高溫超導電纜研究與應用新進展

宗曦華，魏 東

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

超導電力技術將是21世紀具有經濟戰略意義的一種高新技術，世界各國都一直重視超導技術的研究。超導電力技術涉及多學科、多技術領域，其應用主要包括輸電電纜、超導故障電流限制器、變壓器、超導儲能以及電動機、發電機系統等在內的一系列高溫超導產品。超導電力技術的應用，將對提高電網容量、電能質量、供電可靠性和安全性具有重要意義，將對電力技術的發展、智能電網的結構和特點產生深遠的影響［1］。

隨著高溫超導材料的不斷發展，超導電力應用技術的發展也日趨加速。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，并且已在超導電力設備的實用化方面取得了相當大的成果。圍繞高電壓、長距離、大容量輸電的發展，正在世界范圍內形成高溫超導輸電的熱潮。

近年來，我國也在超導電力應用方面做了大量的研究工作，高溫超導電纜、高溫超導變壓器、高溫超導故障電流限制器等產品也已取得較大的進展，其中一些項目正在或已經進行示范運行工作，為我國超導電力應用技術的發展，構建堅強的智能電網奠定了良好的技術基礎。

本文將主要介紹近年來世界各國在超導電纜方面所開展的相關研究和進展新情況，以供參考。

1 超導電纜發展歷程

國際上關于高溫超導電纜的研究，大體可以分為三個階段。

1.1 高溫超導電纜的初步探索

從上個世紀80年代開始，隨著BSCCO 高溫超導帶材技術的發展，開始出現對高溫超導電纜的研究。研究的主要內容包括:對超導電纜結構的研究，其中包括室溫絕緣(Warm Dielectric，簡稱WD)高溫超導電纜、低溫絕緣(Cold Dielectric，簡稱CD)高溫超導電纜、三相同軸結構、三芯合一結構等;對超導電纜的傳輸特性進行研究;開展超導電纜電氣性能的研究等工作。

1.2 CD絕緣高溫超導電纜的開發

1999年底，美國Southwire開發研制的30 m、三相、12.5 kV/1.25 kA冷絕緣高溫超導電纜并網運行，向高溫超導技術實用化邁出了堅實的一步。

在日本，以住友公司為例(同時開展研究的還有古河和東京電力公司)，1996年，研制出7 m單芯CD絕緣高溫超導電纜(66 kV/1.4 kA)，到1999年，研制出第一根30 m長單芯CD絕緣高溫超導電纜(40 kV/1 kA)，2005年，在實驗場進行了500 m、66 kV CD絕緣高溫超導電纜試驗(super-ACE項目)。

1.3 CD絕緣高溫超導電纜示范性工程研究

進入到21世紀，美國、日本、韓國等國家開始推進高溫超導電纜示范性工程項目。日本住友公司從2002年開始，與美國Superpower合作開發Albany 350 m(34.5 kV/800 A)項目，到2006年完成。2004年住友公司與韓國KEPRI合作研發了一根100 m的(22.9 kV/1 250 A)CD絕緣高溫超導電纜示范項目，2006年完成。2008年，美國AMSC公司與耐克森公司合作，在紐約長島電力局成功完成高溫超導電纜示范項目，電纜的長度為600 m，電壓等級為138 kV，最大電流可達到3 kA(見圖1)。

圖1 AMSC長島示范項目

2 國外超導電纜研究現狀

目前，國際上關于高溫超導電纜的發展正受到越來越多的關注，美國、日本、韓國等許多國家都在積極開展關于高溫超導電纜的相關產品研發和示范運行研究等工作。國際大電網也將超導電纜的相關工作提上議事日程。國際上正在計劃開展或正在進行的主要研究開發工作包括:

荷蘭于2007年底啟動了長度達6 000 m、容量為50 kV/3 kA的三相交流高溫超導電纜的前期工作。

美國正在研制1 760 m長、容量為13.8 kV/2 kA的三相交流高溫超導電纜，并將在新奧爾良市更換一段滿負荷運行的地下常規電纜;美國AMSC已經正式啟動將三大電網實現完全互聯和可再生能源發電并網的“Tres Amigas超級變電站”項目，采用高壓直流輸電技術實現電網互聯，該項目將建成一個占地22.5平方英里、呈三角形互聯的可再生能源市場樞紐［2］。

韓國正在推動現有電力傳輸網采用高溫超導電纜的進程，預計在未來五年內將實現50 km高溫超導電纜在實際商業電網中的使用和服務;2013年，LS電纜的22.9 kV級超導電纜在韓國首爾近郊成功應用于實際線路系統。

國外關于超導電纜的研發和線路示范的大體情況如表1所示［3］。

3 國內超導電纜研究現狀

2001年，云南電力公司與北京英納超導公司合資成立云電英納超導電纜公司，從事高溫超導電纜的研究開發，2004年完成了30 m長、35kV/2kA、WD高溫超導交流電纜的開發，并將此超導電纜系統安裝在云南普吉變電站試驗運行(圖2)。

圖2 云電英納WD超導電纜示范項目

中國科學院電工研究所于2004年與甘肅長通電纜公司等合作研制成功75 m、10.5 kV/1.5 kA三相交流高溫超導電纜，并將其安裝在甘肅長通電纜公司內為車間供電運行，2011年2月，該電纜在超導變電站中運行。

2011年，中國科學院電工研究所與河南中孚實業股份有限公司合作，在中孚鋁冶煉廠建成360 m長、電流達10 kA的高溫超導直流輸電電纜，并于2012年9月投入示范運行，2013年4月項目通過專家組驗收。

上海電纜研究所自2003年開始進行CD高溫超導電纜的研究開發項目，2011年初，以上海電纜研究所為主體的“CD絕緣高溫超導電纜系統及電力應用示范工程設計研究”項目通過驗收，項目成功完成了30 m、35 kV/2 000 A的CD絕緣超導電纜系統的研發，超導電纜系統順利通過型式試驗(圖3)。目前，上海電纜研究所正在推進第二代CD絕緣超導電纜系統的示范工程項目。

另外，國家電網將在北京建設一條110 kV、1 km的CD絕緣高溫超導電纜示范工程。結合工程的需要以及今后的發展，國家電網對CD絕緣高溫超導電纜系統進行了大量的深入研究工作。

表1 國外超導電纜項目概況

圖3 正在進行試驗的CD高溫超導電纜系統

與此同時，國內其他一些企業和高校，也在超導電纜的研究和應用方面開展了大量的工作，并卓有成效，極大地推動了我國超導電纜的應用進程。

4 超導電纜的發展前景

關于超導電力應用技術的發展，美國的“美國電網2030”計劃中，將超導電力技術放在一個十分重要的位置上，并計劃采用超導電力技術建設骨干電網。日本的新能源開發機構(NEDO)則認為發展高溫超導電力技術是在2l世紀的高技術競爭中保持尖端優勢的關鍵所在。業內認為:超導電力技術將是2l世紀具有經濟戰略意義的高新技術。

在我國，為滿足經濟與社會迅速發展的實際需要，在今后相當時期內，電力系統仍將處于迅速發展的階段。預計到2020年，全國總裝機容量將達18.4億kW。就目前而言，高溫超導輸電尚未達到可規模化應用的階段，但作為一種具有重大前景的新技術，大力推動高溫超導輸電有關工作，發揮高溫超導輸電應有的作用，并逐步在電網發展中得到應用和推廣，將具有十分重要的意義［2］。

高溫超導電纜不僅具有容量大、損耗低、穩定性較高等一系列重要的優越性，對于采用某種特殊結構的二代帶材高溫超導電纜，在電網故障階段還會起到故障電流限制器的作用，并完全具有“自愈”的功能。由這樣的超導電纜構建的超導傳輸網絡，將具有更高的可靠性(Super Safe Grid，簡稱SSG，AMSC提供)。

在直流輸電方面，高溫超導電纜還有著一些特殊優越性:容量可更大、損耗可更低、距離可更長等。近些年來，超導直流輸電技術日益受到世界各國重視，美國、日本、德國等國家均在探索長距離超導直流輸電的可行性。

5 結束語

隨著高溫超導電力應用研究的深入以及二代超導帶材的性能不斷提高，高溫超導電纜在電力系統中將不斷得到應用和推廣。世界各國都將超導電纜等電力應用產品作為未來戰略產品和技術儲備而重點推進。

在我國，盡管相關研究單位和企業在超導電纜研究領域做出了巨大努力，但整體技術水平與國外相比仍有差距，特別是工程化應用方面的差距較大。我國應該加速推進超導電纜及其他超導電力應用技術研究，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。

［1］陳 中，肖立業，王海風.超導電力技術在未來智能電網應用研究［J］.電工電能新技術，2010，29(1):49-53.

［2］嚴陸光，肖立業，林良真，等.大力發展高電壓、長距離、大容量高溫超導輸電的建議［J］.電工電能新技術，2010，31(1):1-7.

［3］Ken-ichi Sato.Power cable related activities at sumitomo electric［C］//CIGRE Workshop on High Temperature Superconductors for Utility Applications，April 26，2013.