21世纪电力传输新材料高温超导电缆综述与展望.pdf

2 0 0 4年第 l期 No1 20 0 4 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e& Ca b l e 2 0 0 4 年 2月 Fe b， 2 0 04 2 1世纪电力传输新材料高温超导 电缆综述与展望 信 赢 ， 侯 波 ( 北京云 电英纳超导 电缆有限公司 ， 北京 1 0 0 1 7 6 ) 薹 t 本 文 简要 回顾 了超导现 象的发现及超 导性研 究和超导材料发展 的历 史， 介绍 了高温超 导电境的基本技 术和 日 内外发展情 况， 对高温超导 电境 的制造成本和运行 费用进行 了评 估， 并探讨 了高温超 导电境在我 国的 应用首景 ， 同时辰望 了高温超导 电境的应用给未来的输电 系统可能带来的革命 性变化 。 关谰 t 高温超导 电境 ； 超 导材料 ； 基本结构 ； 发展情 况； 应用首 景； 未来的 电境传输 系统 ； 综述 与展望 中分类号 ： TM2 4 9 7 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 0 4 ) 0 1 0 0 0 3 0 7 Ge n e r a l i nt r o du c t i on t o a n d f o r e c a s t of hi g h t e m p e r a t u r e s u pe r c on du c t i v e c a b l e，a ne w me d i u m f o r p owe r t r a ns mi s s i o n i n 2 1 Ce nt u r y XI N Yi ng e t a l ( Yu n d i a n Yi n g n a S u p e r c 0 n d u c t i v e Ca b l e Co ，I t d ，B e i j i n g，B e i j i n g 1 0 0 1 7 6 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Thi s p a pe r r e v i ews b r i e f l y t he d i s c o ve r y of s up er c o nd uc t or，r es e ar c h i n t o s up er c 0n du c t i v i t y a n d de v e l o pme nt o f s up er c 0 ndu c t i ng ma t e r i a l sTh e ba s i c t e c hno l o gy a nd d e ve l op me nt a t h ome an d a b r o a d of HTS C a r e p r e s e n t e d Th e p r o d u c t i o n a n d o p e r a t i n g c o s t s o f HTS C a r e e v a l u a t e d Th e p r o s p e c t o f a p p l i c a t i o n o f HTS C i n Ch i n a i s i n v e s t i g a t e d Th e r e v o l u t i o n a r y c h a n g e s o f t h e p o we r t r a n s mi s s i o n s y s t e m t h a t ma y b e b r o u g h t a b o u t b y HTS C a r e e n v i s a g e d Ke y wor d s：hi gh t emp er a t ur e s up er c 0 nd uc t i ve c a bl e；s u pe r c 0n duc t i ng ma t e r i a l s；b a s i c c o ns t r uc t i on；d e v el op me nt s；pr os pe c t of app l i c a t i on；f ut ur e po we r t r a ns mi s s i o n s y s t e m ；g e ne r al i n t r o duc t i o n a nd f or e c a s t l 超导性和超导材料简 介 1 9 1 1年荷 兰低 温 物理 学 家卡 麦林 昂尼 斯 ( K a me r l i n g h On n e s ) 对 汞导 线 样 品进 行 电阻 测 量 ， 在 温度 达到 4 2 K 时 ， 样 品的 电阻突然 消失 了。 他 在 当年 1 0月于布鲁塞尔召开的第一届索尔维大会上 宣 布 了这一 实验结 果 。 当时在会 议上 并没 有引起 多 大的反响 ， 与会者并没有认识到这可能是一个新 的 物理 现 象 的发现 。 在接 下来 的几 年里 ， 昂尼 斯又 和他 的学生 们 一起 发 现 了铟 、 锡 和铅 在 3 4 K、 3 7 K 和 7 2 K 也 出现 了电阻 突然 消失 的现 象 。 直 到这 时 ， 这 种 电阻 突然 消失 的现 象才 得到科 学 界 的重 视 。 因为 导体的电阻消失 ， 所以这种现象被称为超导现象。 具 有超导现象的材料被称为超导体 ， 而对应于某一超 导体电阻突然消失的温度被称为该材料的超导临界 转变温度。 超导体有两个基本特性。 其一在上面已经提到 ， 即零 电阻性 ， 即在超 导临 界转 变温 度之下 ， 超 导体可 收一 日期 ： 2 0 0 3 0 6 一 1 0 作者筲 介 ： 信赢 ( 1 9 5 3 一 ) ， 男 ， 黑龙 江齐齐 哈尔人 ， 工 学博士 ， 总经理 作I I 垃 t 北京经济技术开发 区荣 昌东街 7号隆盛工业 园 5 0 3室E 1 0 0 1 7 6 以在无电阻的状态下传输电流。超导体 的另一个基 本特性是完全抗磁性 ， 也就是说超导体在处于超导 状态 时 ， 可 以完 全排 除磁力 线 的进入 。 这个 现象是 迈 斯 纳 ( Me i s s n e r ) 和奥 克森 费尔 德 ( Os c h e n f e l d ) 在 1 9 3 3 年 发 现 的 ， 所 以称 做迈 斯纳效 应 。 自从 昂尼斯 1 9 1 1年发 现超 导 现 象 以来 到 1 9 8 6 年 ， 人们已发现共有近 4 0种元素是超导体 。被发现 的合金、 化合物超导体的数量达到数千种。 但超导临 界转变温度最高的也只有 2 3 K。1 9 8 6年 4月， I B M 公 司苏黎世实验 室的科学家阿历克斯 缪乐 ( K Al e x Mt i l l e r )和 乔 革 贝 德 诺 冶 ( J G e o r g B e d n o r z ) 发现 在 镧一 钡一 铜一 氧样 品 中 出现 了 3 6 K 的 超 导转 变 1 。这个 发现 在世 界科学 界掀 起 了一股 在 铜基氧化物中寻找超导体的热潮 。1 9 8 7年初 ， 超导 转变温度 为 9 0 K 的钇一 钡一 铜一 氧被发现 ， 这使超导 转变温度高于液氮的气化温度( 7 7 3 K) ， 使资源丰 富、 价格低廉 的液氮作为超导体工作的冷却剂成为 可能 ， 这是个划时代的发现 。 人们随后将这类铜基氧 化物超导体叫做高温超导体 。为了与这类新发现的 高温超导体相区别 ， 人们把在这以前发现的超导体 称为低温超导体 。 1 9 8 8年又有超导转变温度分别为 1 1 0 K和 1 2 5 K的铋一 锶一 钙一 铜一 氧和铊一 钡一 钙一 铜一 氧 超导体被发现。1 9 9 3年 ， 人们发现 了超导临界转变 维普资讯 2 0 0 4年第 1期 No1 2 00 4 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 0 4年 2月 Feb， 20 04 温度为 1 3 3 K的汞一 钡一 钙一 铜一 氧 。 2 高温超导 电缆 技术概 要 2 1 概 述 超导材料的零 电阻特性使其成为电流传输的理 想导体 。使用超导材料作为导体的传输的电力电缆 被称 为超 导 电缆 。低温超 导 体应用 时需 要液 氦作 为 冷却剂 ， 液氦的价格很高， 这就使低温超导电缆丧失 了工业 化应用 的可行性 。若 使用 高温 超导材 料 作为 导 电线 芯 ， 并制造 成 的超导 电缆 ， 就可 以在 液氮 的冷 却下无电阻地传送 电能。高温超导电缆的出现使超 导技术 在 电力 电缆 方 面 的工 业应 用成 为可 能 。 2 2 高温超导电缆所使用的导体材料 目前市场上可以得到的并用来制造高温超导电 缆 的材 料 主 要 是 银 包 套 的铋 系 高 温超 导 材料 ( B i ， P b ) 。 S r 。 C a 。 C u 。 O。 。 的 多 芯 带 材 ， 它 的超 导 临 界 转 变 温度为 1 0 5 1 l 0 K， 临界工程电流密度为 8 0 0 0 1 2 0 0 0 A c m。 。 目前 世 界上 最 大 的生 产厂 家 是 美 国 超 导公 司 ( A me r i c a n S u p e r c o n d u c t o r ， C o ) ， 其 生 产 能力和产品技术指标都处于领先地位 。我国的北京 英 纳超导 技术 有限 公司 的生 产能力 和产 品技术 指标 也处 于世 界前 列 。 当前 ( B i ， P b ) 。 S r 2 C a 2 C u 。 O 。 的多芯 带材的市场价格是 2 0 0 3 0 0 美元 k A m。 2 3 高温 超导 电缆 的基本 结构 高温超导电缆的基本结构与常规电缆有很大的 差异 ， 从 内到外 ， 一般 依次 为 ： 丑 】 单芯电缆 ( 1 )内支 撑管 。通 常为 罩有 密致 金 属 网的金 属 波纹 管 ， 作为超 导带 材排 绕 的基 准 支撑物 ， 同 时也用 于液 氮 冷却 流通管 道 。 ( 2 )电缆导 体 。由铋 系 高温 超导 带材 绕制 而成 ， 一 般 为 多层 。 ( 3 )热绝缘层 。通常由同轴双层金属波纹管套 制 ， 两层 波纹管 间抽 真空 并嵌有 多层 防辐射 金 属箔 ， 其 功能 是使 电缆 超导 导 体 与外 部 环境 实 现热 绝 缘 ， 保证 超导 导体 安全 运行 的低温 环境 。 ( 4 )电绝缘 层 。 电绝 缘层 置于热 绝缘 层外 面 的 ， 因其处 于 环境 温 度 下 ， 故 习惯 上 被称 为 常温 绝 缘超 导 电缆 ( 或热 绝缘 超 导 电缆 ) ， 常 温绝 缘超 导 电缆 的 电绝缘 层 由常规 电 缆 绝缘 材料 制 作 ； 电绝 缘 层 置 于 热绝缘 层 里 面 的 ， 在 电缆进 行 运行 状 态 时处 于 低 温 环 境 ， 故 被称 为冷 绝缘超 导 电缆 ， 这 类 电缆 的电绝缘 层需要用适合于低温环境的电气绝缘材料制造 。 ( 5 )电缆 屏 蔽层 和护层 。电缆 屏蔽 层 和护 层 的 功能与常规电力电缆类似， 既起着电磁屏蔽， 短路保 护， 也起着物理、 化学和环境的防护等 。常温绝缘超 导 电缆 屏蔽 层和 护层 的材料 与常规 电缆 没有 什么不 同 ； 冷绝 缘 超导 电缆 的屏蔽 层可 以用超 导材 料制作 ， 护层 与常规 电缆 相 同。 除了上述的主要元件之外， 高温超导电缆的结 构中还可能包括一些辅助元件， 例如电缆导体层问 绝缘膜 、 约束 电缆各部分相对位置的包层 和调距压 条等 。图 1为高 温超导 电缆 的结构 示 意图 。 b ) 三芯 同轴 电缩 图 1 高温超导电缆结 构 2 4 高温超导电缆的附件 高温超导电缆的运行条件与常规电缆有很大的 差 异 ， 所 以与之 配 套 的 附件 也 与常 规 电缆 的附 件 有 很大区别 。 高温超导 电缆的附件有两个部分组成 ， 一 个是制冷系统 ， 另一个是 电缆终端 。 ( 1 )制冷系统。高温超导电缆需要低温的工作 环境 ( 一般为液氮温 区) ， 所 以必须 配备相应 的制冷 超 c ) 三芯平行电缆 系统 。 电缆 的制 冷 系统 通 常 由制 冷机 组 、 液氮 泵 和液 氮储 罐等 部分 组成 。 ( 2 )电缆 终端 。电缆终端 是 超导 电缆 和 外部 其 他电气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。除类似于常规电缆终端 担负电气安全连通 的作用之外， 还要保证实现温度 的过 渡 。 终 端 的结 构是 和 电缆 的结 构相 配套 的 ， 常温 维普资讯 2 0 0 4 年第 l 期 No 1 2 0 0 4 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 0 4年 2月 Fe b ， 2 0 0 4 绝缘超导电缆与冷绝缘超导电缆的终端在结构上是 有很大区别的。 2 5 ；膏叠超导电线的运行损耗 因 导体 的电 阻 为零 ， 所 以高温 超 导 电缆 在 运行 时 基本没有焦耳热 ( 等于电流的平方乘 以电阻) 产 生 ， 这与常规电缆有很大的差异。 常规电缆运行时的 主要损耗是产生焦耳热所带来 的能量损耗 ， 但交流 输电时的磁滞损耗 ( 简称交流损耗) 及绝缘材料的介 质损耗仍然存在。 另外 ， 在计算超导电缆的运行损耗 时 ， 还必 须考 虑为 其配 套 的制冷 系统 所消耗 的能 量 。 一 般地 说 ， 在液 氮 温 区电缆 产生 1 w 的损 耗 需要 消 耗 1 5 w 左右的制冷能量 。 综合起来考虑 ， 在传输相 同容量 的电能时， 高温超导电缆 的运行损耗约为常 规电缆 的 5 O - - 6 0 。 2 6 膏温超导电线的分类 可 以 从 以下 几 个 方 面 对 高 温 超 导 电缆 进 行 分 类 ： ( 1 )按传 输 电流种 类分 为直 流和交 流 电缆 ； ( 2 )按 电气绝缘 结 构分 为 常温绝 缘 电缆 与冷 绝 缘 电缆 ； ( 3 )按电缆导体结 构分为单芯电缆、 三芯平行 ( 三 根绝 缘 线 芯 轴 向平 行 安 置 ) 电缆 和 三 芯 同 轴 电 缆 ， 如 图 1所示 。 3 高温超导 电缆技术的发展情 况 3 1 国外 情况 高温超导电缆技术的发展已有十余年的历史 ， 到 目前 为 止 ， 参 与 高 温超 导 电缆 技 术研 究 的 国家 主 要有 ： ( 1 )美 国 。1 9 9 2年 在 美 国 能 源 部 的 支 持 下 ， P i r e l l i 公司北美分部开始对高温超导电缆技术进行 研究和开发 ， 从而使美国成为最早发展 高温超导 电 缆技术的国家。由于政府和大公司的高度重视与参 与， 凭借强大的人才、 科技、 资本和组织管理优势， 使 得其高温超导电缆的研究开发工作一直走在世界前 列 。图 2为美国高温超导电缆项 目发展的里程碑。 图 2 美 国高温超导电缆项 目发展的里程碑 1 9 9 9年底 ， 由 S o u t h wi r e公 司牵头研 制 的 3 0 S o u t h wi r e公司牵头 ， 在 3 4年时间内研制出一组 m， 3相 ， 1 2 5 k V 1 2 5 0 A冷绝缘高温超导电缆并网 1 0 0 0 f t ( 1 f t 一0 3 0 4 8 m) 高温超导 电缆 系统 ， 用来 运行 ， 标志着高温超导电缆技术趋于成熟 。 到 目前为 替换俄亥俄州哥伦布市输 电网络中原有的一段充油 止 ， 这组 电 缆 系统 已连 续 运 行 了 3 0个 月 ， 没 有 发生 电缆 。 影响运 行 的技术 问题 。 2 0 0 1年 P i r e l l i 公 司北美 分部 完成了一组 1 2 0 m， 3相， 2 4 k V 2 4 0 0 A常温绝缘高 温超导电缆， 但在敷设安装时操作失误 ， 使其中两根 电缆的绝热部分遭到严重损坏 ， 已无法并 网运行。 美 国能 源 部提 出超 导 电力 技 术 是 2 1 世 纪 电力 工业唯一的高技术储备 ， 所 以对发展高温超导电缆 技 术大 力 推动 和 在政 策 、 资 金 上 给予 积 极有 力 的支 持。 目前 ， 美国有三个新的更大规模的高温超导 电缆 工程已经立项 。它们是 ： 1 )美 国能 源部 出 5 O 9 ， 5 ( 9 0 0万美元 ) 的资金 ， 2 )美 国能源部出 5 0 ( 1 5 0 0万美元 ) 的资金 ， 由 A me r i c a n S u p e r c o n d u c t o r公司牵头， 在 2 0 0 5年 底前研制一组 2 0 0 0 f t 高温超导 电缆系统 ， 在纽约州 长岛地区并 网运行。法国 Ne x a n s 公 司将参与该项 目合作 。 3 )纽约州出资 6 0 0万美元 ( 约 占总投资 2 5 ) ， 由 I GC公 司 牵头 ， 在 2 0 0 5年 底前 研 制 一 组 3 5 0 m 高温超导电缆系统， 在纽约州奥伯尼市并 网运行。 日 本住友电气公司将参与该项 目合作 。 ( 2 )日本 。日本新能蕾【 开发机构认为 ， 发展高温 5 维普资讯 2 0 0 4年第 1 期 No1 2 00 4 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e 8 L C a b l e 2 0 0 4年 2月 F e b ， 2 0 0 4 超导技术是在 2 1世纪国际高技术竞争中保持尖端 优势的关键所在 。在 日本政府组织的新能源机构的 协调下， 有多家大公司、 院校和科研院所从事高温超 导 电缆 的开 发 研制 ， 如东 京 电力 公 司 、 古河 电工 、 住 友电气和富士公司等 。 在有关研发项 目中， 政府机构 都有相当大的资金支持。他们在 已完成的高温超导 电缆导体和模型电缆研 制和试验基础上 ， 现在工作 主 要 集 中在 低 损 耗 高 温超 导 ( H TS ) 线 材 及 电 缆 结 构 ， 低温 电气绝缘 、 热 绝缘 、 制冷 系统 、 终端 和接 头技 术等 方面 。 东京 电力公 司与 其它 公 司 、 机构 合作 ， 开发 了两 个 6 6 k V 1 k A 级 电缆模 型 、 两 条 5 0 m 电缆导 体 和 一 组 3 0 m 电缆系统原型。为了全面掌握高温超导 电缆 实 用 技 术 ， 对 各 电缆 试 样 作 了大 量 试 验 ， 包 括 I X： 和 AC载流量试验 ， 交流损耗测量， 导体 电流测 量 ， 热机械性能和热绝缘性能试验等。 配套设计 了三 种 不 同形 式 的 电缆终 端 ， 对 电气绝 缘 方式 和热 绝缘 方 式进行 了详 细研 究 。 2 0 0 2 年 住 友 电气 和东 京 电力 公 司合 作完 成 了一 组 1 0 0 m， 3相 ， 6 6 k V 1 k A 三 芯 平 行 电缆 系统 ， 并 且在 东京 电力 实验场 完成 了测试 ， 见图 3 。 图 3 日本 住 友 电气 和 东 京 电 力 公 司合 作 完成 的三芯平 行 电缆 系统并 在东京 电力试验场完成 了测试 ( 3 )德 国。 S i e me n s公司一直密切关注着高 温 超 导 电缆 的研 究开 发 。该公 司技术 部和 能源输 送部 合 作 ， 于 1 9 9 6年 3月 开始 试制 第一 个 1 0 m 电缆样 品 ， 之后 研制 了多个 超 导 电缆 样 品 。为 了 4 0 0 MV A 超 导 电缆研制 和超 导 电缆工业 化 生产 的前期 验证 的 需要 ， 又制造 了一条 5 0 m 长单 芯电缆 导体 。 1 9 9 8年 S i e m e n s公 司 能 源 输 送 部 被 意 大 利 P i r e l l i 公 司并 购 ， 其 电缆 研 究工 作 目前仍 在继 续 ， 开 发 了 1 1 0 k V 4 0 0 MVA 冷绝 缘 单 相 交 流 电力 电 缆 模型系统 ， 在 1 9 9 9年完成电缆终端的低温和高压试 验后 ， 整个 1 1 0 k V 4 0 0 MVA冷绝缘高温超导单相 交流电缆模型系统将进行长期综合性能试验 。该项 试验计划将于 2 0 0 5年结束 ， 届时具有商业用途的高 温超导电力电缆可望投放市场。 ( 4 )丹麦 。在 丹麦 能源部 的组 织下 ， 由 NKT公 司 牵 头 ， 包 括 DT U， R i s国 家 实 验 室 ， D E F U， E 1 一 t r a E l k r a f t 公 司 和 哥 本 哈 根 能 源 公 司等 进 行 研 究 。 在 项 目资 金 的支持 方 式 上 ， 政 府 通 过减 免 有 关公 司 部 分所得 税 的方式 ， 对相关 项 目给予 支持 。 2 0 0 1年 5月 2 8日， 丹 麦 NKT公 司 宣布 ， 其 3 0 m长 ， 3 0 k V 2 k A热绝缘结构实用化高温超导电缆 顺利实现挂网运行 。此项 目的根本 目的是在实际使 用 的电网中演示高温超导电缆系统的性能， 收集高 温超导 电缆 系统安 装运行 的经 验数 据 。 ( 5 )韩 国 。 韩 国起 步较 晚 ， 但是 其政府 雄 心勃勃 地制定 了十年规划 ， 从超 导带 材到超 导 电缆 ， 系统开 展大规模 研 究 ， 如表 1所示 。 3 2 国 内情况 从上世纪 9 0年代开始 ， 我国开始高温超导电缆 技术的研究， 但无论从投入的资金来看 ， 还是从阶段 性成果 的水 平来 看 ， 与美 国、 日本等 发 达工业 国家相 比都 有很 大的差距 。 我国高温超导电缆技术的研究工作早期主要在 中科 院 电工研究 所进 行 。 1 9 9 8年 电工所研 制 了1 m， 1 k A级 B i 系高温超导电缆的导体模型。2 0 0 0年 1 2 月 1日， 完成 了 6 m， 2 k A级高温超导电力 电缆导 体 模 型 的研 制 ( 见 图 4 ) ， 电缆 的 临界 电 流达 到 2 4 8 0 AL 引 图 4长为 6 m 的高温超导 电力 电缆导体模型 2 0 0 1年 9月， 北京云电英纳超导电缆公司启动了 我国第一组实用 3 0 m， 三相 ， 3 5 k V 2 0 0 0 A 常温绝缘 高温超导电缆项 目。这个项 目由云南电力集团公司投 资， 并得到北京市和国家科技部“ 8 6 3 ” 计划的大力支 持， 计划在 2 0 0 4年完成这组高温超导电缆系统在昆明 普吉变电站并网试运行 。根据 目前可 以得到 的国内外 信息预测， 届时这将成为世界上第三组并网运行的高 温超导 电缆系统 ， 在性 能指标上优 于 目前 已经投运 的 美 国 S o u t h wi r e公司和丹麦 NK T 公 司的两组 电缆 系 统 。这个项 目的完成将大大缩小 我国与发达工业 国家 在高温超导电缆技术上的差距 。 维普资讯 2 0 0 4 年第 l 期 No 1 2 0 0 4 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e C a b l e 2 0 0 4年 2月 Fe b， 2 00 4 裹 1 韩 国超导 电缆研 究计划 2 O O l 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 I 2 O l O I 一 、基本技术研究 二 、 高性能及实用化研究 三 、 技术转让及商业运作 阶蜃 目标 2 2 9 k V 5 0 M yA， 3 0 m HT S 1 5 4 k V 5 0 0 MVA， 1 5 4 k V 1 GVA ， 电缆 系统 1 0 0m HT S电缆系统 2 0 0m HT S电缆系统 实用化 2 2 9 k v 5 o MV A 1 5 4 k V 5 0 0 MV A， 1 0 0 m 1 5 4 k V 1 G V A 2 0 0 m 设计翻造 实用化研究 3 0 m 电缆研发 电缆研发 标准化 和实 终和接头 2 2 9 k V终端 1 5 4 k V， 2 0 0 0 A终端 1 5 4 k V， 4 0 0 0 A终端和接头 用化研究 系统 设计 和评估 2 2 9 k V 5 0MVA系统 1 5 4 k V， 5 0 0 MVA系统 设计、 评估 1 5 4 k V， 1 GVA 系统 大规模带材生产 超导线材 大规模生产系统 商业运用 ( I c ( 1 3 ( 3 ) 7 0 A， 7 7 K， 自场) 冷却系统 3 0m冷却 系统 1 0 0 m 循环冷却 系统 2 0 0 m 自动及免维护系统 实用化研 究 使用方式及接人 接人系统分析及 挂同运行 现场运用 可靠性研究 系统分析 HT S系统保护 4 鼻沮超导 电缆 的应 用前 景 4 1 矗江超 导 电缆 的性能 优势 与常规电缆相 比， 高温超导电缆具有以下几个 方面的优势 ： ( 1 )损耗低。高温超导电缆的导体损耗不足常 规 电缆 的 1 l O ， 加 上 制冷 的能 量 损 耗 ， 其 运 行 总 损 耗也仅为常规电缆的 5 O 6 0 ； ( 2 )容量大。同样截面的高温超导电缆的电流 输送能力是常规 电缆的 3 5 倍 ； ( 3 )节约材料 。同样传输能力的高温超导电缆 与常规电缆相比， 使用较少 的金属和绝缘材料 ； ( 4 )无污染。高温超导电缆没有造成环境污染 的可能 性 ， 而 常规 充 油 电缆 存 在着 漏 油 而造 成 污染 环境的危险。 另外， 高温超导电缆也具有低噪音的特 性 。 4 2矗超导 电缆 的 制造 和运行 成本 目前 ， 在我国制造电压等级为 3 5 1 1 0 k V和 1 1 0 k A 的超导电缆的成本 ( 部分材料进 口) 为人 民 币 1 5 2万元 k A m。在形成批量生产并且材料 实现完全国产化( 需 3 S年时间) 后 ， 可降低为 0 8 1 0万元 k A m。 目前交 联 聚乙烯 常规 电缆 的价 格 为 0 O 6 O 0 8万元 k A m。 表 2为丹麦 NKT 公 司测算 出的 以 4 k m 长、 4 S 0 MV A传输容量、 1 3 2 k V 电压等级为例 的超导 电缓与相同电压等级常规铝 电缆 的一些基本参数和 成赛鳆l 匕 奢 。 裹 2 高置超导电缠( HT S ) 与铝芯 交联聚 l乙烯绝缘 电力电缆( x L P E A I ) 的 比较 注 MUS D为 百万美元 MUS D y为每年的 爵万美兀 。 从表 2可以看出， 在几公里以上的线路建设 中， 超导 电缆成本比常规电缆略高一些 ， 但运行损耗减 少， 综合考虑经济上具有相当的可行性 。 虽然在电缆 的造价上短时期 内超导电缆还要远高于常规电缆 。 但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。 而且所需要传输的电能容量越大 ， 在输电网路的 建设总成本方面使用超导电缆与使用常规电缆的差 距 就会 变得越 小 。 4 3 高 温超导 电缆 的市 场和社 会 需求 人们在享受现代文明的同时 ， 面临着 日益严重 的能源危机 。 在被称为数字化时代的今天 ， 一方面能 源供应越来越紧张， 另一方面电能又大量浪费在输 电过程中。 在美 国， 每年仅在输电线路上的损失就高 达 4 O 亿美元。如果使用高汉超导 电缆 ， 不仅可以减 7 维普资讯 2 0 0 4年第 1期 No1 20 0 4 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 4年 2月 Fe b 2 0 04 少输 电损失 ， 而且 可 以节约 大量 的金属 材料 ， 这 也意 味着减少了冶炼金属附带的污染 。高温超导电缆损 耗低 ， 没有环 境污 染 ， 可 以满 足城 市不 断增长 的 电力 需 求 ， 并可 以最终 减少 电力 运行 成本 。 在我国， 全 国装机总容量已突破 3 1 亿 k w ， 仅 次于美国， 居世界第二位 ， 以三峡工程建没和西部电 力能源基地开发为标志， 加上 国民经济持续发展和 城市化趋势演化加剧 ， 政府竭力推进的城网、 农网改 造 工程 开展 ， 可 以预计 我 国未来 二 十 年 电力 工业 的 发展速度仍保持快速增长， 我国电力工业市场的存 量 和增 量都 十 分 庞大 ， 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 2 5 0 GW ， 占全 国可 开发 容 量 7 1 2 。全 国规 划 1 2 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 。 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 1 5 0 0 2 5 0 0 k m， 为 了提 高长距离输电的效率 ， 采用特高压 ( 5 0 0 k V) 输电 系统已是必然趋势 。预计当水电站枢纽的输变电系 统 采 用特 高压 下 引 出 电能 时 ， 在 出线 空 间更 为 困难 的条件下 ， 特高压电力 电缆可能成为电站引出线的 唯一选择 。而特高压 ， 如 1 1 0 0 k V下传输大容量电 能 ( 2 G W ) 的电缆 ， 在设计 和 制造 中存在 很多技 术 上的难点， 国际上还没有成熟技术， 我国特高压电力 电缆技 术完 全处 于空 白 。 如果 用 超导 电缆进 行输 电 ， 电压不 用升 得很高 ， 损 耗和空 间 可 以大 大减 小 ， 将 根 本解决 “ 西 电东送 ” 等 长距离 大容 量送 电 问题 。 目前远 程大 容量 电力输 送一 般采用 架 空钢芯 铝 绞线或钢芯铝合金绞线， 大城市的输 电一般采用地 下电缆 ， 导体为铜线或铝线 。 使用这些传统的输电线 或 电缆 ， 电能 在输送 过 程 中要 损 失 5 1 O ( 京 津 唐 电 网线 损 率为 7 7 9 ) 。损 耗 主要 来 源于 导线 的 电阻 ， 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 2 2 0 k V 或 5 0 0 k V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 果使用超导 电缆， 其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 5 O 左 右 。北 京 市 2 0 0 1年 的用电量 为 3 3 2 9 8亿度 ， 按京津唐 电网线 8 损率为 7 7 9 计算 ， 每年输电损失电能为 2 6 亿度 ， 以电价每度合人 民币 0 4 0元计算 ， 则北京市 2 0 0 1 年输电损失为 1 O 4亿元。 如果将输电网络改用超导 电缆 ， 仅 2 0 0 1年一 年就可 减少损 失 5亿元 。 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 7 O 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 ， 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。 4 4 高温超 导 电缆的 近期应 用 由于 目前高温超导 电缆的造价还很高， 高温超 导 电缆输电线路的初投资规模 巨大， 加上高温超导 电缆的工业化生产能力还不高， 所 以高温超导电缆 的大规 模应用 还需 十 年或更 长 的时 间 。但 在下 面几 个方 面 高温 超导 电缆 有可 能很 快 显 示 出优 势 ， 并在 近期得 到应 用 ： ( 1 )城市密集居住 区、 摩天大厦， 常规电缆容量 不够 ， 没有 更大 电缆 的空 间 ； ( 2 )金属冶炼设备等大电流、 短距离、 小空间的 应用 中 ； ( 3 )电站和变电站内大电流传输母线； ( 4 )电力需 求迅猛 发展 的大城市 ， 要求的供电 容量不断扩大 ， 由于城市的拥挤和开挖成本高昂， 无 法扩大电缆敷设范围， 借助超导电缆， 可以在原有的 管道 内更换， 使供 电容量提高 3 5 倍 。 1 9 9 9 年世界银行等有关机构预测， 2 0 0 5年市场 上将出现商品化的高温超导电缆产品， 2 0 2 0年高温 超导电缆将取代 8 O 的城市传统地下电缆， 世界市 场超导电缆销售额将达 3 0 0亿美元。 5 未来的 电力输送 系统 高 温超导 电缆 的大 规模 应 用必将 带动 超导 技术 应用于其他电力设备， 如大电机、 变压器和限流器 等 ， 这将从根本上推进电力工业的发展 ， 深刻改变人 们对电力传输 的传统观念和做法 ， 大大提高用电质 量 和水平 ， 进 而给整 个社 会带来 巨大 进步 。 下面 介绍 两个 以高温 超导 电缆技 术为 核心 的理想 中的未 来 电 力 ( 能 源) 输送 系统 。 5 1 超 导 直流城 市供 电环 网L 4 图 5为 超导直 流城 市供 电环 网示 意 图 。在 这个 电力输送系统 中， 城市的电力是通过大容量 、 低损 耗、 高可靠性、 安全环保的直流环路输 电网来提供 维普资讯 2 0 0 4年第 1期 NoI 2 00 4 电 线 电 缆 El e c t r ic W i r e& Ca b l e 2 0 0 4年 2月 Fe b 2 00 4 的， 其中有超导电缆组成的大电流网络 。 图 5