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　　2 0 0 7年 1月 第 8卷 第 1期 电力 设备 E le c t d e a l E q u ip m e n t J an 2 0 07 VO1 8 NO 1 高温超导输电电缆的现状与发展 林良真， 肖立业 ( 中国科学院电X - 研究所， 北京市 1 0 0 0 8 0 ) 摘要：超导输电电缆具有截流能力大、 损耗低和体积小的优点， 是解决大容量、 低损耗输电的一个重要途径。文章概括 介绍了高温超导电缆的结构、 电缆的损耗、 低温冷却系统。 以及中国科学院电工研究所等单住研制的7 5 m长高温超导电 缆。文中还 简要提 出了高温超导 电缆 的应用领域和前景。 关键词：高温超导输电电缆； 高温超导体； 高温超导电力应用 中图分类号 ： T M2 4 9 3 ； T M 2 6 0 引言 超导 电缆 是采 用无 阻和具 有 高 电流 密度 的超 导 材料作 为其载 流导 体 ， 当超 导体 处在 超 导态 时 ， 其 直 流 电阻可 视为零 ， 因此 电缆本 体 的焦耳 热损耗 几乎 为 零 。在交流运行状 态下 ， 超导 电缆 虽然 会产 生交流 损 耗 ， 但 只要 电缆 长度 超过 一 定值 后 ， 电缆 的交 流损 耗 和低温 冷 却 所 需 的 电 能 消 耗 仍 将 比常 规 电缆 低 约 5 0 左右 。计算 表明 ， 同等 尺寸 的超导 电缆 的输送 容 量将 比常规铜 电缆高 3 5倍 。 因此 ， 超导 电缆 具 有 截 流能 力 大 、 损 耗 低 和体 积 小 的优点 ， 是解 决大 容量 、 低 损耗 输 电的重 要途 径 之 一 。随着 大城市用 电量 的 日益 增加 。 需 要将 大量 电能 输往城 市负荷 中心 ， 而 采用高压 架空线 将 电能输 往密 集 的城 市负荷 中心 ， 由于诸 多 因素 的 影响 ， 会 遇 到很 大困难 。在这种情况下 ， 采 用超 导输 电 电缆 就具 有 明 显的优势 。超 导 电缆在 结 构上 还 可 以使其 磁 场集 中 在电缆 内部 ， 防止对环 境 的电磁污染 j 。 超导电缆按 采用 超导 材料 的不 同， 分为低 温超 导 电缆和高温超导 电缆。低 温超导 电缆 的载流导体是 采 用低温超导线材 ， 通常是 N b T i C u或 N b S n C u复合超 导线 。由于 N b T i 超 导线 K，Nb S n 的临界 温度是 1 8 1 K，因此低温超导 电缆都必需在 液 氦温区下运行。高温超导 电缆 的载流 导体 目前 主要 是 采用 B S S C O氧化物超导材 料 ， 其临界 温度 约为1 1 0 K， 因而可 以在液氮 温 区下 运行 ， 这 样 ， 其低 温 冷却 系统 要 比在液氦 温区下运行 的低温 超导电缆简单 。 本文 简略介绍了高温超 导 电缆 的结 构原 理 、 电缆 的损耗 、 低温冷却系统 以及 近年来 高温 超导 电缆 的发 展现状 、 我国高温超导 电缆示 范应 用实 例 和高温 超导 电缆 的应 用前景 。 1 超导电缆的主要结构 超 导电缆主要 由电缆本 体 、 终端 以及 低温制 冷装 置组成 。超导电缆本体包括 电缆 芯 、 电绝缘 和低温 恒 温管 ， 其 电缆芯是 由超导 线 带绕 成 ， 它 装在维 持 电缆 芯所需低 温的低温恒温 管中 ， 低 温恒温 管两端 与终 端 相连 。电缆芯 的超导线 带在 终 端通过 电流 弓 l 线 与外 部 电源 或负 荷相 连接 。超导 电缆 的低 温恒 温管 一 般 采用具有 高真空和超级 绝热 的双不锈 钢波 纹管结 构 ， 这种结 构保 证 了超 导 电缆 的柔 性 和 保 持 夹 层 高 真 空 度 。 超导 电缆绝缘 有 常 温绝缘 和 低 温 绝缘 2种绝 缘 方式 。常温绝缘 超 导 电缆 的 电绝 缘 层 是处 在 电缆 低 温恒 温管外 的常温 区 ， 它 可 以采 用常规 电缆 的 电绝 缘 材料 和技术 ， 图 1是 单 相 常 温 绝缘 超 导 电缆 的示 意 图 。低温绝缘 超导 电缆 的电绝 缘层 是 直接 缠 包 在导 体 上 ， 并与导体 一 起处 在 低温 区， 这 样 电缆 尺 寸将 更 紧凑。为 了防 止 电缆 载流 时产 生磁 场 对周 围环境 的 影 响 ， 通常在绝缘层外 还加 有屏蔽 层 。图 2为低 温绝 缘 高温超导 电缆 示意 图。 1 一外护套； 2 一电绝缘； 3 一热绝缘_ 4 一高温超导带材； 5 一波纹管骨架； 6 一I JN 2 ； 7 一低温恒温管内管； 8 一低温恒温管外管 图 1 常温绝缘高温超导电缆示意图 和常规 电缆一样 ， 超 导电缆也 可 分为单 相超导 电 缆 和三相超 导 电缆 。 三相超 导 电缆 也 可 由 3根独 立 的单相超导 电缆 组 成 ， 但 需 要 3个 单 独 的低 温 恒 温 管 。它可 以采用低温绝 缘 ， 也 可 以采用 常温绝 缘 。而 三 相同心超 导 电缆是 将具 有 各 自导 体层 和 电绝 缘 的 3根单相 电缆组 装在 同一低 温恒 温 管 中， 其 电绝 缘一 般采用低温绝缘方 式 ， 以使 电缆结 构 紧凑 、 尺寸小 。 维普资讯 http:/ 2 电力设备 第 8 卷 第 1 期 7 8 1 一外护层I 2 _低温恒温器； 一液氮；4 一铜屏蔽； 5 一超导屏蔽； 6 一电绝缘； 7 一超导带材； 8 一电缆骨架； 9 一超级绝热材料； 1 O 一恒温器外壁 图2 低温绝缘高温超导电缆示意图 终端 是超导电缆 与外部 电气 部 件连接 的端 口， 同 时也是 电缆低 温 部 分与 外部 室 温 的过 渡段 。在超 导 电缆终端 ， 导 体 层 将 通 过 电 流 引 线 与 高 电压 母 线 连 接 ， 由于超 导 电缆 的导 体层 必 须在 低 温下 运 行 ， 因此 终端又是 冷却液体 的出人 口， 因此超 导 电缆终端 不仅 要有相应 的 电绝 缘 ， 同时也 要 求具 有很 好 的热绝 缘 ， 以保证超 导电缆整体热 损耗最小 。 终端 中连接超 导体和外部 电源 或负荷的 电流 引线 不仅传 导输送 电流 ， 而且 其两端 分 别处在 室温 和低 温 环境中。为了减 少通过 电 流引线 对低 温环境 的漏 热 ， 在设计 电流 引线 时 ， 应使 通过 电流 引线从 室温传 人 低 温的热 量与通 电时 电流引线 产生 的焦 耳热 之和最 小。 同时 ， 还应尽可 能减 小 电流引线 与 导体层 的超 导带 材 连接处 的焊接 电阻 ， 以降低通 电时产生的焦耳热损耗。 2 超导电缆的导体层和电缆的损耗 目前 高温超导 电缆 主要采 用 银包 套 B i 2 2 2 3带材 作为载 流 导 体 ， 实用 的 B i - 2 2 2 3带材 的尺 寸 一般 为 ( 0 ， 2 0 3 ) ( 4 5 ) m m ， 其 临界 电流可达 9 O1 4 0 A( 7 7 K、 O T)， 单 根长 度 可达数百 m 到 1 0 0 0 m。由于 超导输 电电缆传输 电流都 比较大 ， 一般 都达千安 量级 ， 因此采用 B i 一 2 2 2 3带材作为高温超 导输电 电缆 的通 电 导体时就必需采用多根 B i - 2 2 2 3带 材并联运行 。 为 了避免超导带材的性能在低温下 因冷收缩 引起的 拉应变 和因弯曲引起 的弯曲应变 而退化 ， 通常在骨架上 以一定 的螺 旋角 度将 带 材 绕成 螺 旋 形结 构 。在 设 计 上 ， 螺旋 角度 的选择 还要 兼顾 超导 带材 间电 流均匀 分 布 的要 求 。在 电缆导 电层设 计 上 ， 要尽量 降低 电缆 的 轴 向磁 场 ， 以防止 由此导致超导带材临界 电流 的降低 。 对 于 电力应用 的交流超导 输 电 电缆 ， 虽然 导 电层 超导带 在正 常运 行 时 电阻 可 视 为 零 ， 没 有 焦 耳 热 损 耗 ， 但 超导 电缆在运行 时仍 然会产 生损 耗 。如 在传输 交流 电流 时将产 生交流损耗 ， 电缆 终端 的电流 引线 有 热传导与焦耳热损耗 ， 超导带 材与 电流 引线焊 接点 电 阻也会产 生热损 耗 ， 此外 ， 电缆 的热绝 缘 不 可避 免 会 有 热泄漏 ， 电绝缘 在通 电运行 过程 也将 产生 介质损 耗 以及低 温冷 却装 置 的 功率损 耗 等 。对 大 容量 的超 导 电缆 ， 总的热损耗 大约仅为 同容 量常规 电缆 总损耗 的 一 半 ， 尽 管如此 ， 在 设计 超导 电缆 时还是 要 采取相 应措施 ， 尽可 能 降低 热 损耗 。例 如 ： 改善 超 导带 材 与 电流 引线焊 接工 艺和焊接材 料 以减少 焊接点 的 电阻 、 调节 电缆各 导 电层 的 电感使 导 电层 电流分 布 均匀 以 便有效地 降低交 流损耗 ， 以及 改进 电缆 低温恒 温管 的 热绝 缘和线 高温超导电缆冷却系统 低温技术是 为 超 导技术 应 用 提供 最 基 本 的运行 条件 ， 是超 导 电 工 装 置 的一 个 重 要 且 不 可 分 割 的部 分。 目前高温超导 电 缆所采 用 的 B i 2 2 2 3超 导带 材 的 临界温度 为 1 1 0 K ， 而 目前 正 在 发 展 的 第 2代涂 层 Y B CO带材的临界温度 约为 9 O K， 因此都 可 以采 用液 氮作为高温超导 电缆 的冷 却剂 。氮的液 化技 术成熟 、 价格低廉 ， 同时 由于氮 是 空气 的主要 成分 ， 氮 气 的泄 漏不会带来环境 问题 。 目前高温超 导 电缆 大都 采 用过 冷 液氮 循 环 迫流 冷却方式 ， 其 基本 原理 是 利用 过 冷液 氮 的显 热 ， 将高 温超导 电缆产生 的热量带到 冷却装 置 ， 通 过液 氮冷却 装置冷却后 ， 再将 过 冷 液氮送 到 高温 超 导 电缆 中去 ， 形 成液氮在 闭合 回路 的循 环过 程 。冷 却装 置 可 以采 用各种不 同制冷 方式 ， 如 常压 液 氮沸 腾制 冷 方 式 、 减 压降温制冷方 式 、 低温 制冷机 ( 如 小型 G M 制冷机 、 斯特林制冷机 、 逆 布雷顿循环制冷 机等 ) 制冷方式等 。 低温制 冷机制冷方式不 受环境 和 地域限 制 ， 运行 简便 ， 已被一些 高温超导 电缆所 采用 。但 目前 制冷机 主要使用氮 闭式 循 环气 体制 冷 ， 制 冷效率 较 低 ， 同时 制冷机存在 有压 缩 机 、 膨 胀机 等 运 动部件 ， 因而 可靠 性和使用寿命有一 定限制 ， 且价 格 比较 昂贵。液氮蒸 发制冷和减压 降温 制冷方式 由于 直接使 用液 氮 ， 它容 易获得 ， 价格 也 比较 低廉球盟会官方网站 。 同时 ， 液氮 蒸发 制冷 和减 压降温制冷方式 由于制冷系 统基本 上 没有运 动部件 ， 可靠性 大大提 高 。但 这 种制 冷方 式 在运 行 过程 中需 要定时补充 液氮 消 耗。 图 3为 采 用斯 特林 制 冷 机作 低温冷源 的高温超导 电缆 的过冷液氮循 环迫流的冷却 系 统 流程 图 。 图3 高温超导电缆的冷却系统流程图 维普资讯 http:/ 专家论坛 林良真等： 高温超导输电电缆的现状与发展 3 4 高温超导电缆技术发展现状与应用实例 自 2 0世纪 9 0年 代 以来 ， 美 国 、日本 、 丹 麦 、 中 国 和韩 国等 都 相 继 开 展 高 温 超 导 电 缆 的 研 究 。美 国 S o u t h w i r e研制成 l 2 5 k V 1 2 5 k A的长 3 0 m三相 高 温超导 电 缆 并 安 装 在 其 总 部 进 行 供 电 运 行 。丹 麦 N K T公 司利用 该公司研制 的 B i 2 2 2 3带材 于 2 0 0 1

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