基于高温超导体的输电电缆设计

李明泽

摘 要：我国的西部电力资源丰富，而东部用电量比较大，所以造成了中国的电力地区分布不均的情况出现，而利用超导技术进行电力传输具有无损耗运输电流的性质，可以显著减小损耗，并且还有载流量大和体积小的优点，所以超导输电技术是一个非常有效的解决大功率、长距离、低损耗的输电途径。高温超导输电这种具有很多优势的的输电方式，是21世纪输电发展的一个重要的方向。世界发达国家在90年代已相继开始高温超导电缆的研究，以期能实现大容量、远距离输送。本文在总结借鉴国内外先进电缆设计技术的基础上，提出了新的超导电缆设计思路，可实现更广用途、更大容量、更低损耗、更远距离传输。

关键词：高温超导体；电缆设计；高温超导电力应用

中图分类号：TM249.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0152-02

当今社会，中国发展进入快车道，快速的经济发展离不开电力的支撑，但我国电力负荷很不均衡，是东部地区用电量极大却能源短缺，而西部地区用电量远不如东部，但西部却有丰富的风能、水能、太阳能等自然能源，电力资源丰厚。因此对西部能源的开发利用支持中东部发展变得极为重要。国家电网在“十二五”发展计划中，提出“西电东输”方案，阐明将发展特高压交直流输电作为我们的重要使命，超导输电的发展刻不容缓。

相较于传统的高压交变电流输送，使用高温超导材料输送电能可以避免因电阻损耗、电磁阻尼等引起的能量损耗，因此将高温超导输电技术投入实际势在必行。本文将从高温超导体的原理介绍与输电特性出发，探讨高温超导体制作输电电缆的可能性，并提出一种电缆设计，最后对于我国的电力输送进行展望。

1 高温超导电缆的特性和原理介绍以及对于输电的潜力

自荷兰科学家卡麦林·昂尼斯在100年前发现超导体后，超导体的重大应用价值引起世界各国极大重视，相继投入开始高温超导体的研究。二十世纪后期，发现液氮温区的高临界温度超导体之后，高温超导材料的制备技术取得重大突破，使得长距离使用超导电缆进行输电的设想成为可能。

高温超导材料的临界参数有三个，分别是临界温度、临界磁场和临界电流。最初发现的超导材料临界温度极低，只有通过液氦进行降温才能达到，液氦的成本过高，不具有实用性。但高温超导体只需温度达到77K时就有超导的能力，在相对低廉的液氮的冷却下就可以达到目的，因而有广泛的应用意义。

综合来看，高温超导电缆存在五方面优点：（1）较低的线路耗损。经实验室研究，高温超导电缆的导体的输电耗损还不到常规铜制电缆的10%，运行中的能量消耗不足常规电缆的50%，尤其是直流输电时候，耗损达到了非常低的量级；（2）输送容量大。截面电流的输送能力是常规电缆的3到5倍；（3）过载电流大。在短时间能耐受短路电流，允许过载周期较长，系统稳定性高；（4）杂散电场和磁场少；（5）送电通道小，结构紧凑。

总体来看，超导电缆具有的低线路损耗、大截流能力和小电缆体积等优点，能够满足电压不用太高，线损却可以大大减少的长距离大容量的电能输送问题，从根本上解决“西电东输”中遇到的困难。

2 高温超导输电电缆的现状

根据超导材料特性的差异，超导电缆可以分为低温电缆和高温电缆。低温超导电缆一般才去的是NbTi/Cu或Nb3Sn/cu复合低温超导线材的实现方法，临界温度分别为9.5K和18.1K，必须在液氦温区下运行；高温超导电缆一般采用BSSCO氧化物超导材料来实现输电功能，临界温度约为110K，可以在液氮的制冷温度下运行。液氮温区的冷却系统要比液氦温区的简单，所以高温超导电缆应用前景更加广阔。

高温超导电缆的主要结构一般是由电缆本身、电缆控制终端和低温制冷周边构成。电缆内的导电的芯体、电绝缘外套和恒温低温管组成了电缆的本体部分，其中，在低温恒温管中，一般会安装由超导线或超导带绕制而成的线缆作为芯体的部分，而外部电源或用电设备通过电流引线与电缆的终端连接。常温绝缘超导电缆的绝缘层和低温绝缘超导电缆的绝缘层的位置往往不同，常温的绝缘方式一般是在恒温低温管的外界和内部的交界处设置绝缘材料。

现阶段主流的电缆设计和电缆的材料选择如图1所示。

低温区是由导体和绝缘层组成，结构非常紧凑。在导体上缠绕的是低温绝缘超导电缆的绝缘层。其中为了降低载流磁场的影响，在绝缘层外又覆盖了屏蔽层，如图2所示。

目前实用的高温超导带状材料如下，它的主要结构有四层：自上而下分别为YBCO、CeO2、YSZ、Y2O3。这种材料临界温度就在77K以上。

使用此实用的临界电流密度最高达到1000000A /cm2，此电流是在临界磁场为0T，临界温度为77K时候可以达到的。如此高的临界电流密度相当于现用输电线的得最大电流密度的100倍以上，可以实现单向的大容量直流输电，且相对来说质量和体积都较小，到直流输电时候电能损耗可以降到非常低的水平，维持液氮温度造成的能量损失也常规损耗小得多，使得输电能源消耗低，效率高。总而言之与传统输电相比，高温超导输电的主要优越性可归纳为：（1）容量大。超导输电线路的传输容量比交流输电大3～5倍，最高每线上负载的能量可以到达千万千瓦的级别，直流输电更可以到达亿千瓦的界别级别，可以非常好的完成用电高峰下的输电任务。（2）损耗低。进行交流输电时，超导电缆的電能损耗不足现所用输电电缆的1/10，而直流输电时损耗更可以忽略不计。超导电缆所需的冷却系统带来的损耗，在较远距离、大容量送电的情况下，输电时总损耗是可以降低至使用一般电缆消耗的1/4到1/2。有数据表明，当1000公里长的电缆的输电功率在500万千瓦时的时候，总功耗可以控制在在2%到3%之间，明显小于用一般电缆的功耗。

3 现有的输电电缆设计及其存在的局限性

目前也有多种关于高温超导输电缆的设计，但以目前实际来看难以用包管试的方法生产YBCO带材，圆形的输电线路生产技术难度高，暂无法用于西电东输似的超长距离的输电。而如果将导线设计为扁状则可显著降低生产难度，更加符合目前技术状况，或许可以在西电东输中使用。

4 对于长距离直线输电和转弯部分电缆的设计和构想

下面是我对于该电缆高温超导材料部分的初步设想：整个电缆由许多单位共同串联组成，作为电缆导线的核心。图中中间灰色部分为一个个扁带状的YBCO高温超导材料。四周的白色部分为屏蔽层，同时也做输电作用（只需在核心的外层使用），为了提高材料的利用可将材料堆积成正六边形或正十二边形等等，趋近于圆。一排排孔槽可由激光扫射加工制出（必须足够光滑整齐），将相同对称的屏蔽层板完全对称重合中间形成的孔洞。两个屏蔽层之间所形成的孔洞中灌入液氮冷却。使之温度降到临界温度以下，从而达到超导的条件。

因为灌输液氮的孔径小，液氮的流动成为问题，所以建议在海拔不同，有相对高度差的地方采用，而我国东西四大阶梯独特的地形拥有高地势差的条件，恰好满足这一特殊要求。采用这种设计可以充分利用地势差的能量，为了使液氮流动更加顺畅，还可以在电缆始端使用高塔进一步加大压强，使流速更快，在一些中转站同样可以采取一些方式促进流速，使电缆温度可以保持恒定低温。

考虑到超低温下材料的物理性质的改变，尤其是采用此方法，不能使其自然弯曲，可以专门生产转弯时的弯角设计如图3所示。

需要指出的是，在生产时必须使材料间堆积极为密切，以保证电流的通路和冷却效果的充分实现。

对于液氮的回收利用则在一个个中转站进行，每隔较长距离后的中转站接受上一个中转站流过来的液氮重新压缩冷却后灌入下一节管道之中，最终全部汇集到东部地区的最末接收站之中，运用于其他事项或转运回西部地区的发电厂。从长远看最好是在发电厂周围建一个冷凝站通过液化空气同时制液氮和纯氧，氧气还可以用于医疗等行业，为西部提高医疗等方面做奠基。

在材料做好后在外层分别包上真空与特级绝热材料、高温超导屏蔽带、电绝缘和绝缘护套成电缆。

5 结语

此设计可以尽可能的降低所需的技术难度，尽早的可以投入实际运用，同时对各部分能源都得到充分利用。可以用于西电东输，将西部充分的风能资源利用起来，通过设计的长距离直线高温超导材料输电电缆将宝贵的电能输送到东部，以缓解中国电能的能源问题。节能，不足需要改进（比如在堆叠的YBCO高温超材料之间，并未找出合适的足够薄的材料进行隔绝，也想不出弯角部分如何与直线部分如何完美对接）。

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