文/王怡瑤 上海電纜廠有限公司 (200093)

一、引言

1911 年，荷蘭科學(xué)家Kamerlingh Onnes發(fā)現(xiàn)汞在低溫下具有“零”電阻的“超導(dǎo)電性”，接著又發(fā)現(xiàn)了其他一些金屬也有類似的現(xiàn)象，從而使人類開(kāi)創(chuàng)了超導(dǎo)物理的嶄新領(lǐng)域。超導(dǎo)材料的性質(zhì)可由三個(gè)基本參量來(lái)表征，即臨界溫度Tc、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc 和臨界電流Jc，三者的關(guān)系如圖1所示。

Onnes

圖1 超導(dǎo)材料的臨界參數(shù)

二、超導(dǎo)材料

超導(dǎo)體只有在處于其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)才具有超導(dǎo)特性。1986年以前，超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度都很低，一般需在昂貴的液氦(氣化溫度為4.2 K，-269.3℃)環(huán)境中工作，故稱為低溫超導(dǎo)體。由于液氦制冷的費(fèi)用昂貴且不方便，低溫超導(dǎo)體的應(yīng)用長(zhǎng)期以來(lái)得不到大規(guī)模發(fā)展。1986 年4月，瑞士IBM 實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者Bednorz J G 和Muller K A 發(fā)現(xiàn)了La-Ba-Cu-O氧化物具有超導(dǎo)電性，其超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變溫度高于液氮溫度（Tc=34K）。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在全世界物理界引起極大的震動(dòng), 并立即在世界范圍內(nèi)掀起探索、研究高溫超導(dǎo)體的熱潮，隨后，美國(guó)、中國(guó)等物理學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變溫度高于液氮溫區(qū)的超導(dǎo)體，詳見(jiàn)圖2。至此開(kāi)創(chuàng)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的新時(shí)代，使超導(dǎo)技術(shù)又邁上了一個(gè)新臺(tái)階。由于液氮的價(jià)格和液氦相比是很低的（液氦價(jià)格為人民幣50～80元／L，而液氮為0.6～1.0元／L），能為工業(yè)用戶所接受，這樣就為超導(dǎo)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供了不可或缺的前提。人們把這些銅基氧化物超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)體。

圖2 各種超導(dǎo)體的臨界溫度及其被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間

銅基氧化物超導(dǎo)體是一種陶瓷材料，其機(jī)械性能比較脆硬，本身是無(wú)法制成導(dǎo)線的。目前使用的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線是將一種Bi系銅基氧化物超導(dǎo)體的粉末放在銀或銀合金管里經(jīng)多次拉伸和擠壓，再經(jīng)過(guò)熱處理所得到的。Bi系超導(dǎo)導(dǎo)線通過(guò)電流的能力是銅導(dǎo)線的100倍以上。現(xiàn)在人們把這種Bi系超導(dǎo)導(dǎo)線叫做第l代高溫超導(dǎo)導(dǎo)線。第2代高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的研究開(kāi)發(fā)正處于迅速發(fā)展之中，它是把稀土l 23系銅基氧化物超導(dǎo)體涂在鎳或鎳合金的基帶上。第2代高溫超導(dǎo)導(dǎo)線載流能力更強(qiáng)，在磁場(chǎng)下的性能也比第1代高溫超導(dǎo)導(dǎo)線優(yōu)越，目前已研究出了載流量達(dá)商業(yè)水平的第一根原型電力電纜。

三、高溫超導(dǎo)電纜的分類和結(jié)構(gòu)

1.高溫超導(dǎo)電纜的分類

超導(dǎo)材料的零電阻特性使其成為電流傳輸?shù)睦硐雽?dǎo)體。使用高溫超導(dǎo)材料作為導(dǎo)體傳輸電流的電力電纜被稱為高溫超導(dǎo)電纜。

高溫超導(dǎo)電纜按傳輸電力的形式，可分為交流和直流兩種，目前，這兩種電纜基本采用相同的結(jié)構(gòu)。不過(guò)與高溫超導(dǎo)交流電纜相比，當(dāng)工作在臨界電流以下時(shí)，高溫超導(dǎo)直流電纜幾乎沒(méi)有導(dǎo)體損耗和無(wú)功消耗。但是，當(dāng)高溫超導(dǎo)直流電纜的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起與電流變化率成正比的損耗。

高溫超導(dǎo)電纜按電氣絕緣結(jié)構(gòu)分類，可分為WD熱絕緣（Warm dielectric）和CD冷絕緣（Cold dielectric）兩類，當(dāng)高溫超導(dǎo)電纜的電絕緣層置于熱絕緣層外面時(shí)，因其處于環(huán)境溫度下，故習(xí)慣上稱為常溫絕緣超導(dǎo)電纜（或熱絕緣超導(dǎo)電纜），常溫絕緣超導(dǎo)電纜的電絕緣層是由常規(guī)電纜絕緣材料（高分子材料）制成。當(dāng)高溫超導(dǎo)電纜的電絕緣層置于熱絕緣層里面，電纜運(yùn)行狀態(tài)時(shí)是處于低溫環(huán)境的，則被稱為冷絕緣超導(dǎo)電纜，這類電纜的電絕緣層需要用適合于低溫環(huán)境的電氣絕緣材料制造。

高溫超導(dǎo)電纜還可按常規(guī)電力電纜的分類方法，分為單相電纜和三相電纜。

2.高溫超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)

(1) WD絕緣高溫超導(dǎo)電纜

WD高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)體內(nèi)通常用罩有密致金屬網(wǎng)的皺紋不銹鋼管進(jìn)行支撐，同時(shí)也用作液氮冷卻循環(huán)管道。在皺紋不銹鋼管外的不銹鋼網(wǎng)套上包繞鉍系高溫超導(dǎo)帶材作為導(dǎo)體，導(dǎo)體外部有以超級(jí)熱絕緣為主要絕熱材料的絕熱管，通常由同軸雙層金屬波紋管套制而成，其功能是使電纜超導(dǎo)導(dǎo)體與外部環(huán)境實(shí)現(xiàn)熱絕緣。絕熱管外電纜的結(jié)構(gòu)為常規(guī)電纜結(jié)構(gòu)，包括絕緣層、內(nèi)外半導(dǎo)電屏蔽層、金屬屏蔽及護(hù)套等，如圖3所示。

圖3 WD絕緣高溫超導(dǎo)電纜

由于WD高溫超導(dǎo)電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)鄰相高溫超導(dǎo)電纜的金屬層產(chǎn)生附加的渦流損耗，所以WD高溫超導(dǎo)電纜一般適用于中等傳輸容量的輸配電電纜，以高分子材料為絕緣的WD高溫超導(dǎo)電纜宜采用單芯結(jié)構(gòu)。

(2) CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜

CD高溫超導(dǎo)電纜導(dǎo)體最內(nèi)部為常規(guī)導(dǎo)體支撐，其上繞包高溫超導(dǎo)帶作為導(dǎo)體，再在導(dǎo)體上繞包導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽和高溫超導(dǎo)帶屏蔽層，然后是三芯成纜，熱絕緣采用雙層皺紋SUS不銹鋼管，內(nèi)部采用多層鍍膜高真空超級(jí)熱絕緣，最后是塑料外保護(hù)層，如圖4所示。

圖4 CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜

高溫超導(dǎo)電纜運(yùn)行時(shí)，處于超導(dǎo)狀態(tài)的高溫超導(dǎo)帶屏蔽層也有感應(yīng)電流通過(guò)，其值與超導(dǎo)電纜導(dǎo)體電流相同，電流方向相反，因而CD高溫超導(dǎo)電纜每相電纜的外磁場(chǎng)幾乎為零，不對(duì)鄰相高溫超導(dǎo)電纜產(chǎn)生磁場(chǎng)影響，因而不會(huì)對(duì)鄰相高溫超導(dǎo)電纜的金屬層產(chǎn)生附加的渦流損耗，同時(shí)可避免由于外界垂直磁場(chǎng)的存在，促使超導(dǎo)導(dǎo)體臨界電流的退化，導(dǎo)致降低超導(dǎo)電纜傳輸電流的情況發(fā)生。CD高溫超導(dǎo)電纜適用于大容量高溫超導(dǎo)電纜的應(yīng)用。

作為CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜的絕緣介質(zhì)，在液氮下應(yīng)具有良好的電氣性能和一定的機(jī)械性能，具有較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、局部放電起始電壓、沖擊擊穿電壓以及較低的介質(zhì)損耗。PPLP高壓電纜絕緣紙是由兩層纖維紙和一層聚丙烯復(fù)合而成，兼顧了纖維紙的優(yōu)良物理機(jī)械性能和塑料的優(yōu)良電氣性能，在20世紀(jì)80年代開(kāi)始，作為110～500kV自容式充油紙絕緣電力電纜的絕緣得到廣泛應(yīng)用。試驗(yàn)表明PPLP還具有良好的液氮浸漬性能，在液氮浸漬下不會(huì)開(kāi)裂，并保持良好的機(jī)械物理性能，因此液氮浸漬PPLP絕緣是制造CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜首選的絕緣結(jié)構(gòu)。如圖5所示，當(dāng)液氮壓力能夠維持在0.5～0.6 MPa以上時(shí)，PPLP和液氮混合物的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)處于較好水平。

圖5 PPLP的壓力-擊穿場(chǎng)強(qiáng)曲線

3.制冷系統(tǒng)

超導(dǎo)電纜需要低溫的工作環(huán)境，所以必須配備相應(yīng)的制冷系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)通常由制冷機(jī)組、液氮泵、絕熱管道、水冷卻裝置和液氮儲(chǔ)罐等部分組成，如圖6所示。

圖6 昆明普吉變電站HTS電纜低溫制冷

4.電纜終端

電纜終端是超導(dǎo)電纜和外部其他電氣設(shè)備之間相互連接的端口，也是電纜冷卻介質(zhì)和制冷設(shè)備的連接端口。除類似于常規(guī)電纜終端擔(dān)負(fù)電氣安全連通的作用之外，還要保證實(shí)現(xiàn)溫度的過(guò)渡。終端的結(jié)構(gòu)和電纜的結(jié)構(gòu)相配套，WD絕緣超導(dǎo)電纜與CD絕緣超導(dǎo)電纜的終端在結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別。

CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜終端電氣絕緣性能要求與相同電壓等級(jí)的常規(guī)電纜終端相同，但其導(dǎo)體、內(nèi)絕緣、外絕緣瓷套及結(jié)構(gòu)容器均需要在較高的液氮壓力下運(yùn)行。液氮通過(guò)終端在高溫超導(dǎo)電纜絕熱套內(nèi)循環(huán)流通，其結(jié)構(gòu)容器要求耐受高壓力且要求良好的絕熱性能。

四、高溫超導(dǎo)電纜的進(jìn)展?fàn)顩r

高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)的發(fā)展已有二十多年的歷史，參與高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)研究的國(guó)家主要有美國(guó)、日本、丹麥、德國(guó)、中國(guó)和韓國(guó)等國(guó)家。

美國(guó)于20世紀(jì)90年代初即由能源部與電纜制造公司和電力企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行高溫超導(dǎo)電纜研制和接入電網(wǎng)的試運(yùn)行；日本參與高溫超導(dǎo)電纜研究開(kāi)發(fā)的電線電纜制造企業(yè)包括古河、住友、藤倉(cāng)和日立公司，電力企業(yè)包括關(guān)西、東京和中部電力公司以及日本中央電力工業(yè)研究所和日本電氣學(xué)會(huì)；此外法國(guó)Nexans公司、德國(guó)西門(mén)子公司、丹麥北歐電纜公司等與電力企業(yè)均投入力量進(jìn)行高溫超導(dǎo)電纜的研究開(kāi)發(fā)；在中國(guó)，已有云電英納超導(dǎo)電纜有限公司及北京電工所等相關(guān)單位對(duì)WD絕緣高溫超導(dǎo)電纜進(jìn)行了研究并取得了很好的進(jìn)展。近年以來(lái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)試運(yùn)行或試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)的示范性工程主要如下:

(1) 2000年2月美國(guó)Southwire公司研制的長(zhǎng)30 m、12.4 kV、1250A冷絕緣超導(dǎo)電纜成功地并網(wǎng)運(yùn)行，如圖7所示。

圖7 Southwire/Carrolton 30-m HTS Cable

(2) 2001年5月實(shí)現(xiàn)了在底特律福瑞斯比變電站地下鋪設(shè)長(zhǎng)360余m的超導(dǎo)電纜，這是世界上第一條實(shí)用的超導(dǎo)輸電線路。當(dāng)時(shí)令世界震撼的是，這個(gè)線路以含有鉍、鍶、鈣、銅的氧化物超導(dǎo)陶瓷制造的123kg重的超導(dǎo)導(dǎo)線取代了原有的9條8100kg電纜中的銅導(dǎo)線。

(3) 2004年7月10日，北京云電英納超導(dǎo)電纜公司研制的長(zhǎng)度為33.5m，35kV、2kA的分相交流高溫超導(dǎo)電纜在云南昆明普光變電站正式并網(wǎng)。如圖8所示，這是世界上第三條并網(wǎng)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)電纜線路。

圖8 云南昆明普吉變電站HTS電纜

(4) 2006年7月20日，安裝于美國(guó)國(guó)家電網(wǎng)紐約洲阿巴尼市的高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)示范項(xiàng)目中總長(zhǎng)350m的超導(dǎo)電纜與地下電網(wǎng)并網(wǎng)正式通電運(yùn)行。

(5) 2007年4月7日，美國(guó)超導(dǎo)公司成功演示了世界上第一根同比例的高溫超導(dǎo)消磁電纜。該線纜總長(zhǎng)度43.3m，能夠輸送4100A電流，電壓可以小于0.5V，或比銅導(dǎo)線低1000倍，達(dá)到了艦艇用常規(guī)銅消磁導(dǎo)線的一般水平，其重量?jī)H為普通銅導(dǎo)線消磁電纜的20%。由此，它不僅減輕了電力系統(tǒng)的重量，也減少了安裝成本。

在我國(guó)，已對(duì)室溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜進(jìn)行了研究并取得了很好的進(jìn)展。上海電纜研究所、上海電纜廠有限公司、上海交大等單位合作研制30m低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)(含電纜、終端和低溫系統(tǒng))，超導(dǎo)電纜的額定電壓為110kV，額定傳輸電流為2000A。目前已完成樣品的試制工作，相關(guān)的試驗(yàn)研究在進(jìn)行中并取得進(jìn)展。

五、高溫超導(dǎo)電纜的應(yīng)用

1.高溫超導(dǎo)電纜的性能

高溫超導(dǎo)電纜是采用無(wú)阻和具有高電流密度的超導(dǎo)材料作為其載流導(dǎo)體。當(dāng)超導(dǎo)體處在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其直流電阻可視為零，因此電纜本體的焦耳損耗幾乎為零。在交流運(yùn)行狀態(tài)下，超導(dǎo)電纜雖然會(huì)產(chǎn)生交流損耗，但只要電纜長(zhǎng)度超過(guò)一定值后，電纜的交流損耗和低溫冷卻所需的電能消耗仍將比常規(guī)電纜低約50%左右。計(jì)算表明，同等尺寸的超導(dǎo)電纜的輸送容量將比常規(guī)銅電纜高3～5倍。

因此，與常規(guī)電纜相比，超導(dǎo)電纜具有載流能力大、損耗低、體積小和電磁污染少的優(yōu)點(diǎn)，是解決大容量、低損耗輸電的重要途徑之一；其在電網(wǎng)干線及輸電瓶頸線路的應(yīng)用將有利于提高電網(wǎng)的安全性和可靠性；其使長(zhǎng)距離、大容量的電力輸送變得更容易和更經(jīng)濟(jì)。

美國(guó)紐約長(zhǎng)島電力局與美國(guó)超導(dǎo)公司聯(lián)合建設(shè)的世界上第一條高溫超導(dǎo)電纜已于2008年4月22日投入商業(yè)運(yùn)行。這一在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠滿足30萬(wàn)戶家庭用電需求的超導(dǎo)輸電系統(tǒng)，僅由三根138kV的電纜組成。相比同樣粗細(xì)的銅導(dǎo)線，其輸電能力高達(dá)150倍，輸電纜溝的寬度僅為1m左右。其另一優(yōu)點(diǎn)是這種電纜能夠防止由電網(wǎng)短路造成的故障電流。超導(dǎo)體有一種天生的電流限制能力，一旦電流增強(qiáng)到一定程度，它們就會(huì)失去超導(dǎo)性而變得像普通導(dǎo)體一樣有電阻，使電流衰減。

因此，高溫超導(dǎo)電纜輸電無(wú)需高壓，可將輸電損耗、電磁污染、占用纜溝寬度降至最低，真正代表了世界最先進(jìn)的技術(shù)方向。

2.高溫超導(dǎo)電纜的市場(chǎng)需求

目前，世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力已成為當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，而人類在享受現(xiàn)代文明的同時(shí)，卻面臨著日益嚴(yán)重的能源危機(jī)。一方面能源供應(yīng)越來(lái)越緊張，另一方面電能又大量浪費(fèi)在輸電過(guò)程中。

目前我國(guó)發(fā)電能源結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)以煤電和水電為主的狀況，兩者加起來(lái)占總裝機(jī)容量的97.11%。水力資源和煤炭資源大多集中在西南和陜西、山西、蒙西這“三西”地區(qū)，而電力負(fù)荷中大約占60%的負(fù)荷位于東部、南部沿海地區(qū)，特別是京津唐、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲這三大負(fù)荷受端地區(qū)，因此我國(guó)將長(zhǎng)時(shí)間維持“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的格局。預(yù)計(jì)到2020年西電東送的容量達(dá)1億kW左右，送電距離最長(zhǎng)達(dá)2100km，對(duì)線路走廊和環(huán)保均提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

同時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)公司目前正在推進(jìn)“一特四大”的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，即以大型能源基地為依托，建設(shè)由1000kW交流和±800kV直流構(gòu)成的特高壓電網(wǎng)，形成電力“高速公路”，促進(jìn)大煤電、大火電、大核電、大型可再生能源基地的集約化開(kāi)發(fā)，在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。

我國(guó)電力裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)，截至2009年底，全國(guó)電力裝機(jī)總?cè)萘坷塾?jì)達(dá)8.74億kW，同比增長(zhǎng)10.23%；2009年全國(guó)全社會(huì)用電量達(dá)3.64萬(wàn)億kW·h時(shí)，同比增長(zhǎng)5.96%，如果按照輸電損耗率約為8%～9%計(jì)算，這就意味中國(guó)每年電量線路損耗高達(dá)2000億kW·h，相當(dāng)于幾個(gè)近期開(kāi)工的、投資1200億元的福建福清、浙江方家山、廣東陽(yáng)江三個(gè)核電站10臺(tái)百萬(wàn)kW級(jí)機(jī)組。

高溫超導(dǎo)電纜的傳輸損耗僅為傳輸功率的0.5%，比常規(guī)電纜5%～10%的損耗要低得多。在重量、尺寸相同的情況下，與常規(guī)電力電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜的容量可提高3～5倍、損耗下降60%，可以明顯地節(jié)約占地面積和空間，節(jié)省寶貴的土地資源。因此，建設(shè)具有遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗輸電能力的超導(dǎo)電網(wǎng)是克服遠(yuǎn)距離輸電時(shí)對(duì)高壓及特高壓依賴的唯一途徑，是解決一個(gè)國(guó)家或地區(qū)大容量、低損耗輸電的最佳途徑。尤其適應(yīng)中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯和歐盟等幅員廣大的區(qū)域，從內(nèi)蒙古到上海通過(guò)傳統(tǒng)輸電方式輸電至少需要500kW的電壓，但是，通過(guò)超導(dǎo)電纜可使用220kW的電壓輸送。因此，超導(dǎo)電網(wǎng)為我國(guó)輸電網(wǎng)的建設(shè)提供了一種新穎且行之有效的方法。

2002年，美國(guó)電力研究院的Paul M.Grant提出了未來(lái)能源系統(tǒng)的設(shè)想，如圖9所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，電力由核電站提供，通過(guò)高溫超導(dǎo)電纜進(jìn)行輸電，超導(dǎo)電纜的冷卻介質(zhì)是液化氫，這樣終端用戶不但可以得到清潔的電力，而且還可以在家里給以氫氣為燃料的環(huán)保汽車(chē)補(bǔ)充燃料，當(dāng)然氫氣也可以作為其他用途的燃料。

圖9 未來(lái)城市超導(dǎo)輸電系統(tǒng)設(shè)想

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，高溫超導(dǎo)電纜可應(yīng)用于短距離傳輸電力的場(chǎng)合（如發(fā)電機(jī)到變壓器、變電中心到變電站、地下變電站到城市電網(wǎng)端口）及電鍍廠、發(fā)電廠和變電站等短距離傳輸大電流的場(chǎng)合以及大型或超大型城市電力傳輸?shù)膱?chǎng)合。也可用高溫超導(dǎo)電纜改裝現(xiàn)有地下電纜系統(tǒng)，不但能將傳輸容量提高3倍以上，而且能將總費(fèi)用降低20%。超導(dǎo)電力設(shè)備不但可以滿足不斷增長(zhǎng)的電力需求，而且可以增強(qiáng)大容量電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性，最終減少電力運(yùn)行成本。

高溫超導(dǎo)電纜作為高溫超導(dǎo)技術(shù)的重要應(yīng)用之一，其研究開(kāi)發(fā)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)連續(xù)流水線生產(chǎn)工藝，制造大長(zhǎng)度、高傳輸容量、低傳輸損耗、高運(yùn)行可靠性的高溫超導(dǎo)電纜和配套附件及低溫系統(tǒng)，從而成為電力電纜中具有明顯競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。