图1 热绝缘结构电缆基本结构示意图 |
一. 高温超导电缆简介
高温超导电缆按传输的电力形式，可分为交流和直流两种；
按其结构特点来划分，根据电气绝缘材料运行温度的不同，分为
热绝缘或室温绝缘超导电缆（WD）和冷绝缘超导电缆（CD）。
热绝缘超导电缆的电气绝缘层与常规电力电缆的绝缘层类似，工作在常温下（图1）；
冷绝缘超导电缆的电气绝缘层工作在液氮的低温环境下，对绝缘材料的要求更高（图2）。
当然，也可依照常规电力电缆的分类，分为单相电缆和多相电缆。
热绝缘超导电缆的基本结构，从内到外，依次为：
管状支撑物（一般为波纹管，内通液氮）；
超导导体层（为超导带材分层绕制）；
热绝缘层（为真空隔热套件）；
常规电气绝缘层（工作在常温下）；
电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似）。
见图1。
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图2 冷绝缘结构电缆基本结构示意图
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冷绝缘超导电缆的基本结构，从内到外，依次为：
管状支撑物（内通液氮）；
超导导体层（为电缆载流导体）；
电气绝缘层（工作在液氮低温环境下）；
超导屏蔽层（为超导带材绕制）；
液氮回流层（与管状支撑物内的液氮构成液氮回流循环）；
热绝缘层（为真空隔热套件）；
常规电缆屏蔽层和护层。
见图2。
终端(Termination)是高温超导电缆结构中的重要组成部分，是HTS电缆和外部其他电器设备之间相互连接的端口，也是电缆冷却介质和制冷设备的连接端口，担负着温度和电势的过渡。终端的结构是和电缆的结构相配套的，冷绝缘结构的电缆，由于多了一层超导屏蔽层和液氮回流层，结构较复杂，但基本结构如图3所示。
电缆本体的超导导体层和常规金属在液氮环境下连接（SC-NC接头），再由常规金属（电流头）从液氮温度引出过渡到常温，电流头的尺寸经过专门设计，以求温度过渡均匀和整体导热最小。终端的热绝缘结构将尽量降低热漏；电气绝缘保证了电流头的绝缘强度和液氮从地电位（制冷系统）到高电位（电缆终端）的过渡。 |
图3 超导电缆终端基本结构
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二. 超导电缆应用的经济效益和社会效益
我国装机总容量已突破2.5万亿kW,仅次于美国，居世界第二位，三峡电站建设和西部水电能源基地开发，加上国民经济持续发展和城市化趋势演化加剧，城网、农网改造工程的开展，使我国未来二十年电力工业的发展速度仍可以保持快速增长，我国电力工业市场的存量和增量都将是十分庞大、惊人的。但在总量和均量上电力资源存在严重的不平衡，给电力工业发展留有巨大的空间。
我国西南地区水能资源丰富，可开发容量达 250 GW，占全国可开发容量 71.2％。全国规划12个大水电基地，7个在西南。但我国工业集中在华东、华北、东北地区，因此西电东送是我国输电的基本格局，输电距离达1000km以上，我国最大的金沙江水电基地若送电至华东、华中、华南，输电距离长达1500～2500km。
目前远程大容量电力输送一般采用架空铝裸线，大城市的输电一般采用地下电缆，导体为铜线或铝线。使用这些传统的电线或电缆，电能在输送过程中要损失5-10%。损秏主要来源于导线的电阻，而且与输送电流的平方成正比。也就是说，传输电流增大时，电能的损失将急剧地增大。为了减少电能在输送过程中的损失，在长距离输电时要尽量提高电压，如采用22万伏或50万伏超高压线路。超高压线路对输电塔的绝缘瓷瓶和对空间使用有很苛刻的要求，尤其是对线路终端附件的材料和制作技术要求更高，这些都大大地提高了超高压线路的建设成本。目前我国还不能生产超高压线路终端附件，需要进口。进口的超高压线路终端附件十分昂贵。如果用高温超导电缆进行输电，电压不用升高，超高压输电的技术难题就不复存在。超导电缆的交流阻抗仅为常规电缆的十分之一，所以可以减少电网线损50%左右，带来很高的经济效益。以北京市为例：北京市2001年的用电量为332.98亿度，按京津唐电网线损率为7.79%计算，每年输电损失电能为26亿度，以电价每度合人民币0.40元计算，则北京市2001年输电损失为10.4亿元。如果将输电网络改用超导电缆，仅2001年一年北京市就可减少损失5亿元。
另外由于超导电缆交流阻抗小，可以采用相对较低的电压进行长距离输电。这样一来输电线路的绝缘材料和终端附件的费用就可以降下来。从长远来讲，超导电缆的应用还使长距离直流输电技术变得容易和经济。用于直流输电，超导电缆会使电网线损降低70%以上，显示出更好的经济效益。
由于超导电缆的传输电力的能力是传统常规电缆的3-5倍（相同电缆总截面时）， 所以使用超导电缆还可以节约输电系统的占地面积和空间，节省大量宝贵的土地资源，并保护了生态环境。
根据超导电缆具备的特点，超导电缆的早期应用主要集中在大型或超大型城市电力传输、化工冶炼（大电流）设备、电站及变电站内大电流（>10kA）母线等。尤其在已有的常规电缆老旧，或超载不堪重负需要增容的场合，利用原有电缆管道，用超导电缆取代常规电缆更可以体现出巨大的经济效益。
1999年世界银行有关机构预测，2005年市场上将出现商品化的高温超导电缆产品；2020年高温超导电缆将取代80％的城市传统地下电缆，世界市场超导电缆销售额将达300亿美元。
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图4 昆明普吉变电站的超导电缆外景 |
三. 超导电缆制造成本及与常规电缆的比较
目前，在我国制造等级为35-110kV,1-10kA的超导电缆的成本（不包括研发，部分材料进口）为人民币1.5-2万元/千安·米。在形成批量生产并材料实现完全国产化（需3-5年时间）后，可降低为0.8-1.0万元/千安·米。目前交联聚乙烯常规电缆的价格为0.06-0.08万元/千安·米。
超导电缆的运行需要配套制冷系统，在运行时制冷系统需要消耗一部分电能。但所消耗的能量远小于由于使用超导电缆而节约的网路线损。在上节中谈到的可以减少电网线损50%左右已经将制冷损耗考虑在内，也就是损耗的净减少。因为使用超导电缆降低了对超高压线路的依赖，所以可以减少用在超高压线路附件上的昂贵的费用。下面是丹麦NKT公司给出的以4km长、450MVA传输容量、132kV电压等级为例的超导电缆与常规铝电缆的一些基本参数和成本的比较：
| 电缆形式 |
HTS电缆 |
XLPE-AL电缆 |
| 导体截面积(mm2) |
50 |
2×2,000 |
| 电缆外径(mm) |
116 |
2×107 |
| 电缆重量(kg/m) |
8.5 |
2×12.4 |
| 等效电阻(mΩ/km) |
1.1 |
12 |
| 电缆系统(包括辅助设备和安装成本)估计成本(MUSD) |
9.68 |
9.37 |
注：HTS电缆-------高温超导电缆
XLPE-AL电缆---交联聚乙烯常规铝电缆
从上表可以看出，在几公里以上的线路建设中，超导电缆成本只比常规电缆略高一些。考虑到超导电缆的节能、尺寸、重量、环保等方面的优势，发展超导电缆是有巨大的经济意义的。
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图5 完成安装调试的超导电缆系统 |
四. 我们的高温超导电缆项目
由北京云电英纳超导电缆有限公司承担的高温超导电缆项目于2001年9月立项；
2003年6月17日我国第一组4米长高温超导电缆在北京云电英纳超导电缆有限公司实验室通过了预冷过程、闭循环运行及2000安培交流载流能力的试验。它是国内成功运行的第一套完整、封闭的超导电缆系统，它标志着我国科研人员已经掌握了超导电缆实用化的关键技术。
2004年3月在云南昆明普吉变电站完成三相交流33.5米35kV/2kA超导电缆系统所有部件的现场安装、子系统调试检测和环境温度电气参数测量，4月上旬完成系统检测、系统总调和低温环境电气参数测量，4月19日成功实现并网试运行。
整个项目共历时31个月，包括资料收集和资源调查，项目总体规划，合作伙伴确定和子课题实施方案确定，制造，安装调试五个阶段。
三相交流33.5米35kV/2kA超导电缆系统安装完成后的系统测试结果证明，该超导电缆系统符合设计要求。
该系统于2004年4月19日13时35分在昆明普吉变电站挂网试运行成功，运行状态良好。这标志着继美国、丹麦之后，我国成为世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。
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超导电缆并网专题报道 |
电力输送的新星——超导电缆
由云电英纳承担研制的我国第一组实用型高温超导电缆，于2004年3月23日全部完成，并于4月19日在昆明普吉变电站挂网试运行成功。 以下为该组电缆的主要参数：
| 电缆形式 |
三相分相、交流电力电缆 |
| 电缆长度 |
33.5m（不包括终端） |
| 额定电压 |
35kv |
| 额定电流 |
2000A |
| 本体导体交流损耗 |
0.75w/kA.m |
| 本体导体热损耗 |
1.5w/m |
| 终端电流头运行温差 |
70～330K |
| 运行海拔 |
1900m |
| 电绝缘类型 |
常温绝缘—交联聚乙烯 |
| 导体层数 |
4 |
| 冷却方式 |
液氮循环 |
| 制冷系统制冷能力 |
2250w at 75K |
液氮进口温度
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70～72K |
| 液氮出口温度 |
74～76 K |
| 电缆外径 |
112mm |
| 电缆弯曲最小直径 |
3.0m |
2003年6月17日，我国首根4米长的超导电缆在公司实验室成功通过了2000安培交流载流能力的试验。 |
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