超导电力电缆的发展.pdf

2 0 0 0年第 4期 N o4 200 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W r e Ca b l e 2 0 0 0年 8月 A ug， 2 000 1 超导电力电缆的发展 。 邱 毓 昌 ， 罗 俊 华 ，夏 明 通 T 川 1 ( 1 西 安 交通 大 学 ， 陕 西 西 安 7 1 0 0 4 9 ； 2 甘肃 长 通电 缆 ( 集 团) 公 司 甘 肃白银7 3 0 9 0 0 ； ： 精案 繁i 溺 斯 发 菘 激 2 美 毽 词 ：电 力 电 缆 超 导 体 ；低 温 绝 缘 发 展 | 音 1 l也 J U ， 。 。 翩 妤 坞 蛇 钮 盼 眨 De ve l opm e nt of s up er c onduc t i v e powe r c a bl e 。 I 、 Q1 U Yu c h a n g e t a l ( Xt a n J L a o t on g Un i v e r s k yEl e c t r i c I n s u l a t i on Re s e a r c h C en t e r - X an 71 00 77，Sha anx Pr ovi n ce Abs t r a ct The a dvant a ge s ol t he sup er c o nduc t i v e powe r c abl e an d c ha r ac t e r i s t i c s of di f f er ent c a b l e d e s i g n a s we l l 8 S t h e RD a br o a d a r e p r e s e n t e d Key wor ds：powe r c abl e；s up e r c on du ct i vi t y；c r yo geni c i n su l a t i on；de v el opment 超 导 现 象是 1 9 l 1 年 发 现 的 ， 由 于 当 时 超 导 材 料 的 临 界 温 度 丁 很 低 ( 丁 4 K ) 一 所 以 很 难 用 来 研 制 超 导 电 缆 。 2 0世 纪 6 O年代 出 现 的 铌 一 钛 等 超 导 材 料 具 有 稍 高 的 临 界 温 度 ( 丁 一 6 8 K) ， 促 进 了超 导 电 力 电 缆 的开 发 研 究 ， 但 这 些 材 料 仍 属 于 低 临 界 温 度 超 导 体 ( 简 称 为 低 温超 导 体 ， I TS) 。 1 9 8 6年 发 现 的 高 临 界 温 度 ( 丁 一 7 7 K) 超 导 体 ( 简 称 为 高 温 超导 体 HTS) ， 使超 导 电缆 的研究 开发 步 伐 加 快 。 目前 美 国 、 日本 等 国都 已 制 成 几米 长 的 超 导 电 缆 样 品 ， 美 国 皮 莱 里 ( Pi r e l l i ) 北 美 电 缆 公 司 计 划 于 2 0 0 0年 在 底 特 律 爱 迪 生 公 司 的 电 阿 中敷 设 一 条 1 3 0 m 长 的 2 4 k V 1 o o MVA 超 导 电 缆 进 行 试 运 行 0 。 预 期 超 导 电 缆将 在 2 0 1 0年 前 商 品化 。 ” 。 l 超 导 电缆 的优 点 理 论 上 铋 系 HTS 的 临 界 电 流 密 度 可 达 1 0 A c m。 ，目前 的 制 造 水 平 是 2 1 0 A c m。 ， 今 后 一 1 0 A c m 是 不 成 问 题 的 。 因此 超 导 电 缆 最 主要 的 优 点 是 ： 载 流 量 大 、 尺 寸 小 。 超 导 材 料 在 进 超 导 状 态 时 ， 其 直 流 电 阻 几 乎 为 零 ； 但 对 交 流 电 缆 来 说 ， 超 导 体 中 仍 会 有 磁 滞 涡 流 损 耗 ， 所 以 电 导 损 耗 不 可 忽 略 。 但 其 值 比 常 规 电 缆 要 小 得 多 ， 即 使 计 及 低 温 冷 却 所 需 的 电 力 ， 其 电 力 损 耗 仍 比常 规 电 缆 要 小 。表 1给 出文 献 4 对 输 电容量 为 9 0 0 0 MVA 的 超 导 电 缆 与 常 规 电 缆 的 比 较 ， 从 表 中 可 清楚 地 看 到 超 导 电 缆 的 优 点 。 裹 1输 电窖 9 0 0 0MVA 的超 导 电缆 与 常规 电缆 比较 1 999 1 2 30 瞎 新于 人 妻 薹 (19 3 4 作 者 简 介 ：邱毓 昌 一) ， 男 ， 浙 江宁 渡 人 ， 教 H 例 镯 、 p I1 0 “ 册 ， J 姒 授， 博士生导师 设 管道 或 涵 洞 的 尺 寸 。 如 日本 东 京 电 力 公 司 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 2 0 0 0年 弟 4期 N O 4 200 0 电 线电 缆 El e c t r i c w i r e Ca b l e 2 00 0年 8月 Aug ， 2 0 0 0 分别 与住 友 电气 工业公 司和古河 电缆公 司台 作 开 发 输 电 容 量 为 1 0 0 0 MVA 的超 导 电 缆 ， 就 是 为 了 满 足 东 京 地 区 负 荷 增 长 的 需 要 。 超 导 电缆 的 另 一 个 应 用 场 台 是 对 原 有 地 下 电 缆 网 络 的增 容 。 以 往 一 般 都 是 提 高 电 缆 网 络 的 电 压 来 增 容 ， 使 增 容 后 电缆 仍 可 在 原 有 的 地 下管 道 中敷 设 ； 若 采 用超 导 电 缆 ， 则 不 必 改 变 电 缆 阿络 的 电 压 就 可 达 到 增 容 的 目 的 ， 使 电 网 改 造 费 用 降 低 为 室 温 绝 缘 方 案 适 用 于 美 国 电 缆 阿 的 增 容 ， 而低 温绝 缘方 案则适 用于世 界各地新 安装 的 超 导 电缆 。 衰 2常温 介质 与低 温 介质 HT S电缆 的 比较 注 ； 表 中 三 种 电 缆 均 为 1 1 5 k V ， 安 装 在 外 径 为 2 0 3 c m 的 昔道 中 2超 导 电缆 的绝 缘 介 质 3 HT S与 LT S电缆 的 比较 已开 发 的超 导 电 缆 样 品 可 分 为 两 类 ， 即 L TS电 缆 0 和 HTS电 缆 t 。 一 ， 但 从 电 缆 绝 缘 介 质 所 处 的 温 度 看 ， 则 有 三 种 情 况 即 LTs电 缆 中 绝 缘 处 于 液 氦 温 度 ( 6 8 K) ； HT S 电 缆 中 绝 缘 处 于 液 氮 温 度 ( 7 7 K) ； 和 HT S 电缆 中采 用 常 规 的 室 温 绝 缘 介 质 。 文 献 1 的研 究表 明 ， 各种 聚合物 在低 温下 的绝缘 强 度 均 远 高 于其 室 温 下 的 绝 缘 强 度 ， 且 介 质 的 损 耗 t g b 在 低 温 下 也 变 得 很 小 ， 例 如 挤 塑 绝 缘 的 t g b 在 7 7 K 时 为 51 0 一 ， 在 6 8 K 时 为 21 0 一 所 以 绝 缘 材 料 的 电 性 能 在 低 温 下 是 很 理 想 的 ， 主 要 的 问 题 在 于 材 料 的 热 收 缩 性 能 ， 应 保 证 绝 缘 介 质 在低 温 下 不 开 裂 。 文献 5 比较了用于研制 L T S电缆的三种绝 缘 介 质 ， 其 中 低 密 度 聚 乙 烯 在 温 度 下 降 至 1 7 0 K 时 发 生 开裂 ， 交 联 聚 乙烯 在 4 0 K 时 发 生 开 裂 ， 只 有 乙 丙 橡 胶 ( E P R) 可 用 于 6 8 K 的 低 温 ， 所 以该 文报 道 的 LTS 电缆 样 品 是 用 E P R 作 为 绝 缘 介 质 的 。 由 此 可 见 ， HTS 电缆 的 绝 缘 问 题 比 I TS 电 缆 要 容 易 解 决 ， 例 如 XL P E 就 可 以 用 作 HTS 电缆 的 绝 缘 介 质 至 于 在 HTS电 缆 中 采 用 室 温 绝 缘 的 方 案 ， 从 绝 缘 技 术 角 度 看 固 然更 为 简单 ， 因 而电力 公 司 的初始 投 资 可 以 低 些 ， 但 困 其 性 能 指 标 不 如 采 用 低 温 绝 缘 的 方 案 ， 所 以长 期 运 行 费 用 较 低 温 绝 缘 的 HTS 超 导 电 缆 高 。 表 2给 出 美 国皮 莱里 北 美 电 缆 公 司 对 这 两 种 绝 缘 方 案 的 比较 一 ， 该 公 司认 -R I TS 电 缆 必 须 使 用 昂 贵 的 液 氦 冷 却 。 HTS 电缆 用 液 氮 冷 却 ， 费 用 仅 为 液 氦 的 1 5 0 左 右 。 所 以 近 年 来 各 国都 在 研 究 开 发 HTS 电 缆 。 表 3给 出文献 2 对 HTS、 LTS及常规 电 缆 的 比较 ， 可 以 看 出 HTS 电 缆 的 尺 寸 最 小 。 文献 6 表 明 ， 上 述 三种 电缆 中 HTS的运 行 费用 也 是 最 低 的 。 衰 3输 电窖 1 0 0 oMVA的 L T S 、 HI S电缆与 常 规 电缆 的 比较 电缆 粪型 常规 充油 电 缆LTS电缆HTS电 缆 电 压 ， 电 流 2 7 5 k Vi l k A 6 6 k V 9 k A 6 6 k v， 9 k A 电缆 敷没 单 芯 电缆 三 芯 电缆 三 芯电 缆 2回线 1回线 l回线 电 缆外 径 或 B8 0 0 mm 3 6 0 mt I l l 3 0 t i l e r 敷没 宽 度 B 运 行费 用 研 制 HTS 电 缆 的 主 要 困 难 在 于 如 何 将 脆 性 的 HTS材 料 做 成 电缆 的 导 体 。 虽 然 目前 已 知 的 HTS材 料 有 好 多 种 ， 但 只有 少 数 几 种 可 制 成 长 导 线 或 长 的 带 状 薄 膜 ， 因 而 具 有 工 业 应 用 价 值 最 有 应 用 价 值 的 是 含 铋 的 B S C CO一 2 2 2 3( Bi Sr Ca Cu O 超 导 材 料 的 一 种 ) 口 。 这 种 材 料 可 制 成 1 0 0 0 m 长 ， 4 mm 宽 的 带 状 薄 膜 ， 其 临 界 电 流 在 8 0 A 以上 另 一 种 HT S 材 料 是 YB C O一 1 2 3 ( 成 分 为 YB a Cu O) ， 其 有 效 临 界 电 流 密 度 比 BSC CO一 2 2 2 3高 ， 但 目前 只 能 制 造 很 短 的 试 样 ， 尚无 工 业 应 用 价 值 。 日本 东 京 电 力 公 司 与 住 友 电 工 公 司 台 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 2 0 0 0年 第 4期 No4 2 000 电 线电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 0年 8月 A ug， 200 0 作 ， 已开 发 出 7 r i l长 的 6 6 k V 1 kA 的 HTS 电缆 样 品 ， 并且 与古 河 电缆 公 司台 作 开发 出 5m长 的 6 6 k V 1 4 k A 的 HTS电 缆 样 品 ， 目前 正 在 开 发 5 0 r l l 长 的样 品 ! 。 在 美 国 从 事 超 导 电缆 开 发 工 作 的 主要 是 皮 莱 里 北 美 公 司 和 南 方 电线 公 司 ， 前 者 在 开 发 5 0 r l l长 的 1 1 5 k V 4 0 0 MVA 的 常 温 介 质 的 HT S 电 缆 ， 后 者 在 开 发 3 3 r i 1 长 的 1 2 4 k V 1 2 5 0 A 的 超 导 电 缆 。 4结束 语 超 导 电缆 载 流 量 大 、 尺 寸 小 ， 可 以 满 足 人 口稠 密 的 大 都 市 电 力 负 荷 增 长 的 需 要 。采 用 低 温 绝 缘 介 质 的 HTS 电缆 具 有 最 佳 的 技 术 经 济 指 标 ， 是 超 导 电缆 研 究 开 发 的 主 要 方 向 c 上 接第 6页 ) 国 内 有 几 家 厂 引 进 了 国 外 几 台绕 包 机 ， 有 的 厂 也 进 行 了 国 产 化 尝 试 ， 但 在 技 术 上 也 已 落 后 ， 属 7 O 8 0年 代 水 平 ， 与 现 在 国 际 上 的 新 进 展 有 很 大 差 距 ， 应 引 起 国 内 绕 包 线 行 业 的 注 意 ， 需 要 采 取 措 施 发 展 国 产 新 一代 高 速 、 高 精 度 自动 化 程 度 高 的 绕 包 机 ， 以缩 小 与 国 外 的技 术 差距 。 1 ： 2 ： 3 4 参考文献 张 志 昌 漆 包 线 现 状 丑 其 发 展 动 向 _ J 电线 电 缆 1 99 9 ( 2 ) 楼南 寿 耐热 漆 包线 漆 _ J 绝 缘材 料通 讯 1 9 9 9， ( 1 ) 日车 电线 协 会技 术 部电线 时报 E J - 1 9 9 2， ( 1 2 ) ； 2 1 0 日本 电线协 会技 术 部电线 时报 二 J 1 9 9 5， ( 1 2 ) ： 2 l 5 ：9 1 O 1 1 1 2 1 3 参考文献 K M Re s e a r c h a nd d e v e l o pme nt o f e l e c t ； i c a l i n s u a don o f s u pe r du c t I “ g c a bl e s b y e x t r u d e d p o l y s J I E EE El e c t r i c a I n s u l a t i o n Ma g a z i n e 1 9 9 6 ， 1 2( 5) 1 7 2 4 岩 田 盘倍 ， 车 庄再 一 超 鼋 尊 - 一7 J J 、 最新 虑 用 勤 向 J _OHM 1 9 9 9， 8 6 ( 6 ) ： 2 6 3 0 Ra hma M M ，Na s s i M H i gh c a p a c i t y c a bl e s r o l e i n o n c e a n d f u t u r e g r i d s J i EE E S p e c t r u m 1 9 9 7 ， 3 4( 7)： 3 1 3 5 蟓 丰 修 巳超 鼋 尊 鼋 力 ， 7 r j 首 氟 卓 宫 菇 1 9 97 11 7( 4) 9 31 2 3 4 K o s a ki M a l De v e l op m e n t a nd c e s t s o f e xt r ud e d h y kne p r o p y【 e n e r u bb e r i n s ul al e d s up e T c o n due t ing c a b l e J C r y o g e n i c s 1 9 9 5 3 5 ( 1 1 8 0 5 8 o 7 原 集 志 石 井 英 雄 超 鼋 尊 ， 7 ， 0 穗 用 J ： 0 HM ， 1 9 9 6 8 3( 8】 2 2 9 日车 电线协 会技 术 部电线 时 报 _ J 1 9 9 7 ， ( 1 2 2 l 3 Ka t s u b i k o Ue d e El e c t T i c a 1 n s u l a t l o n： J 1 9 8 9 ， ( 31： 1 8 2 7 斑 春华 电 磁线 新 品 种厦 新 技 术 发 展动 向 J 电 线 电 境 1 9 8 9 ， ( 1 ) 斑 春华 贺 步 云等 H级 自牯 性 玻璃 丝包 线 自牯性 棒 的研制 E J ：绝 缘 材料 通讯 1 9 9 6 ， ( 5 ) 丁赛 清理玻 璃 丝 包钱 聚 酰亚 胺 薄 膜 粉 云母 带 绕包 铜 扁城 J 电线 电绒 1 9 9 2 ， ( 3 鄄礼 武聚 芳香 酰胺 纤 维纸 包 锕扁 线 ： J 电线 电 绒 1 9 8 7，( 1 ) Ri c h a r d EBu r k e Wi r ej o u r n a l J 1 9 g 7 ， 5 0 ( 1 1 ) ： 8 6 9 5 E TI 公 司静 电 粉竦 噎 酪 绝缘 技术 皿 设 备报 告 ： z 1 99 1 上梅 电缆 研 究所 报 告 3 0 6 0万 千 瓦 F级 玻 璃 丝 涤 纶丝 包 空芯 铜扁 线 的研 制 R_ 跚 嘲 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载