王銀順， 張 瀚

(1. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華北電力大學(xué)， 北京 102206；2. 高壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華北電力大學(xué)， 北京 102206)

高溫超導(dǎo)電纜的研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

王銀順1,2， 張 瀚2

(1. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華北電力大學(xué)， 北京 102206；2. 高壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華北電力大學(xué)， 北京 102206)

與常規(guī)電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜具有體積小、重量輕、容量大、電流密度高、損耗低、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)電網(wǎng)提供了一種新的電力傳輸方式。隨著高溫超導(dǎo)線材取得的重要研究進(jìn)展，國(guó)際上相繼開(kāi)展了高溫超導(dǎo)電纜的研發(fā)，已有多條超導(dǎo)電纜工程成功地進(jìn)行了掛網(wǎng)示范運(yùn)行。本文介紹高溫超導(dǎo)電纜的研發(fā)進(jìn)展情況，并簡(jiǎn)單對(duì)高溫超導(dǎo)電纜的發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)做出展望。

高溫超導(dǎo)電纜； 冷絕緣； 終端； 應(yīng)力錐； 中間連接； 交流/直流電纜； 帕爾帖電流引線(PCL)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電量在不斷增長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)傳輸容量需求也日益增長(zhǎng)。高溫超導(dǎo)材料在液氮溫度的傳輸電流密度比銅導(dǎo)體高至少兩個(gè)量級(jí)，且采用無(wú)污染和火災(zāi)隱患的液氮作為冷卻介質(zhì)，因此高溫超導(dǎo)電纜在提升電網(wǎng)輸電能力，在現(xiàn)有電力系統(tǒng)升級(jí)和新電力系統(tǒng)建設(shè)中都具有重要應(yīng)用前景。

目前，國(guó)際上對(duì)高溫超導(dǎo)交流電纜的研究已取得了很大的進(jìn)展，技術(shù)較成熟，相繼建成多條超導(dǎo)電纜示范工程。高溫超導(dǎo)直流電纜起步較晚，所以目前國(guó)內(nèi)外的直流電纜工程不多，但由于新能源的大量引入，高溫超導(dǎo)直流電纜得到了越來(lái)越多的重視，各國(guó)也紛紛開(kāi)展了對(duì)高溫超導(dǎo)直流電纜的研究。

本文簡(jiǎn)要介紹近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)高溫超導(dǎo)電纜研究和開(kāi)發(fā)的進(jìn)展情況，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2 高溫超導(dǎo)電纜國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1交流高溫超導(dǎo)電纜

(1)日本

2004年3月，由日本古河電氣公司和電力中心工業(yè)研究所等合作測(cè)試了當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)(500m)的高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)間為1年。作為Super-ACE工程的一部分，電纜采用單相冷絕緣型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度500m,電壓/電流為77kV/1kA。導(dǎo)體部分全部采用Bi-2223帶材繞制，由導(dǎo)體層和屏蔽層組成，絕緣部分采用PPLP材料作為主絕緣。在額定負(fù)載，波動(dòng)負(fù)載和過(guò)載的情況下測(cè)試了制冷系統(tǒng)的熱機(jī)械特性和運(yùn)行特性以及電纜部分的導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性[1]，該電纜系統(tǒng)遠(yuǎn)景如圖1所示。

圖1 500m高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)圖Fig.1 Overview of 500m HTS cable

2007年，由日本新能源和工業(yè)技術(shù)研發(fā)組織支持的高溫超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目啟動(dòng)，該項(xiàng)目目標(biāo)是將一個(gè)66kV/200MVA的高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)在東京電力公司的實(shí)際電網(wǎng)中運(yùn)行。該項(xiàng)目成功將一240m長(zhǎng)的電纜以及其他系統(tǒng)部件，如電纜接頭、終端、制冷系統(tǒng)，在橫濱的朝日變電站組裝在一起并完成測(cè)試，于2012年10月至2013年12月將電纜系統(tǒng)放入實(shí)際電網(wǎng)中運(yùn)行。在持續(xù)1年的運(yùn)行中，該電纜系統(tǒng)未出現(xiàn)故障以及意外中斷，電纜中的液氮的溫度和壓力都控制在給定值。測(cè)試結(jié)束后，電纜導(dǎo)體的臨界電流并未出現(xiàn)衰減。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該電纜系統(tǒng)對(duì)于長(zhǎng)距離電網(wǎng)輸電具有很高的可靠性。朝日變電站中的電纜端部圖如圖2所示[2]。

圖2 朝日變電站中的高溫超導(dǎo)電纜端部Fig.2 Terminations of HTS cable in Asahi Substation

2008年，由日本古河公司、日本中部電力公司和橫濱大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了一根20m長(zhǎng)的高溫超導(dǎo)電纜，該電纜導(dǎo)體層采用YBCO涂層材料繞制，由三層導(dǎo)體層，電絕緣層，一層超導(dǎo)屏蔽層，銅保護(hù)層組成，并同時(shí)研制了能承受2s，31.5kA過(guò)電流的連接體。該電纜載流能力超過(guò)3kA，額定電壓為66kV[3]。

由日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織支持的國(guó)家項(xiàng)目“材料和涂層導(dǎo)體電力應(yīng)用項(xiàng)目”于2008年開(kāi)始啟動(dòng)，該項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)出一條30m長(zhǎng)、單相、電壓/電流為275kV/3kA的高溫超導(dǎo)電纜，其中30m電纜由兩段各長(zhǎng)25m和5m組成，中間有一個(gè)接頭，該電纜是目前世界上電壓等級(jí)最高、容量最大的高溫超導(dǎo)電纜。通過(guò)了短路、局放、雷電擊穿、實(shí)驗(yàn)交流損耗實(shí)驗(yàn)。短路測(cè)試：短路時(shí)間0.6s，穩(wěn)態(tài)短路電流63kA，短路電流峰值158kA；局放：310kV無(wú)局放現(xiàn)象發(fā)生；雷電沖擊：通過(guò)雷電沖擊電壓1155kV實(shí)驗(yàn)；交流損耗：在額定電壓/電流275kV/3kA運(yùn)行情況下的交流損耗電纜為0.8W/m，其中， 導(dǎo)體層交流損耗0.12W/m，屏蔽層交流損耗0.08W/m，絕緣層交流損耗0.6W/m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超導(dǎo)電纜通過(guò)了短路、絕緣、雷電沖擊的測(cè)試要求，滿足掛網(wǎng)運(yùn)行要求。超導(dǎo)層采用YBCO涂層材料繞制。并于2013年6月由日本古河電工在沈陽(yáng)古河電纜公司完成了30m長(zhǎng)、單相、電壓/電流為275kV/3kA的電纜系統(tǒng)集成和測(cè)試，并在沈陽(yáng)古河電纜公司進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行。電纜導(dǎo)體層的臨界電流高達(dá)6.8kA，屏蔽層臨界電流達(dá)到7kA。電纜系統(tǒng)圖如圖3所示[3,4]。

圖3 日本古河電工高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)Fig.3 Layout of 30m long HTS cable system developed by Frukawa Electric, Japan

(2)美國(guó)

2006年，Ultera公司成功在美國(guó)電力公司俄亥俄州哥倫布市Bixby變電站安裝了一200m長(zhǎng)，三相同軸高溫超導(dǎo)電纜。該電纜連接了138kV/13.2kV的變壓器，設(shè)計(jì)通過(guò)電流為3kA，掛網(wǎng)運(yùn)行前在國(guó)立橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)所進(jìn)行了各種測(cè)試，主要包括額定載流3kA下的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性、高壓絕緣、耐壓特性以及過(guò)載能力等。電纜截面和端部圖如圖4所示[5]。

圖4 同軸三相電纜截面和端部圖Fig.4 Cross section and terminations of triaxial cable

2006～2008年，美國(guó)紐約州奧爾巴尼市高溫超導(dǎo)電纜項(xiàng)目啟動(dòng)，目標(biāo)為在美國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的兩個(gè)變電所之間安裝并運(yùn)行一條350m長(zhǎng)、電壓/電流為 34.5kV/800A的高溫超導(dǎo)電纜。電纜由2段組成，2段電纜通過(guò)中間連接體連接。超導(dǎo)材料采用Bi2223帶材進(jìn)行，電纜結(jié)構(gòu)采用三相三軸冷絕緣結(jié)構(gòu)。于2006年7月成功掛網(wǎng)運(yùn)行。項(xiàng)目所用電纜結(jié)構(gòu)如圖5所示[6]。

圖5 三相三軸結(jié)構(gòu)電纜Fig.5 HTS cable with co-cryostat of three-phases

2008年，由美國(guó)能源部支持，美國(guó)超導(dǎo)公司(AMSC)、法國(guó)耐克森(Nexans)公司和法國(guó)液空(Air Liquide)公司聯(lián)合設(shè)計(jì)了當(dāng)時(shí)世界上最高電壓等級(jí)的高溫超導(dǎo)電纜，并在美國(guó)紐約州長(zhǎng)島Holbrook變電站通電運(yùn)行。運(yùn)行電壓為138kV，額定電流2.4kA，輸電容量600MVA，最大電流可達(dá)3kA，其運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示[7]。

圖6 安裝在美國(guó)長(zhǎng)島電力公司的三相高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.6 Three-phase HTS cable system assembled in LIPA (Long Island Power Authority)

(3)歐洲

由法國(guó)Nexans，RWE Deutschland和德國(guó)Karlsruhe Institute of Technology(KIT)承辦的AmpaCity project 項(xiàng)目于2011年9月啟動(dòng)。項(xiàng)目的目標(biāo)是制造并安裝一條1km長(zhǎng)、三相、容量/電壓為40MV·A/10kV的高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，其中為了限制短路電流和超導(dǎo)電纜安全，將超導(dǎo)限流器接入超導(dǎo)電纜系統(tǒng)。1km長(zhǎng)的超導(dǎo)電纜由兩段各500m長(zhǎng)通過(guò)一個(gè)中間接頭連接組成。這是首次將超導(dǎo)電纜與超導(dǎo)限流器在實(shí)際電網(wǎng)中聯(lián)合使用，并且是目前世界上最長(zhǎng)的超導(dǎo)輸電系統(tǒng)。系統(tǒng)模型在2013年完成測(cè)試，并在2014年實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)運(yùn)行。電纜樣品試驗(yàn)如圖7所示，超導(dǎo)電纜系統(tǒng)線路如圖8所示[8]。

圖7 30m電纜樣品試驗(yàn)Fig.7 Demonstration of 30m HTS cable

圖8 有一個(gè)接頭的1km長(zhǎng)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)線路圖Fig.8 Layout of 1km HTS cable with one joint

荷蘭與丹麥NKT公司合作，正在研制長(zhǎng)度達(dá)6km、50kV/3kA的三相交流高溫超導(dǎo)電纜并將在阿姆斯特丹市更換一段目前已經(jīng)超負(fù)荷運(yùn)行的充氣常規(guī)電纜，同時(shí)其傳輸電壓等級(jí)將由常規(guī)電纜的150kV降到超導(dǎo)電纜的50kV；荷蘭于2007年底啟動(dòng)了長(zhǎng)度達(dá)6km、容量為 50kV/3kA的三相交流高溫超導(dǎo)電纜的前期工作。電纜的規(guī)劃布置圖如圖9所示[9]。

圖9 阿姆斯特丹城區(qū)超導(dǎo)電纜的規(guī)劃布置圖Fig.9 Layout of 6km HTS cable prepared to be assembled in Amsterdam urban

(4)巴西

2010年巴西國(guó)家電能中心(National Electric Energy Agency)在“國(guó)家互聯(lián)系統(tǒng)(National Interlinked System)”組織開(kāi)展超導(dǎo)輸電工程SUPERCABO，旨在使用超導(dǎo)技術(shù)代替原有輸電技術(shù)，研究?jī)?nèi)容主要包括電纜的設(shè)計(jì)方法，電纜測(cè)試以及經(jīng)濟(jì)可行性分析。目前正在進(jìn)行電纜設(shè)計(jì)及可行性研究。計(jì)劃設(shè)計(jì)并制造一根長(zhǎng)10m的電纜模型樣品。電纜采用冷絕緣三相三軸的電纜結(jié)構(gòu)，并組裝在同一低溫容器內(nèi)，設(shè)計(jì)運(yùn)行電壓/電流為69kV/1kA，PPLP絕緣。每根電纜為4層導(dǎo)體層，每層10根第二代超導(dǎo)帶材，屏蔽層15根超導(dǎo)帶材。采用鋁制電纜作為短路保護(hù)[10]。

(5)韓國(guó)

從2005年開(kāi)始，為了驗(yàn)證電力設(shè)施之間的兼容性，韓國(guó)電力公社設(shè)計(jì)并安裝了一條100m長(zhǎng)，三相、電壓/電流為22.9kV/1.25kA的高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，并對(duì)它的導(dǎo)電性和熱機(jī)械特性進(jìn)行了多次測(cè)試。在測(cè)試階段未出現(xiàn)重大故障[11]。

韓國(guó)LS電纜公司與首爾電力公司合作，正在進(jìn)行一條600m長(zhǎng)、三相、電壓/電流22.9kV/1.25kA高溫超導(dǎo)電纜的研制，于2011年底在首爾投入商業(yè)運(yùn)行，超導(dǎo)線采用第二代高溫超導(dǎo)材料。下一步研發(fā)154kV和275kV第二代高溫超導(dǎo)線材繞制的高溫超導(dǎo)電纜[12]。

(6)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2004年初，由北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司牽頭完成30m/35kV/2kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜，該電纜為室溫絕緣結(jié)構(gòu)。自2004年4月19日在云南省昆明市普吉變電站投入運(yùn)行以來(lái)，經(jīng)受了多種氣象條件的考驗(yàn)，截至2004年12月30日，在試運(yùn)行和掛網(wǎng)運(yùn)行中已正常供電45MkW·h。這標(biāo)志著繼美國(guó)、丹麥之后，我國(guó)成為世界上第三個(gè)將超導(dǎo)電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行的國(guó)家。電纜照片如圖10所示[12]。

圖10 普吉變電站35kV室溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜Fig.10 WC HTS cable with 35kV operating in Puji Sustation, Yunnan

2004年，由中國(guó)科學(xué)院電工研究所與甘肅長(zhǎng)通電纜科技股份有限公司、中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)的一條75m長(zhǎng)、三相、電壓/電流為10.5kV/1.5kA交流高溫超導(dǎo)電纜順利完成系統(tǒng)集成，該電纜采用室溫絕緣結(jié)構(gòu)，通過(guò)了系統(tǒng)檢測(cè)和調(diào)試，并于2011年2月投入并網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行[13]。這些都標(biāo)志著我國(guó)高超導(dǎo)電纜技術(shù)從成果到產(chǎn)業(yè)化取得了新的重大突破，而且已經(jīng)走在了世界的前沿。電纜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

圖11 10.5kV高溫超導(dǎo)電纜運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 WC HTS cable with 10.5kV operating in Baiyin, Gansu

上海電纜研究所自2003年開(kāi)始進(jìn)行冷絕緣(CD)高溫超導(dǎo)電纜的研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，2011年初，上海電纜研究所牽頭的 “冷絕緣(CD)高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)及電力應(yīng)用示范工程設(shè)計(jì)研究”項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收，項(xiàng)目成功完成了一條30m長(zhǎng)、三相、電壓/電流為35kV/2kA的冷絕緣超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的研發(fā)，超導(dǎo)電纜系統(tǒng)順利通過(guò)型式試驗(yàn)。目前，上海電纜研究所正在推進(jìn)第二代冷絕緣超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的示范工程項(xiàng)目。正在進(jìn)行試驗(yàn)的冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)如圖12所示[14]。

圖12 35kV冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.12 Test of 35kV CD HTS cable

此外，富通集團(tuán)(天津)超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用有限公司已成功研制一條100m長(zhǎng)、三相、電壓/電流為35kV/1.0kA的冷絕緣三相交流電纜，電纜采用第二代高溫超導(dǎo)帶材進(jìn)行繞制，電纜完成組裝和各種實(shí)驗(yàn)后，于2017年6月在天津?yàn)I海高技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)進(jìn)行掛網(wǎng)測(cè)試運(yùn)行[15]。

中天科技集團(tuán)股份有限公司與華北電力大學(xué)合作，進(jìn)行220kV/3kA高溫超導(dǎo)電纜關(guān)鍵技術(shù)研究，包括終端和中間接頭。短路實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成，套管、終端、中間連接等均完成，雷電擊穿實(shí)驗(yàn)等待中國(guó)電力科學(xué)院冷卻及220kV高壓系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置集成及調(diào)試，待該裝置投運(yùn)后，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖13所示。

圖13 單相 220kV/3kA 高溫超導(dǎo)電纜示意圖Fig.13 Schematic view of 220kV/3kA single phase HTS cable

2.2直流高溫超導(dǎo)電纜

(1)美國(guó)

2009年，美國(guó)超導(dǎo)公司提出Tres Amigas 超級(jí)變電站計(jì)劃，此項(xiàng)目旨在通過(guò)3條容量5GW的高壓直流輸電線路將美國(guó)東部電網(wǎng)、西部電網(wǎng)和德克薩斯電網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來(lái)，變電站能分別控制3個(gè)獨(dú)立的交流電網(wǎng)的能量流動(dòng)，設(shè)計(jì)容量為30GW。3條直流輸電線路采用高溫超導(dǎo)線并全部由美國(guó)超導(dǎo)公司制造。Tres Amigas 超級(jí)變電站將扮演一個(gè)電力市場(chǎng)中心的角色，可與美國(guó)北部最大的3個(gè)電力中心進(jìn)行電力交易。德克薩斯電力穩(wěn)定委員會(huì)(ERCOT)擁有5條直流線路連接其他電網(wǎng)，總?cè)萘?100MW。此項(xiàng)目為可再生能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能的傳輸提供了通道。其規(guī)劃圖如圖14所示，其中直流超導(dǎo)電纜將由美國(guó)超導(dǎo)公司負(fù)責(zé)制造[16]。但是，該計(jì)劃一直沒(méi)有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

圖14 超級(jí)變電站規(guī)劃圖Fig.14 Layout of superstation in Tres Amigan Projection

2005年，美國(guó)電力研究所(EPRI)開(kāi)展了一項(xiàng)高溫超導(dǎo)直流電纜的研究。這項(xiàng)研究首先評(píng)估了在各種情況下應(yīng)用高溫超導(dǎo)直流電纜的可行性，選擇了2種傳輸容量的超導(dǎo)電纜作為研究對(duì)象：其一，200km長(zhǎng)、容量2GW、單相、電壓/電流為100kV/20kA; 其二，1000km長(zhǎng)、容量10GW、單相、電壓/電流為100kV/100kA。主要研究這些電纜的制造、安裝和運(yùn)行的技術(shù)與工程問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的電壓/電流為100kV/100kA的超導(dǎo)電纜需要500根超導(dǎo)帶材，每根超導(dǎo)帶材載流200A，設(shè)計(jì)的電纜芯如圖15所示[17]。

圖15 直流超導(dǎo)電纜芯示意圖Fig.15 Schematic view of HTS cable core

2015年4月20日，美國(guó)超導(dǎo)公司(AMSC)宣布美國(guó)海軍建立了一份針對(duì)美國(guó)超導(dǎo)公司高溫超導(dǎo)帶材設(shè)備的獨(dú)家供貨邀請(qǐng)公告。另外，美國(guó)超導(dǎo)公司已經(jīng)與海軍建立穩(wěn)定關(guān)系來(lái)開(kāi)發(fā)船舶電源使用的高溫超導(dǎo)電纜硬件。美國(guó)超導(dǎo)公司已與卓越海軍金屬加工中心共同合作優(yōu)化了高溫超導(dǎo)消磁電纜的生產(chǎn)成本。在項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中， 電纜制造過(guò)程簡(jiǎn)化，從而能夠滿足整船生產(chǎn)的交貨及成本目標(biāo)。ManTech項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)轉(zhuǎn)移到AMSC的工廠。

(2)日本

日本中部(Chubu)大學(xué)于2006年4月開(kāi)始，制造了一根20m長(zhǎng)的直流電纜，實(shí)驗(yàn)于2006年秋天開(kāi)始，2006年10月第一次降溫。運(yùn)行溫度為72～80K。實(shí)驗(yàn)電纜長(zhǎng)度20m。39根Bi-2223帶材，每根帶材臨界電流100A。電纜的臨界電流2.2kA，電纜電壓20kV。為了減少熱損耗，避免電流分布不均勻，19根帶材使用了Pelteir Current Lead (PCL)，剩下的20根分別使用了普通的銅引線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各根帶材電流分布的差異在10%以內(nèi)。2007年和2008年分別進(jìn)行了第2次和第3次降溫實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)3次冷熱交換，帶材無(wú)損耗。制造的電纜和實(shí)驗(yàn)接線圖如圖16所示。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖17所示[18,19]。

圖16 電纜和實(shí)驗(yàn)接線圖Fig.16 Photo of cable and experimental connections

圖17 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.17 Experimental set-up and arrangement

20m長(zhǎng)的模型電纜實(shí)驗(yàn)成功后，中部(Chubu)大學(xué)于2010年初完成制造200m超導(dǎo)直流電纜，2010年3月完成第一次實(shí)驗(yàn)，2010年8月到10月完成第二次實(shí)驗(yàn)。結(jié)構(gòu)與之前20m長(zhǎng)的電纜相同，絕緣材料選擇PPLP，耐壓等級(jí)為10kV。選擇寬4mm、厚0.3mm的Bi-2223超導(dǎo)帶材，其在77K溫度下的自場(chǎng)臨界電流為160A。電纜設(shè)計(jì)采用冷絕緣為同軸雙向結(jié)構(gòu)，電纜導(dǎo)體層由兩層構(gòu)成，分別由11根和12根超導(dǎo)帶材繞制；電纜屏蔽層為一層，由16根超導(dǎo)帶材繞制。電纜骨架直徑20mm，電纜直徑35mm。為了應(yīng)對(duì)電纜在冷熱交換的過(guò)程中的膨脹收縮問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)用的終端設(shè)計(jì)成了可以自由活動(dòng)的結(jié)構(gòu)[20-22]。

2010年，由日本鐵路技術(shù)研究所(RTRI)與日本應(yīng)用超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制了容量1.5kV/5kA的直流電纜模型，該模型實(shí)物如圖18所示，旨在應(yīng)用在鐵路供電系統(tǒng)中[23]。此電纜為雙向電纜結(jié)構(gòu)，內(nèi)層由10根帶材組成，外層纏繞了14根相同帶材。超導(dǎo)帶材選用的是Bi-2223，寬4.5mm，厚0.35mm，每根帶材臨界電流160A。緊接著，由日本政府支持的國(guó)家項(xiàng)目，用于鐵路供電系統(tǒng)的下一代直流超導(dǎo)電纜項(xiàng)目啟動(dòng)，對(duì)鐵路直流供電系統(tǒng)采用高溫超導(dǎo)直流電纜進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[24-27]。

圖18 1.5kA直流超導(dǎo)電纜模型Fig.18 1.5kA DC HTS cable model

2015年9月，日本中部大學(xué)、住友電工、日本千代田化工建設(shè)及櫻花互聯(lián)網(wǎng)公司合作研發(fā)多段連接的長(zhǎng)500m、單相、容量/電壓為50MW/20kV的直流高溫超導(dǎo)電纜，電纜由兩段各300m和200m通過(guò)中間一個(gè)接頭連接構(gòu)成[28]，并通過(guò)了測(cè)試。該電纜電流引線采用帕爾帖電流引線，以便大幅度有效地減少引線漏熱。該電纜計(jì)劃用于連接櫻花互聯(lián)網(wǎng)公司建設(shè)的一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和公司的石狩數(shù)據(jù)中心，從而使直流太陽(yáng)能電力不需要轉(zhuǎn)換成交流電，直接由數(shù)據(jù)中心使用[29]。目標(biāo)是2018年3月底將在北海道電力公司的變電站和數(shù)據(jù)中心由一條2000m長(zhǎng)的超導(dǎo)電纜相連，實(shí)現(xiàn)北海道電力公司的商業(yè)直流電傳輸。

(3)韓國(guó)

韓國(guó)于2013年在濟(jì)州島完成100m/80kV/3.125kA直流電纜的安裝和測(cè)試[30,31]，電纜由韓國(guó)LS公司負(fù)責(zé)制造，其電纜模型如圖19所示。骨架設(shè)計(jì)根據(jù)最嚴(yán)重的短路情況，假設(shè)短路電流瞬間全部流過(guò)銅骨架，銅骨架產(chǎn)生的熱量不能使液氮的溫度超過(guò)97K，所以確定銅骨架的截面積240mm2，半徑8.74mm。螺距是根據(jù)電纜的機(jī)械特性進(jìn)行選擇，例如適合工廠生產(chǎn)和電纜的最小彎曲半徑。此電纜導(dǎo)體層有兩層，其螺距為290mm和320mm。兩層的臨界電流分別為1981A和2122A，電纜整體臨界電流達(dá)到4103A。同時(shí)根據(jù)傳統(tǒng)電纜標(biāo)準(zhǔn)Electra 496 和HTS電纜標(biāo)準(zhǔn) Cigre TB 538提出了一套測(cè)試超導(dǎo)直流電纜的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。另外還添加了熱循環(huán)過(guò)程來(lái)測(cè)試電纜在冷熱交替過(guò)程后的機(jī)械特性。工程布局如圖20所示。

圖19 80kV/3.125kA直流電纜模型Fig.19 80kV/3.125kA DC HTS cable model

圖20 80kV直流高溫超導(dǎo)工程布局圖Fig.20 Arrangement of 80kV HTS DC cable

(4)俄羅斯

由俄羅斯電力公司(FGC UES)資助的俄羅斯圣彼得斯堡市項(xiàng)目旨在研發(fā)一條2.5km的高溫超導(dǎo)電纜并安裝在圣彼得斯堡市的電網(wǎng)中，其電纜規(guī)劃布置如圖21所示。工程主要包括5個(gè)部分：安裝地點(diǎn)的選擇，電纜計(jì)算，研發(fā)和制造，制冷設(shè)備研發(fā)，交直流變流器研發(fā)和直流線路原件測(cè)試。該電纜2.5km長(zhǎng)、單相、容量50MW、電壓/電流為20kV/ 2.5kA； 2.5km電纜由5段500m長(zhǎng)的電纜通過(guò)中間四個(gè)中間接頭連接構(gòu)成。電纜的結(jié)構(gòu)包括骨架及穩(wěn)定裝置、超導(dǎo)去流層、高壓絕緣、超導(dǎo)回流層、外圍穩(wěn)固層、外圍絕緣、電屏蔽(無(wú)超導(dǎo)線)、兩層波紋管(中間真空絕熱)、保護(hù)層。電纜直徑為39mm，帶材采用住友公司(SEI)生產(chǎn)的一代HT-CABi2223超導(dǎo)帶材。電纜結(jié)構(gòu)如圖22所示。兩層超導(dǎo)去流層分別由22根帶材繞制，每根帶材自場(chǎng)和77K溫度下的臨界電流為160A。一層超導(dǎo)回流層由19超導(dǎo)根帶材繞制，每根帶材自場(chǎng)和77K溫度下的臨界電流為180A。目前已經(jīng)完成電纜短樣設(shè)計(jì)、制造、終端及低溫系統(tǒng)等，目的是在圣彼得斯堡市電網(wǎng)示范運(yùn)行[32-33]。

圖21 圣彼得堡高溫超導(dǎo)直流電纜規(guī)劃布置圖Fig.21 Planning layout of HTS DC cable in St. Petersburg

圖22 圣彼得堡市高溫超導(dǎo)直流電纜結(jié)構(gòu)圖Fig.22 Configuration of HTS DC cable prepared to beassembled in St. Petersburg

(5)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展的直流超導(dǎo)電纜工程相對(duì)較少，只在河南中孚電解鋁廠建有一條示范工程。

2009年起，中國(guó)科學(xué)院電工所與河南中孚電解鋁廠股份有限公司合作研制直流超導(dǎo)電纜，該電纜380m長(zhǎng)、單相、電壓/電流為1.3kV/10kA[34-40]。電纜一端連接變電站的整流器，另一端連接電解鋁廠的母線。于2010年底通電，該電纜現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行場(chǎng)景如圖23所示。

圖23 10kA直流高溫超大電纜運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.23 10kA DC HTS field operation

華北電力大學(xué)于2015年開(kāi)始進(jìn)行中低壓、大電流直流高溫超導(dǎo)電纜關(guān)鍵技術(shù)的研究。提出了一種新型的自磁屏蔽型高溫超導(dǎo)直流電纜結(jié)構(gòu)[41-43]，旨在消除各層超導(dǎo)帶材臨界電流的衰減，進(jìn)而提高直流電纜的電流容量。第一種自屏蔽電纜結(jié)構(gòu)如圖24所示，在此種結(jié)構(gòu)的直流電纜中，相鄰層的電流方向相反，能有效降低各層帶材的磁場(chǎng)。例如，由于第1層與第2層的電流方向相反，它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)在第3層處將相互抵消，這樣，第3層帶材的臨界電流將不會(huì)受到第1、2層的影響。應(yīng)用此結(jié)構(gòu)，電纜各層無(wú)磁場(chǎng)影響，臨界電流幾乎等于自場(chǎng)臨界電流，超導(dǎo)線利用率高，臨界電流幾乎無(wú)退化，且可以獲得任意大的運(yùn)行電流結(jié)構(gòu)，無(wú)電磁泄露。另外，為減少電纜端部帶材與電流引線的各層連接數(shù)目，降低接觸電阻，按照相同思路，同時(shí)提出了另外一種結(jié)構(gòu)，如圖25所示。該結(jié)構(gòu)可有效減少電纜端部帶材與電流引線接觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)，而且隨著層數(shù)的增加，效果將更明顯[44-46]。

圖24 第一種自屏蔽電纜結(jié)構(gòu)圖Fig.24 Conceptual design of type-I self-field DC HTS cable

圖25 第二種自屏蔽電纜結(jié)構(gòu)圖Fig.25 Conceptual design of type-II self-field DC HTS cable

兩種自屏蔽型結(jié)構(gòu)電纜將有效地提高電纜的載流容量，無(wú)電磁輻射、無(wú)信息泄露的自磁屏蔽型低壓大電流高溫超導(dǎo)直流電纜在高保密要求、高穩(wěn)定性要求的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、軍用艦船上等低壓大電流輸電場(chǎng)合有著重要的應(yīng)用。

3 發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)近20年發(fā)展，國(guó)際上對(duì)高溫超導(dǎo)交流電纜的研究已取得了很大的進(jìn)展，技術(shù)相對(duì)較為成熟，相繼建成多條示范工程，國(guó)際上幾組典型實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)電纜參數(shù)情況如圖26所示(感謝Mathias Noe教授提供)，交流高溫超導(dǎo)電纜和常規(guī)電纜輸送容量和電壓等級(jí)的比較如圖27所示(感謝Mathias Noe教授提供)。對(duì)于交流高溫超導(dǎo)電纜，冷絕緣結(jié)構(gòu)是其實(shí)用結(jié)構(gòu)。但是，電壓等級(jí)不宜超過(guò)340kV，原因之一是電壓等級(jí)太高，絕緣占據(jù)空間大，不能充分體現(xiàn)超導(dǎo)電纜高載流密度特性；原因之二是介質(zhì)損耗太高，冷卻費(fèi)用大幅度增加，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。

圖26 幾組典型運(yùn)行的超導(dǎo)電纜容量Fig.26 Typical capacity of several operating HTS cable (Courtesy of Prof. Noe M)

圖27 高溫超導(dǎo)電纜和常規(guī)電纜輸送容量和電壓等級(jí)的比較Fig.27 Comparisons of HTS and conventional XLPE cables with different voltage-levels

未來(lái)交流高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)主要是在220kV及以下電壓等級(jí)，其傳輸容量比常規(guī)345kV交聯(lián)聚乙烯電纜還高。此外，雖然國(guó)內(nèi)也有幾組超導(dǎo)電纜試驗(yàn)運(yùn)行，但是長(zhǎng)度都在100m及以下，且未見(jiàn)開(kāi)發(fā)具有中間連接裝置的超導(dǎo)電纜研發(fā)報(bào)道。電纜終端、套管、中間連接裝置等附件也是未來(lái)超導(dǎo)電纜實(shí)用化研發(fā)的重要部件。

4 主要關(guān)鍵技術(shù)

雖然超導(dǎo)電纜原理簡(jiǎn)單、技術(shù)比較成熟，但是無(wú)論是交流還是直流超導(dǎo)電纜，在千米級(jí)長(zhǎng)度、高電壓等級(jí)超導(dǎo)電纜規(guī)模應(yīng)用方面以下關(guān)鍵技術(shù)有待解決和進(jìn)一步優(yōu)化：

(1)超導(dǎo)電纜中間連接關(guān)鍵技術(shù)：超導(dǎo)電纜連接技術(shù)、連接處絕緣應(yīng)力錐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離超導(dǎo)電纜連接、滿足電氣性能要求。

(2)低漏熱超導(dǎo)電纜低溫容器(電纜杜瓦管)及其連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離超導(dǎo)電纜應(yīng)用。

(3)電纜終端連接技術(shù)：電纜導(dǎo)體與電流引線的連接、應(yīng)力錐設(shè)計(jì)及制造工藝，達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊、可拆卸、易維護(hù)目的。

(4)套管技術(shù)：110kV電壓等級(jí)及以上，具有高溫度梯度的高壓套管關(guān)鍵技術(shù)。

(5)低漏熱直流電流引線技術(shù)：采用帕爾帖電流引線，大幅度降低直流漏熱的電流引線技術(shù)。

(6)低溫絕緣技術(shù)：高壓低溫絕緣設(shè)計(jì)及絕緣配合。

(7)超導(dǎo)電纜與電力系統(tǒng)中現(xiàn)有電力裝置的匹配協(xié)調(diào)運(yùn)行問(wèn)題。

(8)高壓110kV及以上絕緣試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。

(9)低溫制冷技術(shù)：高效率、長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)低溫制冷系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本文介紹國(guó)內(nèi)外有關(guān)高溫超導(dǎo)交流電纜和直流電纜的研發(fā)現(xiàn)狀。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)是高壓電力電纜的主流技術(shù)。對(duì)于交流高溫超導(dǎo)電纜，技術(shù)比較成熟，國(guó)內(nèi)超導(dǎo)電纜技術(shù)水平處于國(guó)際先進(jìn)行列。但是，國(guó)內(nèi)示范運(yùn)行的交流超導(dǎo)電纜電壓等級(jí)均在35kV及以下、長(zhǎng)度在百米以下、無(wú)中間連接，有待于進(jìn)行110kV及以上電壓等級(jí)和帶有中間接頭的長(zhǎng)度超過(guò)百米的高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)的研發(fā)。

高溫超導(dǎo)直流電纜起步較晚，但是發(fā)展很快。近年國(guó)際上相繼開(kāi)展高溫超導(dǎo)直流電纜的研發(fā)，不久將示范運(yùn)行。國(guó)內(nèi)低電壓等級(jí)直流超導(dǎo)電纜方面雖有示范運(yùn)行，缺乏高電壓等級(jí)直流電纜示范工程。由于新能源的大量引入，高溫超導(dǎo)直流電纜得到了越來(lái)越多的重視，各國(guó)也紛紛開(kāi)展了對(duì)高溫超導(dǎo)直流電纜的研究。國(guó)內(nèi)在直流高電壓等級(jí)高溫超導(dǎo)電力電纜方面也應(yīng)進(jìn)行研發(fā)工作。

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Developingstatusandtrendofhightemperaturesuperconductingcable

WANG Yin-shun1,2, ZHANG Han2

(1. State Key Lab. of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Beijing Key Lab. of HV and EMC, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Comparing with the conventional cable, high temperature superconducting (HTS) cable has many advantages, such as small volume, light weight, large capacity, high current density, low loss, and environment friendly, which provides a novel possibility to be electric power transmission for the future power grid. With significant progress in development of HTS wires, research and development of HTS cable have been performed worldwide, and some prototypes of HTS cables have successfully demonstrated in live grid. This paper introduces and summarizes the current status of HTS cables, and the developing trend and outlook of the HTS cables are then briefly described.

HTS cable; cold dielectric; termination; stress cone; joint between cables; AC/DC cable; Peltier current lead(PCL)

10.12067/ATEEE1705026

1003-3076(2017)10-0008-11

TM26

2017-05-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51477053)

王銀順 (1965-), 男, 河北籍, 教授, 博士, 研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電力技術(shù)；張 瀚 (1989-), 男, 遼寧籍, 博士研究生， 研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電力技術(shù)。