京 100190 2.中国科学院电工研究所 北京 100190)



超导输电技术发展现状与趋势

肖立业1，2林良真1，2

(1.中国科学院应用超导重点实验室 北京 100190 2.中国科学院电工研究所 北京 100190)

由于我国电力资源与负荷资源分布极度不匹配，电力的远距离输送不可避免，特别是未来可再生能源的规模开发与利用，将会进一步加剧这种不匹配的格局，大规模的电力远距离输送在我国尤其重要。超导输电技术是实现大规模电力远距离输送的潜在解决方案之一，近年来在国际上得到了较快发展，我国也有了很好的研究开发基础。该文对我国超导输电技术的需求进行了分析，介绍了国内外超导输电技术发展的现状，分析了超导输电技术发展趋势，并提出了有关发展对策与建议。

可再生能源 高温超导材料 超导输电技术

0 引言

一个国家的综合发展水平越高，则其人均用电量越高。2011年，国际能源署提供的数据表明[1]，不同国家或地区的人均用电量与人均GDP大致呈正相关关系。我国目前人均GDP仅为7 000美元左右，大致相当于发展中国家的平均水平，未来仍有大幅度提升的空间。根据周孝信[2]牵头组织撰写的报告，2010年，我国人均用电量约为3 000 kWh，到2050年，以我国人均GDP达到2.5～3.5万美元计算，较合理的预计是人均用电量将达到8 000～10 000 kWh以上，大致相当于法国、德国或日本当前水平，或相当于美国20世纪70、80年代水平。

随着化石能源的日益枯竭以及日益增长的环境压力等因素的驱动，人们已经认识到必须大力发展可再生能源，并逐步实现可再生能源替代化石能源的新能源变革[3]。近年来，欧洲、美国和中国等国家的可再生能源发展十分迅速，装机容量增长速度年均超过20%。2009年，欧盟国家新增的电力装机中，可再生能源发电装机已占到62%以上[4]，超过了传统能源发电的新增装机。随着技术不断进步，可再生能源发电的单位成本呈逐年下降趋势。根据欧洲、美国和日本等发达国家和地区的预计，到2020年，光伏发电基本上可以实现平价上网[5]。2011年，欧洲可再生能源委员会出版了一份名为《Re-thinking 2050》的报告[6]，报告预测：按照目前欧洲可再生能源的发展速度，到2020年，欧洲新增的电力装机将全部来自可再生能源；报告也大体勾画了到2050年实现100%可再生能源供应体系的路线图。2011年1月份，德国环境咨询委员会提交了一份名为《建立一个100%的可再生能源电力系统》的报告，该报告得出结论，到2050年，德国电力100%由可再生能源供应是可能的[7]。世界观察研究所的报告认为[7]：到2050年，中国可再生能源将达到总能源需求的40%～45%。由此可见，可再生能源将在未来得到快速发展，而化石能源的比重将逐渐降低。

我国的能源资源和负荷资源的地理分布极不均衡，电力资源大部分分布在西部和北部地区，而人口和负荷资源大部分分布在中部和东部地区。考虑到可再生能源发展的远景，我国未来能源资源和负荷资源分布不均衡的矛盾将更加突出。根据周孝信等[8]另一份研究报告，依据我国环境和资源约束条件，并结合我国未来发展态势，预测我国2050年总的电力需求量和发电装机容量如表1(低方案)及表2(高方案)所示。同时，我国将有约5亿kW的电力需要从西部地区送往中东部地区，年输送电能将达到2.3～2.5万亿kWh。

表1 我国中长期可支持的发电量及装机规模(低方案)Tab.1 Future electric energy requirement and installed power capacity(low-level scenario)

表2 我国中长期可支持的发电量及装机规模(高方案)Tab.2 Future electric energy requirement and installed power capacity(high-level scenario)

由此可见，随着可再生能源在能源中所占比重不断增加，我国不仅“西电东送”、“北电南送”的基本格局没有改变，而且电力资源与负荷资源分布不均衡的矛盾将进一步加深，发展大容量远距离电力输送技术仍十分必要。

1 超导输电技术的原理及比较优势

超导输电技术是利用高密度载流能力的超导材料发展起来的新型输电技术，超导输电电缆主要由超导材料、绝缘材料和维持超导状态的低温容器构成，图1和图2分别是常温电绝缘和低温电绝缘的超导输电电缆的示意图。由于超导材料的载流能力可达到100～1 000 A/mm2(约是普通铜或铝的载流能力的50～500倍)，且其传输损耗几乎为零(直流下的损耗为零，工频下会有一定的交流损耗，约为0.1～0.3 W/kA·m)，因此，超导输电技术具有显著优势，主要可归纳为：

1)容量大。一条±800 kV的超导直流输电线路的传输电流可达10～50 kA，输送容量可达1 600～8 000 万kW，是普通特高压直流输电的2～10倍。

2)损耗低。由于超导输电系统几乎没有输电损耗(交流输电时存在一定的交流损耗)，其损耗主要来自循环冷却系统(对于交流输电也是如此)，因此其输电总损耗可降到常规电缆的25%～50%。

3)体积小。由于载流密度高，超导输电系统的安装占地空间小，土地开挖和占用减少，征地需求 小，使利用现有的基础设施敷设超导电缆成为可能。

4)重量轻。由于导线截面积较普通铜电缆或铝电缆大大减少，因此，输电系统的总重量可大大降低。

5)增加系统灵活性。由于超导体的载流能力与运行温度有关，可通过降低运行温度来增加容量，因而有更大的运行灵活性。

6)如果采用液氢或液化天然气等燃料作为冷却介质，则超导输电系统就可变成“超导能源管道”(Superconducting Energy Pipeline)，从而在未来能源输送中具有更大的应用价值。例如，从新疆向中东部地区供应液化天然气和可再生能源电力，就可采用这样的“超导能源管道”。

图1 常温绝缘型超导输电电缆Fig.1 Warm dielectric type superconducting transmission cable

图2 低温绝缘型超导输电电缆Fig.2 Cryogenic dielectric type superconducting transmission cable

由于上述优越性，超导输电技术可为未来电网提供一种全新的低损耗、大容量、远距离电力传输方式。美国电力科学研究院对超导直流输电系统所做的技术经济评估分析(如表3和表4所示)表明[9]，如果超导带材的价格可降到20～50美元/kA-m，超导直流输电技术的技术经济性具有明显优势，因而随着技术的不断发展及超导带材价格的不断降低，未来可望得到重要应用。

表3 各种输电技术的技术优势比较Tab.3 Technical comparisons among different power transmission technology

注：“√”表示具备比较项所提出的功能，“×”表示不具备。

表4 各种输电技术的经济比较(以5 GW、1 500英里为例)Tab.4 Economic comparisons among different power transmission technology

2 超导输电技术的发展及趋势

超导材料是发展超导输电技术的根本物质基础和技术基础，1987年以来，超导输电技术的研究主要围绕高温超导材料开展。高温超导材料主要包括铋(Bi)系高温超导带材(包括Bi2Sr2Ca2Cu3O10即Bi-2223、Bi2Sr2Ca1Cu2O8即Bi-2212，也称为第I代高温超导带材)和YBCO (YBa2Cu3O7-x即Y-123)高温超导带材(也称第II代高温超导带材)。经过20多年的发展，第I代和第II代高温超导带材在临界电流密度、长度、机械性能等方面已基本满足超导输电技术的应用需求。表5和表6分别列出了目前国际上主要的Bi系超导带材和Y系超导带材[10-14]供应商的超导材料技术指标。

表5 国际上主要生产厂商提供的Bi系超导带材的性能Tab.5 Properties of Bi-based superconducting tapes provided by the manufacturers in the world

其中，日本住友电工长期坚持对Bi系高温超导线进行研制，2006年，该公司组建了30 MPa的冷壁式Controlled Overpressure(CT-OP)热处理方案，成功制备临界电流达180～200 A以上的Bi系高温超导线，这一成果引起了世界同行的极大关注。德国Bruker公司和美国超导公司所生产的Bi-2223/Ag导线性能指标也较高，但因目前转为生产YBCO带材，两家公司的Bi-2223/Ag导线仅有少量库存。

表6 国际上主要研究开发机构或公司所研制的Y系超导带材的性能Tab.6 Properties of Y-based superconducting tapes provided by the manufacturers in the world

然而，Bi系高温超导带材在77 K下的不可逆场约有0.4 T，临界电流在较小磁场下衰减很快；同时，采用银套管等成本较高的原材料，Bi系高温超导带材的生产成本将难以下降。因此，国际上已基本停止了对Bi系高温超导带材的研发，大部分公司已经停止Bi系高温超导带材的生产。

在Y系超导材料研制中，日本Fujikura公司于2004年制备出长度为100 m、临界电流超过100 A的YBCO超导带材；2006年，其研制的带材长度达200 m、临界电流超过200 A；2007年，长度发展到504 m、临界电流超过350 A，创造了当时的世界记录。2010年10月份，Fujikura公司制备出长度达615 m、临界电流达到609 A的带材，2011年4月份又制备出长度为816 m、临界电流为572 A的YBCO带材，再次创造出新的世界记录。美国SuperPower公司采用离子束辅助沉积技术和金属有机物化学气相沉积法(IBAD+MOCVD)已经可以批量制备千米级YBCO超导带材，最长单根超导带材达到1 311 m、临界电流约300 A；美国超导公司(AMSC)采用轧制辅助双轴织构基带技术/金属有机物化学溶液沉积技术(RABiTS/MOD)制备出YBCO超导带材的最大长度为520 m，可采用344法切割成超过3 000 m的超导带材。

我国在YBCO超导带材制备上也取得了重要进展，北京有色金属研究总院制备出临界电流超过200 A的米级YBCO超导带材，而上海交通大学采用全激光沉积(PLD)在轧制辅助双轴织构(RABiTS)基带上进行过渡层和超导层的生长研究，获得了长度100 m、临界电流达到170 A的YBCO超导带材。苏州新材料公司成立于2011年2月份，是国内第一家专注于第二代高温超导带材产业化的高科技企业。截至2012年3月底，苏州新材料研究所有限公司已投资10 000万元用于第II代高温超带材实验室建设以及相关设备的研发和加工。其中，已自主完成了离子束辅助沉积(IBAD)技术制备千米级有立方织构MgO种子层的设备、千米级氧化物隔离层的外延生长设备、千米级YBCO超导层的MOCVD外延生长设备等的设计，并开始加工制造。

值得一提的是，2001年，日本科学家发现的二硼化镁(MgB2)超导材料，其超导转变温度达39 K[15]。MgB2超导材料具有结构简单、易于制造、成本低廉等优点，如果运行于液氢温度(27 K)，也可用于超导输电技术。目前，意大利Columbus公司和美国HyperTech公司均可商业化制备并批量生产千米级MgB2长线，中国科学院电工研究所和西北有色金属研究院也具备制备百米量级的MgB2导线的能力[16]。2008年初，日本科学家发现一种新型超导体——铁基超导体，在世界范围内兴起了一股新的超导研究热潮，中国科学院物理研究所赵忠贤院士将铁基超导体的临界温度提高到了55 K。2008年，中国科学院电工研究所率先制备出铁基超导带材，2014年，制备的铁基超导带材在液氦温度和10 T磁场下的临界电流密度已达到1 000 A/mm2以上。

3 高温超导输电电缆研发现状

由于上述高温超导材料制备技术取得的巨大进步，自20世纪90年代末以来，世界范围内在超导输电技术方面开展了大量研究开发与应用示范。美国、欧洲、日本、中国和韩国等都完成了高温超导电缆的研制和示范，以前的研究重点主要集中在高温超导交流电缆，近年来重点转向了高温超导直流电缆。表7列出了近年来国际上主要超导电缆的研发与示范项目。

表7 国际高温超导电缆研究开发与示范主要案例[17-25]Tab.7 Typical projects of high-temperature superconducting cable in the world[17-25]

其中，美国南方电线公司于1999年首先将30 m长、12.5 kV/1.25 kA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30 m长、36 kV/2 kA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200 m、350 m以及目前国际上最长的600 m(138 kV/2 kA)等三组三相交流高温超导电缆已完成研制，并投入到实际电网示范运行(如图3所示)。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100 m长、22.9 kV/1.25 kA三相交流高温超导电缆的开发并交付韩国使用。

国际上还计划开展更长距离的高温超导电缆的研究开发。例如，美国计划研制长度为1 760 m、容量为13.8 kV/2 kA的三相交流高温超导电缆并在新奥尔良市更换一段满负荷运行的地下常规电缆；荷兰于2007年底启动了长度达6 000 m、容量为50 kV/3 kA的三相交流高温超导电缆的前期工作，计划在阿姆斯特丹市更换一段目前已超负荷运行的充气常规电缆，同时将传输电压等级由常规电缆的150 kV降到超导电缆的50 kV；美国超导公司与韩国LS电缆公司于2009年9月份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5年内将实现50 km高温超导电缆在实际商业电网中的使用和服务。

图3 美国超导输电示范系统Fig.3 Demonstration projects of superconducting transmission in USA

我国自“九五”计划以来就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1 m长、1 000 A的Bi系高温超导直流输电电缆模型，2000年又完成6 m长、2 000 A高温超导直流输电电缆的研制和实验。“十五”期间，在国家“863”计划支持下，中国科学院电工研究所于2003年研制出10 m、10.5 kV/1.5 kA三相交流高温超导输电电缆。在此基础上，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75 m、10.5 kV/1.5 kA三相交流高温超导电缆并安装在甘肃长通电缆公司为车间供电运行。2011年2月份，中国科学院电工研究所在甘肃省白银市政府支持下，在白银市建成10.5 kV/630 kV·A超导变电站，该75 m、10.5 kV/1.5 kA高温超导电缆随即移装在超导变电站中运行至今(如图4所示)。

图4 白银超导变电站中的三相75 m、10.5 kV/1.5 kA高温超导电缆Fig.4 Three-phase 75 m、10.5 kV/1.5 kA high-temperature superconducting cable in Baiyin Superconducting Transformer Substation

2001年云南电力公司与北京英纳超导公司合资成立云电英纳超导电缆公司，从事高温超导电缆的研究开发，2004年完成33 m长、35 kV/2 kA高温超导交流电缆的研制，安装在云南普吉变电站实验运行(如图5所示)。

图5 普吉33 m、35 kV/2 kA三相交流高温超导输电电缆Fig.5 Three-phase 33 m、35 kV/2 kA high-temperature conducting cable in Puji，Yunan

由于直流输电的优势以及发展新能源并网的需求，近年来，超导直流输电技术的研究开发备受重视。美国于2009年10月份启动了将三大电网(美国东部电网、西部电网、德克萨斯电网)实现完全互联和可再生能源发电并网的“Tres Amigas超级变电站”项目，该超级变电站采用高压直流输电技术(HVDC)实现电网互联，即任何两个电网互联均由AC/DC进行电能变换后通过高温超导直流输电电缆(Superconductor Electricity Pipelines)来实现双向流动，最终建设成一个占地22.5平方英里、呈三角形互联的可再生能源市场枢纽(Renewable Energy Market Hub)，如图6所示。但由于资金募集没有到位，该项目中的高温超导直流输电电缆将由常规电缆替代。

2010年，日本中部大学完成了一组200 m长、±20 kV/2 kA高温超导直流电缆的研制和实验(如图7所示)，并计划在此基础上研制2 000 m长的高温超导直流电缆投入实际电网示范运行。

图6 美国Tres Amigas超级变电站设计方案Fig.6 The design picture of Tres Amigas Super-Substation of USA

图7 日本中部大学200 m长、±20 kV/2 kA高温超导直流电缆试验系统Fig.7 200 m/±20 kV/2 kA high-temperature superconducting cable in Chubu University，Japan

韩国在济州岛智能电网示范项目中，于2014年开始示范一组500 m长、80 kV/60 MW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月份，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，与会者对未来建设长距离高温超导输电电缆以解决大容量的可再生能源输送问题寄予厚望；2011年8月份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(如图8所示)。

图8 日本住友电气关于未来全球超导直流输电网络的设想Fig.8 An idea of future global DC transmission network with superconducting power cable proposed by Sumitomo Electric Industries，Japan

2007年8月份，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360 m长、电流达10 kA的高温直流超导电缆。该电缆将采用架空方式布线，跨越公司绿化带和内部马路，连接变电所的整流装置将电流输送到电解铝车间的直流汇流大母线。图9是360 m、10 kA高温超导直流电缆安装现场，该电缆已于2013年投入示范运行。实验运行表明，与同等容量的常规输电电缆相比，该高温超导电缆可节省输电损耗约65%以上。

图9 安装在厂区的360 m、10 kA高温直流超导电缆Fig.9 360 m、10 kA high-temperature superconducting DC cable

4 超导输电技术未来发展趋势

随着可再生能源比重的不断增加，现有输电网交流运行模式将面临日益严峻的挑战[26-29]。因此，国际上似乎已经有了以下共识：即采用直流输电网的模式对于建设未来大规模的可再生能源电网可能是较好的选择。目前，无论是美国Grid2030构想[30]还是欧洲的Super Smart Grid构想(2050)[31]，均提出了以直流输电网为骨干的网络结构和输电模式；美国电力科学院(EPRI)提出了Macro-Grid的概念[9]，其基本设想也是利用直流环形电网来解决资源的综合利用问题和提高供电的安全可靠性；欧洲已计划到2020年左右将北海地区的海上风电场通过直流电网相连并网[31]，美国规划2020年左右将大西洋沿岸建设的海上风电场通过直流网络向用户提供清洁的能源供应[31]；欧美日等发达国家和地区已经就直流配电网的建设着手制定标准和建立示范工程。

正因为如此，未来超导输电技术的一个极为重要的发展趋势就是重点发展高温超导直流输电电缆，这一点已经从近年来国际上的研究开发任务中可以看出。由于超导直流输电电缆无焦耳热损耗和交流损耗，从而可最大程度地提高输电效率。同时，超导输直流电电缆需要的冷却系统，如果采用液化天然气(液化温度为110 K)或液氢(液化温度为27 K)作为冷却介质，就可实现输电和输气的一体化。这是因为，一方面，目前已有的高温超导材料(如TlBaCuO(Tc～125 K)和HgBaCuO(Tc～150 K))的临界温度已超过了液化天然气温度，仅从临界温度的角度看，已具备研制输电输气一体化“超导能源管道”的可能性；另一方面，由于可再生能源具有波动性的特点，利用可再生能源制备天然气或氢气，不仅可将不可调度的波动能源转变成可调度的能源，而且可用于超导输电电缆的冷却。因此，发展“超导能源管道”也将是超导输电技术的另一重要方向。

此外，直流输电网中的短路故障开断也是一个极其重要的问题。由于超导体存在超导态-正常态转变特性，即超导体在过流时迅速转变为正常态，因而利用超导体研制的短路故障限流器对于超导直流输电系统来说也很有意义，它可迅速将短路电流限制在预定的水平，使得直流短路故障的开断变得更加简单。

总之，随着直流输电乃至直流输电网的发展，研究开发超导直流输电系统、超导直流输电-输气一体化的“超导能源管道”和直流超导限流器，是未来超导输电技术的重要发展趋势，值得高度关注。

5 对策与建议

超导输电技术属于前沿战略性技术，一旦取得重大突破，将同时对电力、能源、交通、医疗、科学研究等产生重大影响。因此建议国家科技部门在国家重点研究计划中设立“超导输电技术研究计划”，予以长期稳定支持，通过制订近、中、远期发展战略路线图，突出目标驱动导向。

作为重要切入点，建议启动液化天然气温度的长距离“超导能源管道”示范工程项目，通过在超导物理、超导材料、超导输电关键技术及其在电网中应用的关键科学问题的系统性突破，全面推动超导输电技术的发展，并通过15～20年的努力，建成数百公里级的高温超导输电示范系统，为我国未来能源输送奠定坚实的技术基础。

致 谢：衷心感谢刘怡博士和杜永红女士在本文修改过程中提供的有益帮助。

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Status Quo and Trends of Superconducting Power Transmission Technology

XiaoLiye1，2LinLiangzhen1，2

(1.Applied Superconductivity Laboratory Chinese Academy of Science Beijing 100190 China 2.Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science Beijing 100190 China)

With the increasing development of renewable energy，it is expected that large-scale renewable power would be transported from the west and north area of China to the east and south area.For this reason，large-capacity long-distance power transmission technology would be necessary for China’s power grid even in the future.Superconducting power transmission (SCPT) technology is a potential alternative for this requirement.In this paper，we review the R&D status of superconducting power transmission around the world，discuss the possible trends of SCPT in the future，and then offer some proposals for future SCPT R&D in China.

Renewable energy，high temperature superconducting materials，superconducting power transmission technology

2015-03-03 改稿日期2015-03-10

TM315

肖立业 男，1966年生，研究员，研究方向为超导电工技术及电工理论与新技术。(通信作者)

林良真 男，1935年生，研究员，研究方向为超导电工技术与电力系统。