摘要： 高溫超導(dǎo)(HTS)電纜具有低損耗、大容量、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是智能電網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)之一，已在電力系統(tǒng)中已受到越來越多的關(guān)注。筆者介紹了HTS 電纜的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及性能優(yōu)勢，闡述了HTS 電纜在國內(nèi)外的研發(fā)概況，指出了HTS 電纜的未來重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域

摘要： 高溫超導(dǎo)(HTS)電纜具有低損耗、大容量、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是智能電網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)之一，已在電力系統(tǒng)中已受到越來越多的關(guān)注。筆者介紹了HTS 電纜的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及性能優(yōu)勢，闡述了HTS 電纜在國內(nèi)外的研發(fā)概況，指出了HTS 電纜的未來重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，指出了HTS 電纜在智能電網(wǎng)中應(yīng)用尚需解決的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性及工程適用性等方面的問題。

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展， 人們對電能的需求量日益增長，使得電力系統(tǒng)各部分電氣緊密連接，電力系統(tǒng)向更大規(guī)模方向發(fā)展， 對電能品質(zhì)和供電可靠性提出更高要求， 對電氣設(shè)備的環(huán)保要求和節(jié)能要求更嚴(yán)格。由于中國電力資源和負(fù)荷分布不均，使得長距離輸電成為必然。而電能在傳輸中的損耗成為急需解決的突出問題。據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)電線或電纜受銅、鋁等基本導(dǎo)電材料電導(dǎo)率限制，2007 年中國在輸變電過程中的損耗大約為7.5%(其中線路損耗約占70%左右)。為減少電能輸變電過程中的損失，亟需采用新型輸電方式來實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型電能輸送。作為智能電網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)之一， 高溫超導(dǎo)(high temperature superconducting，HTS) 電纜采用具有很

高傳輸電流密度的高溫超導(dǎo)材料作為導(dǎo)體， 其諸多優(yōu)點(diǎn)已在電力工業(yè)中引起了越來越多的關(guān)注。隨著電網(wǎng)智化發(fā)展趨勢越來越明顯，HTS 電纜的應(yīng)用前景也越來越被看好[1-2]。

筆者旨在介紹HTS 電纜的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及優(yōu)越性， 闡述HTS 電纜在國內(nèi)外的研發(fā)及應(yīng)用情況。在此基礎(chǔ)上，探討HTS 電纜在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用前景。

1 HTS 電纜的結(jié)構(gòu)及分類

1.1 HTS 電纜結(jié)構(gòu)

HTS 電纜的結(jié)構(gòu)與常規(guī)電纜有較大的差異，主要由電纜本體、終端以及低溫冷卻系統(tǒng)組成。

1)電纜本體。HTS 電纜本體包括電纜芯、電絕緣和低溫容器。電纜芯是由繞在不銹鋼波紋管骨架上的導(dǎo)體層組成，裝在維持液氮溫度的低溫容器中，低溫容器兩端與終端相連。電纜芯導(dǎo)體層的高溫超導(dǎo)帶材在終端通過電流引線與外部電源或負(fù)載相連接。電纜芯的導(dǎo)體層是由多層高溫超導(dǎo)帶材在骨架上繞成。導(dǎo)體層間纏繞絕緣帶，以降低電纜因電磁耦合引起的交流損耗。低溫容器是具有高真空和超級絕熱的雙不銹鋼波紋管結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)保證了HTS電纜的可柔性和保持夾層高真空度[1, 3]。

對于冷絕緣HTS 電纜，其電絕緣包在導(dǎo)體層外側(cè)，與導(dǎo)體層同處低溫環(huán)境中，其結(jié)構(gòu)見圖1。對于熱絕緣HTS 電纜， 其電絕緣處在低溫容器外側(cè)，在絕緣層外再加電纜保護(hù)層，其結(jié)構(gòu)見圖2。

2)電纜終端。終端是HTS 電纜與外部電氣部件的連接端口， 也是電纜低溫部分與外部室溫的過渡段，其結(jié)構(gòu)見圖3。終端要求有很好的熱絕緣，以保證超導(dǎo)電纜整體熱損耗最小。同時，由于超導(dǎo)電纜本體在一定的電壓下運(yùn)行， 因此也要求終端有相應(yīng)的絕緣水平[4-6]。

3)低溫冷卻系統(tǒng)。目前HTS 電纜普遍采用Bi2223超導(dǎo)帶材作為電纜的導(dǎo)體層， 低溫技術(shù)為超導(dǎo)應(yīng)用提供最基本的低溫運(yùn)行條件， 因此冷卻系統(tǒng)是超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的一個重要部分。目前普遍采用液氮作為冷卻介質(zhì)， 因?yàn)榈跇?biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)是77 K，低于Bi2223 的臨界溫度110 K， 氮的液化技術(shù)成熟、價格低廉，同時由于氮是空氣的主要成分，氮?dú)獾男孤┎粫憝h(huán)境問題。

HTS 電纜的液氮冷卻基本原理是利用過冷液氮的顯熱，將HTS 電纜產(chǎn)生的熱量帶到冷卻裝置，通過液氮冷卻裝置冷卻后，再將過冷液氮送到HTS 電纜中去，形成液氮在閉合回路的循環(huán)過程。冷卻裝置可以采用各種不同制冷方式，如常壓液氮沸騰制冷、減壓降溫制冷、低溫制冷機(jī)(如小型G-M 制冷機(jī)、斯特林制冷機(jī)、逆布雷頓循環(huán)制冷機(jī)等)制冷等[1, 4]。

1.2 HTS 電纜分類

可以從以下幾個方面對HTS 電纜進(jìn)行分類：

1)按傳輸電流方式可分為直流和交流電纜;

2)按電氣絕緣材料運(yùn)行溫度的不同可分為熱絕緣HTS 電纜與冷絕緣HTS 電纜，其結(jié)構(gòu)見圖1、2;

3)按電纜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可分為單芯電纜、三芯平行(3 根絕緣線芯軸向平行安置)電纜和三芯同軸電纜。

2 HTS 電纜及超導(dǎo)帶材的性能及特點(diǎn)

2.1 HTS 電纜超導(dǎo)帶材性能

2.1.1 第1 代Bi 系高溫超導(dǎo)帶

目前HTS 電纜主要是采用銀包套Bi2223 帶材作為載流導(dǎo)體。實(shí)用Bi2223 帶材的尺寸約為(0.2~0.3)×(4~5)mm2，其臨界電流約為(70~180) A (77 K、0 T)，長度可達(dá)數(shù)百米到千米。表1 給出美國超導(dǎo)公司(ASC)生產(chǎn)的不銹鋼加強(qiáng)的Bi2223 帶材在77 K、0 T下的主要性能參數(shù)[1]。

2.1.2 第2 代釔系(YBCO)高溫超導(dǎo)帶材

由于第1 代Bi 系帶材的高成本以及它的一些性能問題如磁場下臨界電流的急劇衰減等， 使得超導(dǎo)界開始研制基于YBCO 體系的第2 代高溫超導(dǎo)帶材。

YBCO 涂層高溫超導(dǎo)材料具有更為優(yōu)異的磁場下性，是液氮溫度下運(yùn)行的更理想材料，臨界電流密度可達(dá)2×106 A/cm2 (77 K)。與臨界電流密度達(dá)到7×104 A/cm2 (77 K)的第1 代高溫超導(dǎo)材料Bi2223 長帶相比，臨界電流密度提高1 個數(shù)量級以上[7]。

目前，日本國際超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究中心(ISTEC)公司已制備出長212 m、臨界電流245 A 的第2 代帶材。美國、德國等也已制備出百米量級的YBCO帶材。

2.1.3 新型二硼化鎂(MgB2)超導(dǎo)帶材

2001 年1 月，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)變溫度為39 K 的二硼化鎂(MgB2)超導(dǎo)體。綜合制冷成本和材料成本，MgB2超導(dǎo)體在20~30 K、低磁場條件下應(yīng)用具有明顯的價格優(yōu)勢。

2.2 HTS 電纜的性能優(yōu)勢

與常規(guī)電纜相比，HTS 電纜具有以下幾個方面的優(yōu)勢[3, 8-9]。

1)損耗低。HTS 電纜的導(dǎo)體損耗不足常規(guī)電纜的1/10，加上制冷的能量損耗，其運(yùn)行總損耗也僅為常規(guī)電纜的50%~60%。

2)容量大。同樣截面的熱絕緣HTS 電纜的電流傳輸能力是常規(guī)電纜的3~5 倍，這是由低溫封套和屏蔽層的渦流損耗所決定的。冷絕緣HTS 電纜的電流傳輸能力更大一些，直流超導(dǎo)電纜的更高。

3)節(jié)約材料。由于HTS 的電流密度高，在同樣傳輸能力下，與常規(guī)電纜相比，HTS 電纜使用較少的金屬和絕緣材料。2001 年在美國底特律Edison 變電站投運(yùn)的120 m 電纜比原替代電纜直徑減少66%，總質(zhì)量由8 170 kg 減少到110 kg。

4)無污染。HTS 電纜不會造成環(huán)境污染，而常規(guī)充油電纜存在著漏油而造成污染環(huán)境的缺點(diǎn)。此外，HTS 電纜具有無電磁污染、低噪音等特性。丹麥NKT 公司測算出的4 km、450 MW、132 kVHTS 電纜與常規(guī)交聯(lián)聚乙烯(XLPE-Al)電纜的比較見表2。表3 給出文[10]對HTS、LTS(低溫超導(dǎo))及常規(guī)電纜的比較， 可以看出HTS 電纜的尺寸最小，運(yùn)行費(fèi)用也是最低的。

3 HTS 電纜的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 HTS 電纜的研發(fā)及初步應(yīng)用

自20 世紀(jì)90 年代以來，美國、日本、丹麥、中國和韓國等都相繼開展HTS 電纜的研究，先后研制出長度數(shù)十米至百米、0.8~3 kA、12.5~138 kV 超導(dǎo)電纜，進(jìn)行了額定通流、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、短路過載、耐壓和模擬地下、過河等安裝環(huán)境的性能試驗(yàn)。

3.1.1 美國HTS 電纜的研發(fā)概況

美國超導(dǎo)技術(shù)的研發(fā)一直處于世界領(lǐng)先水平。1992 年在美國能源部的支持下，Pirelli 公司北美分部開始對HTS 電纜技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)，從而使美國成為最早發(fā)展HTS 電纜技術(shù)的國家[11-12]。

1996 年美國Pirelli 電纜公司與美國超導(dǎo)公司(ASC)成功研制30 m、115 kV/2 kA 超導(dǎo)電纜模型[11]。

1999 年， 美國提出了SPI (superconductivity partnership initiative)研究計劃，該計劃的研究內(nèi)容包括超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能、超導(dǎo)限流器等項(xiàng)目的研究。1999 年底，美國南線(Southwire) 公司研制的三相30 m、12.5 kV/

1.25 kA 冷絕緣HTS 電纜并網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行， 這是世界上第一組并網(wǎng)運(yùn)行的HTS 電纜[4, 12]。

2001 年，美國底特律市Frisbie 變電站敷設(shè)了由Pirelli 電纜公司和美國超導(dǎo)公司(ASC)合作研制的三相120 m、24 kV/2.4 kA 的超導(dǎo)電纜，這是世界上第1 條正式投入商業(yè)運(yùn)行的超導(dǎo)電纜[12-13]。

2003 年8 月，美加大停電后，美國將利用超導(dǎo)電纜強(qiáng)化電網(wǎng)作為防范大面積停電的措施之一，制定了3 個更大規(guī)模的超導(dǎo)電纜應(yīng)用計劃，即Albany計劃(350 m、34.5 kV/800 A， 美國IGC 公司與日本SEI 公司合作)、Ohio 計劃(300 m、15 kV/2 kA，Southwire公司牽頭) 和LIPA 計劃(600 m、18 kV/2.4 kA，ASC公司與法國Nexans 公司合作)[11-12]。

2008 年4 月22 日，美國紐約長島電力局和美國超導(dǎo)公司聯(lián)合宣布，世界上第1 條HTS 電纜在商業(yè)電網(wǎng)中投入運(yùn)行。該電纜系統(tǒng)的運(yùn)行電壓為138 kV，由并行排列的3 條獨(dú)立單相HTS 電纜組成，安裝在紐約長島電力局的地輸電走廊內(nèi)， 由6 個終端裝置與紐約長島電網(wǎng)相連。該條電纜長610 m，用液氮冷卻系統(tǒng)進(jìn)行低溫冷卻。該系統(tǒng)機(jī)容量60 萬kW，屬于長島電力局電網(wǎng)的一部分，能為30 萬戶家庭供電。

伴隨著長島電力局在商業(yè)電網(wǎng)中安裝了第1 條超導(dǎo)輸電纜，紐約市啟動九頭蛇計劃(project hydra)，其主要內(nèi)容是2010 年啟動的曼哈頓電網(wǎng)升級改造，應(yīng)用美國超導(dǎo)公司(ASC)開發(fā)的液氮冷卻系統(tǒng)和超導(dǎo)電纜，以提高紐約電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

3.1.2 日本HTS 電纜的研發(fā)概況

日本HTS 電纜研發(fā)工作主要集中在低損耗HTS 線材及電纜結(jié)構(gòu)、低溫電氣絕緣、熱絕緣、制冷系統(tǒng)、終端和接頭技術(shù)等方面[4, 12]。

1995 年，東京電力公司(TEPCO)研制出長7 m、66 kV/2 kA 的三相交流HTS 電纜。2002 年住友電氣和東京電力公司合作完成了一組三相100 m、66 kV/1 kA， 三芯平行軸電纜系統(tǒng)并在東京電力實(shí)驗(yàn)場完成了通電、負(fù)荷變動和耐壓等試驗(yàn)。2004 年，F(xiàn)urukawa 和電力工業(yè)中心研究所等研制出長500 m、77 kV/1 kA 單相HTS 電纜并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

3.1.3 中國HTS 電纜的研發(fā)概況

中國從20 世紀(jì)90 年代開始研制HTS 電纜。1998 年7 月，中國科學(xué)院電工研究所和西北有色金

屬研究院、北京有色金屬研究院合作成功研制出長1 m、1 kA 的直流HTS 模型電纜;2000 年12 月，成功研制出長6 m、2 kA 的直流HTS 模型電纜。2004年4 月， 北京云電英納超導(dǎo)電纜公司成功研制出中國第1 組實(shí)用HTS 電纜在云南普吉并網(wǎng)運(yùn)行，為三相33.5 m、35 kV/2 kA、熱絕緣、Bi 系HTS 電纜，這也是世界上第3 組并網(wǎng)運(yùn)行的HTS 電纜。2004 年，中國科學(xué)院電工研究所與甘肅長通電纜公司等合作成功研制75 m、10.5 kV/1.5 kA 三相室溫絕緣、Bi 系HTS 電纜，并在甘肅投運(yùn)[12, 14]。

3.1.4 其他國家HTS 電纜的研發(fā)概況

丹麥NKT 公司研制的三相30 m、36 kV/2 kA熱絕緣HTS 電纜于2001 年5 月在哥本哈根郊區(qū)的Amager 變電站掛網(wǎng)運(yùn)行，這是世界上第2 組并網(wǎng)運(yùn)行的HTS 電纜[4]。

德國Siemens 公司技術(shù)部和能源輸送部合作，于1996 年3 月開始試制第一個10 m 電纜樣品，之后研制了多個超導(dǎo)電纜樣品。為了400 MV·A 超導(dǎo)電纜研制和超導(dǎo)電纜工業(yè)化生產(chǎn)的前期驗(yàn)證的需要，又制造了一條50 m 長單芯電纜導(dǎo)體。

韓國于2001 年制定了超導(dǎo)技術(shù)電力應(yīng)用的10年規(guī)劃(DAPAS)。2004 年，韓國KERI-LG 公司研制了三相30 m、22.9 kV/1.25 kA 超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，2006年完成了100 m、154 kV/1.9 kA 的HTS 電纜系統(tǒng)[15]。

3.2 HTS 電纜的未來重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域

HTS 電纜具有高電流密度( 比常規(guī)電纜約高2 個數(shù)量級)和低損耗(包括冷卻系統(tǒng)損耗，約小于常規(guī)電纜的50%)優(yōu)點(diǎn)，因此它在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景[1, 4]。

1)城市地下輸電電纜。大城市一般建筑密集，高壓架空輸電線難以深入到負(fù)荷中心， 一般通過地下輸電電纜來輸送電能。隨著城市不斷發(fā)展和負(fù)荷增加，許多城市已有的地下輸電電纜容量已達(dá)飽和，若采用HTS 電纜替換原有的常規(guī)電纜， 在現(xiàn)有城市地下電纜溝容積不變的情況下， 即可將輸電容量提高3~5 倍，因而是解決提高城市輸電功率的有效辦法。

2)發(fā)電廠和變電站的大電流母線。目前，發(fā)電廠和變電站的大電流母線都采用常規(guī)導(dǎo)體做母排，由于電流大，因此焦耳熱損耗很大。若采用HTS 電纜做大電流母線，不僅可以大大減少損耗，而且還可降低母線占用空間。

3)金屬冶煉工業(yè)的大電流母線。冶煉工業(yè)(如煉鋁工業(yè))耗電量非常大，常采用低電壓大直流電流供電，電源與電解槽之間距離不長，但電流很大，達(dá)幾萬甚至十幾萬安，母排損耗非常大。若采用HTS 直流電纜，由于其電阻幾乎為零，同時電流密度比常規(guī)電纜約大2 個數(shù)量級，因此可大大降低電能損耗。

4)分布式電源的電能傳輸。由于分布式電源(太陽能、風(fēng)能等)的不穩(wěn)定特性，系統(tǒng)需要在任何時候都能夠提供所需要的能量和消耗過剩的能量。HTS電纜和超導(dǎo)磁儲能(SMES)的綜合應(yīng)用能夠使電網(wǎng)更為堅強(qiáng)，有助于實(shí)現(xiàn)與相鄰電網(wǎng)的電能交換。

4 HTS 電纜在智能電網(wǎng)中應(yīng)用尚需解決的問題

目前，HTS 電纜技術(shù)整體仍處于研發(fā)、試驗(yàn)和示范的階段，在電纜性能和經(jīng)濟(jì)性上均有待突破。從技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性、工程實(shí)用性等方面看，尚不能滿足遠(yuǎn)距離、超大容量輸電應(yīng)用要求[2,16]。

4.1 技術(shù)性能方面

1)HTS 電纜長度有限。由于受HTS 線材產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力限制，要將HTS 電纜應(yīng)用于長距離、大容量輸電，必須解決HTS 電纜單元之間的連接技術(shù)問題，即實(shí)現(xiàn)HTS 電纜接頭處的低電阻、大載流和高絕緣強(qiáng)度。然而目前這方面的研究甚少。

2)絕緣材料自身和液氮低溫(77 K)條件下絕緣技術(shù)限制。目前HTS 電纜的電壓等級最大為138 kV，最大輸送功率57.4 萬kW。如何提高絕緣等級和傳輸容量是研究熱點(diǎn)和難題之一。

3)額定電流限制。在額定傳輸電流的選擇上，雖然低電壓等級、高功率傳輸是超導(dǎo)電纜的技術(shù)優(yōu)勢，但交流傳輸時會產(chǎn)生磁滯損耗，Bi 系超導(dǎo)電纜傳輸3 kA 電流時其損耗與系統(tǒng)漏熱相當(dāng)(約1.5 W/m)，若進(jìn)一步增大容量需提高制冷系統(tǒng)的性能。要研制出實(shí)用化的大容量超導(dǎo)電纜， 需研發(fā)損耗更低的超導(dǎo)線材。

4.2 經(jīng)濟(jì)性方面

目前HTS 材料的價格很高，高于常規(guī)材料近十倍，加之日常必需的低溫運(yùn)行、維護(hù)等因素，在一定程度上限定了HTS 電纜的制造和運(yùn)行成本。因此，經(jīng)濟(jì)性成為HTS 電纜技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣無法回避的障礙之一。

2008 年美國紐約長島電力局(LIPA)和美國超導(dǎo)公司(ASC)聯(lián)合研制的世界上第一條在商業(yè)電網(wǎng)中運(yùn)行的610 m、138 kV HTS 電纜，其研發(fā)費(fèi)用高達(dá)1 800 萬美元;2004 年北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司完成的中國第一根并網(wǎng)運(yùn)行的33.5 m、35 kVHTS 電纜，其研發(fā)費(fèi)用約3 000 萬元。

文[17]對132 kV/3 kA 超導(dǎo)電纜和138 kV/1.04 kAXLPE 電纜進(jìn)行了生命周期費(fèi)用比較。結(jié)果表明，隨著超導(dǎo)電纜相關(guān)部件價格的降低和性能的提高，其生命周期費(fèi)用將會逐漸降低，并在將來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用，但目前只能應(yīng)用于某些特殊的場合。

4.3 工程實(shí)用性方面

1)低損耗、高載流超導(dǎo)線材、大容量電流引線、絕緣絕熱技術(shù)、低溫制冷、在線監(jiān)測與控制保護(hù)、與現(xiàn)有電網(wǎng)的匹配協(xié)調(diào)運(yùn)行等問題還有待深入研究和完善。

2)HTS 電纜應(yīng)用于遠(yuǎn)距離輸電，在地形復(fù)雜、環(huán)境多變的工況條件下，如何進(jìn)行HTS 電纜輸電線路的設(shè)計、規(guī)劃、施工、運(yùn)行、監(jiān)測、保護(hù)等，目前國內(nèi)外尚無經(jīng)驗(yàn)可循。

3)對電纜的設(shè)計方法、實(shí)際結(jié)構(gòu)、整體性能、可靠性和安全性的評估必須基于電纜的長期實(shí)際運(yùn)行，積累現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得科學(xué)的分析和判斷，以確保電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、高效、智能運(yùn)行。

5 結(jié)語

高溫超導(dǎo)電纜具有低損耗、大容量、無污染等常規(guī)電纜無法比擬的優(yōu)點(diǎn)， 是實(shí)現(xiàn)低損耗、高效率、大容量輸電的有效途徑。然而，在遠(yuǎn)距離、超大容量輸電應(yīng)用時，在技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性及工程實(shí)用性等方面仍存在很多問題尚需解決。作為智能電網(wǎng)的高級輸電技術(shù)，隨著技術(shù)水平的不斷提高，HTS 電纜近似為零的電阻損耗、無阻的承載大電流密度、無環(huán)境污染等諸多性能優(yōu)勢決定了在未來智能電網(wǎng)中得到大規(guī)模應(yīng)用的可能行。

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