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摘　要　在電力系統中，采用超導電纜技術，可擴大電網的輸送容量，降低傳輸損耗，提高系統運行的穩定性和可靠性，改善電能質量，并有利于保護環境。超導材料的發展促進了超導電纜技術的發展，高溫超導電纜將在未來安全電力系統建設中發揮重要作用，是21世紀電力科學技術最具發展潛力的應用之一。

　　關鍵詞　超導電纜　電力系統

　　1　引言
　　1911年，荷蘭科學家Onnes發現純的水銀樣品在4.2K附近電阻突然消失，接著又發現了其他一些金屬也有這樣的現象，這一發現開辟了一個嶄新的超導物理領域。1986年4月，設在瑞士蘇黎世的IBM實驗室的學者J. G. Bednorz和K. A. Muller發現了La-Ba-Cu-O高Tc氧化物超導體(Tc=34K)，以后的幾年，人們相繼發現了多種高溫超導材料，其中包括鉍系、釔系、鉈系、汞系等高溫超導體系。1987年2月21日，中國科學院物理所發現了起始轉變溫度為100K的YBaCuO體系超導體，并首次公布了其成分。2001年3月1日的NATURE周刊報道，日本發現了具有體超導電性、臨界溫度為39K的MgB2超導體。

　　高溫超導材料的不斷發展為超導技術在電力系統中的應用創造了有利的條件，美國、日本、韓國以及歐洲一些主要工業國家都以極大的熱情, 投入了大量資金, 積極開展超導技術在電力系統中的應用研究工作。

　　在電力系統中采用超導技術可提高單機容量和增加電網的輸送容量、降低傳輸損耗、提高系統運行的穩定性和可靠性、改善電能質量、降低電網的占地面積和電網的造價及改造成本，并使超大規模電網的實現成為可能[1]。通過超導儲能，還可大大改善可再生能源的電能質量，并使其與大電網有效地聯結。加強對超導電纜、超導故障電流限制器、超導儲能器、超導變壓器、超導發電機和超導電動機等超導技術的研究，將會極大地推動電力科技的發展，將電力科技的發展帶入一個嶄新的階段。目前，超導電纜、超導故障電流限制器、超導儲能器和超導變壓器已發展或接近到工程實用階段, 超導發電機和超導電動機的研制也取得了重大進展。

　　2　超導電纜技術
　　超導現象發現之后，由于超導體具有無阻載流的超導特性，科學家們就設想利用超導體制造超導電纜，以達到降低電能傳輸損耗的目的[2，3]。由于當時高溫超導材料還沒有發現，超導電纜技術僅僅局限在低溫超導材料的使用上。一般采用Nb3Sn等低溫超導材料制成細絲，通過絞制形成超導電纜導體，使用液氦進行冷卻。從技術的角度上講，低溫超導電纜能達到降低電能傳輸損耗的目的，但由于制冷成本的昂貴費用，使低溫超導電纜的實用化大打折扣。在我國，上海電纜研究所也曾在上世紀七八十年代進行過低溫超導電纜的研究工作，由于同樣的原因，該項研究工作最終沒有能夠進行下去。但不管怎樣，還是為今后高溫超導電纜技術的發展奠定了基礎。

　　隨著高溫超導材料科學的發展，超導技術在電力系統的應用越來越得到了業內人士的廣泛關注，高溫超導電纜技術也得到了極大的發展。利用高溫超導電纜可以降低電力系統的損耗，提高電力系統的總效率，實現大容量輸電。利用高溫超導電纜改造現有地下電纜系統，可以解決城市日益擁擠的地下輸電線路走廊空間。

　　和常規電纜相比，高溫超導電纜具有體積小，重量輕，損耗低和傳輸容量大等優點，采用高溫超導電纜輸送電力是解決城市用電密度高、建設用地緊張的最佳輸電方案，有著廣闊的市場前景[4]。

　　高溫超導電纜是高溫超導技術的重要應用之一，它集成了超導材料、電纜、低溫制冷、電力工程等多學科技術。

　　美國是最早發展高溫超導電纜技術的國家，1999年底，美國Southwire公司、橡樹嶺國家試驗室、美國能源部和IGC 公司聯合開發研制的30m、3相、12.5kV/1.26kA冷絕緣高溫超導電纜并于2000 年在電網試運行，向高溫超導技術實用化邁出了堅實的一步。

　　日本經濟貿易工業省和新能源與工業技術發展組織制訂了包括高溫超導電纜研究與應用的超級ACE(超導交流輸電設備研究開發計劃)。 2002年，日本住友電氣與東京電力公司合作完成了100m、3相66kV/1kA電纜系統并進行了測試。古河電工與日本電力工業中心研究所等合作完成了單相500m、77kV/1kA超導電纜系統，低溫測試結果表明，該系統符合并網運行的要求。

　　2001年5月，丹麥北歐電纜公司、北歐超導公司、和Eltra等電力公司聯合開發的2kA，36kV，30m三根室溫絕緣(WD) 高溫超導電纜于2001年并入電網試運行。

　　2002年至2005年，日本Sumitomo與美國Super Power、BOC與美國電網公司所屬的Niagora Mohawk變電站聯合進行紐約Albany高溫超導電纜建設工程。

　　2004至現在，美國超導公司、Nexans、美國長島電力公司研制600m、3相、138kV/2400A冷絕緣高溫超導電纜，并于2008年6月25日開通運行。同時，德國、韓國等國家也投入了大量的人力、物力和財力參與了高溫超導電纜技術的研發，推動了高溫超導電纜技術的發展和實用化進程。

　　以上各國正在進行的高溫超導電纜研究開發項目均采用第一代高溫超導材料Bi-22223 作為高溫超導電纜導體材料。YBaCuO 涂層高溫超導材料(即第II代高溫超導體)以其良好的電學性能獲得了研究人員的青睞。目前美國IGC公司下屬Super Power公司正在研究開發采用第二代高溫超導帶材為導體的高溫超導電纜商品化生產計劃。

　　美國在2005年8月制定的能源法中，把采用以高溫超導電纜為中心的高溫超導設備的輸電網的現代化定位為國家級課題，正在研究于2030年在全美建設堅固的超導電纜輸電網絡計劃(Grid2030)。

　　2.1　室溫絕緣(Warm Dielectric)高溫超導電纜絕緣
　　高溫超導電纜根據結構形式，分為室溫絕緣(Warm Dielectric簡稱WD)高溫超導電纜和低溫介質絕緣(Cold Dielectric 簡稱CD)高溫超導電纜兩類。

　WD高溫超導電纜的最里層是一個中空的柔性管道，該管道既是冷媒液氮的流通管道，也是超導帶材絞制的支撐，高溫超導帶材在該管道外側經過絞制形成超導電纜導體，超導材料的工作溫度由液氮來提供，液氮工作在常壓狀態下，冷卻溫度約為77K。在超導導體的外側，是用來起絕熱作用的真空柔性絕熱套。在絕熱套的外側，采用常規高壓電纜的制作方式，包括XLPE絕緣、護套等。由于WD高溫超導電纜的絕緣工作在室溫狀態下，所以通常稱之為室溫絕緣高溫超導電纜。

　　2.2　低溫介質絕緣(Cold Dielectric)高溫超導電纜
　　CD高溫超導電纜的結構與充油電纜類似。圖2為CD高溫超導電纜示意圖。高溫超導帶材在支撐導體上絞制形成超導電纜導體，該支撐導體不僅僅為超導帶材提供支撐，而且在短路狀態下可以通過一部分短路電流從而達到保護超導導體的作用。

     在超導導體的外側，PPLP采用繞包方式形成絕緣，絕緣的外側再次繞制超導帶材作為超導電纜的屏蔽層。在CD絕緣高溫超導電纜最外側，是起絕熱作用的真空柔性絕熱套，絕熱套的外面可以擠上電纜護套。在工作狀態下，PPLP浸漬在加壓的液氮中，與在絕熱套中流動的過冷液氮一道，形成混合介質絕緣結構。液氮不僅是提供低溫環境的冷媒，而且也起到絕緣介質的作用。由于CD高溫超導電纜的絕緣工作在77K以下更低的溫度，通常稱之為低溫介質絕緣高溫超導電纜。

　　在技術上，WD高溫超導電纜與CD高溫超導電纜具有很大的不同。

　　CD高溫超導電纜的絕緣屏蔽采用和導體相同的高溫超導帶材絞制形成，電纜絕緣和絕緣屏蔽均處于液氮溫度下，處于超導狀態運行時電纜外部不產生磁場，基本不存在高溫超導電纜導體因垂直于超導帶材料的外磁場造成臨界電流退化的問題。一般認為CD高溫超導電纜導體電流可以達到10000A或以上。

　　而WD高溫超導電纜由于絕緣處于室溫，其絕緣屏蔽為一般半導電屏蔽材料構成，一相WD高溫超導電纜的所產生的磁場對另外兩相高溫超導電纜導體的超導帶材料產生垂直外磁場作用，使其臨界電流退化。研究認為，WD高溫超導電纜的傳輸電流一般為3000A及以下。因而大電流和大容量高溫超導電纜應采用CD結構，CD高溫超導電纜適用于大容量高溫超導電纜的應用。

　  在實現的難易程度方面，由于CD高溫超導電纜采用液氮浸漬PPLP繞包絕緣結構，液氮工作在一定的壓力狀態下，其絕熱套的制備要求也有了較大程度的提高。這種結構的介質絕緣特性也需要進行深入的研究。與其相配套的CD高溫超導電纜終端研究難度也大大增加了。

　　盡管如此，CD高溫超導電纜被認為是能真正實用化的技術，目前，無論是美國還是日本，以及韓國等，都在進行CD高溫超導電纜的研究。

　　在我國，北京云電英納超導有限公司及中國科學院電工研究所也在高溫超導電纜方面進行了相關的研究。其電纜結構均為WD高溫超導電纜。

　　目前，上海電纜研究所正與上海電力公司、上海交通大學、上海大學合作，進行實用化CD高溫超導電纜的研究和開發。圖3為上海電纜研究所超導電纜工藝車間圖片。

　　3　超導電纜技術與安全電網系統
　　經濟的飛速增長需要可靠、持久的電力基礎設施。電力的增長主要集中在人口密集的經濟、貿易和政治中心的城市地區。任何重大的電力中斷將會對這些地區和國家的經濟和安全產生嚴重的影響。電力需求容量的不斷增加、跨區域電網建設范圍不斷擴大、電壓等級的不斷提高等電網發展趨勢，必然會導致一些例如網絡安全、短路故障電流保護等相關問題。

　　美國超導 (AMSC?) 的“Secure Super Grids TM” 技術(簡稱SSG技術)對解決電網安全問題提供了一個很好的思路。目前，第一個安全特級電網Secure Super Grids示范項目正在美國進行。

　　首先通過建立連鎖電力網絡，將大規模的供電網絡分成多個小規模的網絡，每個小網絡都可以被若干個母線供應。這個理念使得地方變電站可以在緊急情況下共享過量容量，而且可以減少每個地方變電站所需要的電力變壓器。同時增加電網的整體可靠性，有效地共享網絡上的變壓器。這樣可避免為滿足增長的載荷而建造昂貴的新變電站。

　　然而，這樣的解決方案還要解決好多難題。連鎖電力網絡解決方案面臨的第一個難題就是需要傳輸更大容量的電力電纜。如果利用傳統技術，這將會需要很多常規大截面銅芯電纜，并且會占據很大的地下附設空間。由于常規電纜在運行過程中釋放熱量，所以必須在靠近地面的地方附設，彼此分開并且遠離其他地下設備，比如水管，煤氣管，電信電纜。城市現有的地下設施已經很擁擠了，給安裝新的常規電纜造成很多困難。

　　CD高溫超導電纜提供了一個符合需要的解決方案。首先，它們不產生熱量，也不產生磁場，不會干擾其它的地下設施。另外，它們可以安裝在現有的管道內。與常規大截面銅芯電纜相比，高溫超導電纜重量輕，且相對容易安裝，降低安裝成本。安裝成本一直都在電纜項目成本中占很大的一部分。

　　變電站連鎖電力網絡戰略面臨的另一個難題就是這些連接一般會增加故障電流。隨著并聯越來越多，根據Kirchoff 定律，潛在的故障電流也會越來越大。實際上，即使沒有額外的連鎖電力網絡，故障電流也會增加。在紐約或長島這樣的城市，某些輸電變電站的故障電流已經超過了60,000 A，接近現有電路斷路器的額定值。隨著電網的擴展，故障電流將會繼續增加，雖然更先進的斷路器可以解決這個問題，但這樣的投入不僅昂貴，且陷入了無休止的循環中。

　　解決這個問題的另一個方案是安裝額外的阻抗，比如串聯的電抗器等。世界上許多電力系統都利用了這個方法。但這個方法的效果是有極限的，因為電網中殘留的并、串阻抗隨著電流的增加而增加，電壓會隨著他的增加而降低。這將會導致電壓下垂和系統不穩定。很多電力系統正在快速地接近這個穩定極限，所以迫切需要新的解決方案。

　　AMSC的SSG技術不僅可以利用CD高溫超導電纜解決連鎖電網分布連接的需求，同時滿足大容量、低損耗、能限制故障電流、便于安裝的等需求。利用超導材料的特性，使超導電纜在正常狀態下承擔傳輸電能的任務，故障狀態下可以限制短路電流，起到故障電流限制器(Fault Current Limiter 簡稱FCL)。對比早些時候的概念(J. Paasi et al., IEEE Trans. on Appl. Superconductivity 11 (2001), 1928-31; A. Usoskin et al., IEEE Tans. On Appl. Superconductivity 13 (2003), 1772-5)，這是一個更加實用的設計可以實際應用于不同結構的電纜中，包括配網和傳輸電纜。另外，為這種方案的超導電纜保留了它們在電力容量及其易于安裝等方面的優勢。

　　SSG解決方案涵括了系統及其高溫超導帶材方面的創新。超導電纜系統在電網系統中的結構圖如示意圖4所示。系統包括低阻抗、高容量超導電纜與常規低容量的銅芯電纜并聯。通常來講，常規的并聯電纜其實就是原先已經在電網中運行的電纜，沒有必要進行新的安裝。電抗器可以與常規電纜串聯，通過調節回路阻抗達到理想值ZR 使故障電流限流能力達到要求的水平。一個可以在4個周波內斷路的標準的快速開關與超導電纜串聯。

    系統按照以下方式運行：在通常操作條件下，超導電纜的阻抗是并聯常規電纜(包括其選則的串聯電抗器)的1/6或者更少，電流主要從超導電纜流過，在常規電纜上幾乎沒有電壓壓。當故障電流出現，超導電纜立即轉換成阻抗狀態，限制故障電流。高溫超導帶材制成的超導電纜的電阻被設計成大于常規電纜的阻抗，故障電流將會轉移到常規電纜及其串聯電抗器中，并最終被并聯阻抗ZR限制。4個周波后，快速開關斷開，讓超導電纜恢復其超導狀態。這個過程，如果設計合理，僅需幾分鐘的時間。在這段時間里，常規電纜將過載傳輸電力。幾分鐘后，恢復的超導電纜通過合上快速斷路器重新連接到電路上，再次傳輸主要的電力。如果在此期間故障沒有被清除，系統的電流斷路器打開，啟動電網的標準保護操作程序。

　　不是在所有的條件下都需要并聯的常規電纜。例如，對于一定長度的高溫超導電纜，可以在故障期間吸收能量且不會出現過熱現象，直到現有的電流斷路器打開。在較短的高溫超導電纜情況下，并聯的常規電纜是必需的。

　　AMSC已經申請了一系列關于SSG技術方面的專利。SSG的解決方案與傳統的解決方案相比，在同樣增加電力傳輸能力的同時，可以大大降低短路故障電流。同時，在電力系統中采用其他超導技術，如超導故障電流限制器、超導儲能器、超導變壓器、超導無功補償等技術，將極大推動電力技術的發展，從而形成了真正意義上的超安全電網。

　　4　結束語
　　對于高溫超導導體而言，最大的發展潛力是在電力系統中的實用化，推動電力技術的進一步發展。高溫超導技術在電力系統中的應用將極大地提高電網的效率、輸配電密度、穩定性、可靠性和安全性，從而帶來經濟效益和社會效益。美國能源部(DOE)制定的1998年至2010年國家能源戰略計劃中把超導電力設備的應用作為實現其目標的有效途徑。

　　在我國，應積極研究和推廣超導技術在電力系統中的應用，促進我國電力科技的發展。同時，隨著高溫超導電力應用研究的深入，對于超導材料亦提出了更高的要求，研究如何降低交流損耗、提高抗應力應變能力、提高系統的穩定性等這些對于超導材料制備和超導應用至關重要的問題，將是超導技術最終在電力系統中實用化的關鍵。