基于高溫超導體的輸電電纜設計

李明澤

摘 要：我國的西部電力資源豐富，而東部用電量比較大，所以造成了中國的電力地區(qū)分布不均的情況出現(xiàn)，而利用超導技術進行電力傳輸具有無損耗運輸電流的性質，可以顯著減小損耗，并且還有載流量大和體積小的優(yōu)點，所以超導輸電技術是一個非常有效的解決大功率、長距離、低損耗的輸電途徑。高溫超導輸電這種具有很多優(yōu)勢的的輸電方式，是21世紀輸電發(fā)展的一個重要的方向。世界發(fā)達國家在90年代已相繼開始高溫超導電纜的研究，以期能實現(xiàn)大容量、遠距離輸送。本文在總結借鑒國內外先進電纜設計技術的基礎上，提出了新的超導電纜設計思路，可實現(xiàn)更廣用途、更大容量、更低損耗、更遠距離傳輸。

關鍵詞：高溫超導體；電纜設計；高溫超導電力應用

中圖分類號：TM249.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0152-02

當今社會，中國發(fā)展進入快車道，快速的經濟發(fā)展離不開電力的支撐，但我國電力負荷很不均衡，是東部地區(qū)用電量極大卻能源短缺，而西部地區(qū)用電量遠不如東部，但西部卻有豐富的風能、水能、太陽能等自然能源，電力資源豐厚。因此對西部能源的開發(fā)利用支持中東部發(fā)展變得極為重要。國家電網在“十二五”發(fā)展計劃中，提出“西電東輸”方案，闡明將發(fā)展特高壓交直流輸電作為我們的重要使命，超導輸電的發(fā)展刻不容緩。

相較于傳統(tǒng)的高壓交變電流輸送，使用高溫超導材料輸送電能可以避免因電阻損耗、電磁阻尼等引起的能量損耗，因此將高溫超導輸電技術投入實際勢在必行。本文將從高溫超導體的原理介紹與輸電特性出發(fā)，探討高溫超導體制作輸電電纜的可能性，并提出一種電纜設計，最后對于我國的電力輸送進行展望。

1 高溫超導電纜的特性和原理介紹以及對于輸電的潛力

自荷蘭科學家卡麥林·昂尼斯在100年前發(fā)現(xiàn)超導體后，超導體的重大應用價值引起世界各國極大重視，相繼投入開始高溫超導體的研究。二十世紀后期，發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)的高臨界溫度超導體之后，高溫超導材料的制備技術取得重大突破，使得長距離使用超導電纜進行輸電的設想成為可能。

高溫超導材料的臨界參數有三個，分別是臨界溫度、臨界磁場和臨界電流。最初發(fā)現(xiàn)的超導材料臨界溫度極低，只有通過液氦進行降溫才能達到，液氦的成本過高，不具有實用性。但高溫超導體只需溫度達到77K時就有超導的能力，在相對低廉的液氮的冷卻下就可以達到目的，因而有廣泛的應用意義。

綜合來看，高溫超導電纜存在五方面優(yōu)點：（1）較低的線路耗損。經實驗室研究，高溫超導電纜的導體的輸電耗損還不到常規(guī)銅制電纜的10%，運行中的能量消耗不足常規(guī)電纜的50%，尤其是直流輸電時候，耗損達到了非常低的量級；（2）輸送容量大。截面電流的輸送能力是常規(guī)電纜的3到5倍；（3）過載電流大。在短時間能耐受短路電流，允許過載周期較長，系統(tǒng)穩(wěn)定性高；（4）雜散電場和磁場少；（5）送電通道小，結構緊湊。

總體來看，超導電纜具有的低線路損耗、大截流能力和小電纜體積等優(yōu)點，能夠滿足電壓不用太高，線損卻可以大大減少的長距離大容量的電能輸送問題，從根本上解決“西電東輸”中遇到的困難。

2 高溫超導輸電電纜的現(xiàn)狀

根據超導材料特性的差異，超導電纜可以分為低溫電纜和高溫電纜。低溫超導電纜一般才去的是NbTi/Cu或Nb3Sn/cu復合低溫超導線材的實現(xiàn)方法，臨界溫度分別為9.5K和18.1K，必須在液氦溫區(qū)下運行；高溫超導電纜一般采用BSSCO氧化物超導材料來實現(xiàn)輸電功能，臨界溫度約為110K，可以在液氮的制冷溫度下運行。液氮溫區(qū)的冷卻系統(tǒng)要比液氦溫區(qū)的簡單，所以高溫超導電纜應用前景更加廣闊。

高溫超導電纜的主要結構一般是由電纜本身、電纜控制終端和低溫制冷周邊構成。電纜內的導電的芯體、電絕緣外套和恒溫低溫管組成了電纜的本體部分，其中，在低溫恒溫管中，一般會安裝由超導線或超導帶繞制而成的線纜作為芯體的部分，而外部電源或用電設備通過電流引線與電纜的終端連接。常溫絕緣超導電纜的絕緣層和低溫絕緣超導電纜的絕緣層的位置往往不同，常溫的絕緣方式一般是在恒溫低溫管的外界和內部的交界處設置絕緣材料。

現(xiàn)階段主流的電纜設計和電纜的材料選擇如圖1所示。

低溫區(qū)是由導體和絕緣層組成，結構非常緊湊。在導體上纏繞的是低溫絕緣超導電纜的絕緣層。其中為了降低載流磁場的影響，在絕緣層外又覆蓋了屏蔽層，如圖2所示。

目前實用的高溫超導帶狀材料如下，它的主要結構有四層：自上而下分別為YBCO、CeO2、YSZ、Y2O3。這種材料臨界溫度就在77K以上。

使用此實用的臨界電流密度最高達到1000000A /cm2，此電流是在臨界磁場為0T，臨界溫度為77K時候可以達到的。如此高的臨界電流密度相當于現(xiàn)用輸電線的得最大電流密度的100倍以上，可以實現(xiàn)單向的大容量直流輸電，且相對來說質量和體積都較小，到直流輸電時候電能損耗可以降到非常低的水平，維持液氮溫度造成的能量損失也常規(guī)損耗小得多，使得輸電能源消耗低，效率高。總而言之與傳統(tǒng)輸電相比，高溫超導輸電的主要優(yōu)越性可歸納為：（1）容量大。超導輸電線路的傳輸容量比交流輸電大3～5倍，最高每線上負載的能量可以到達千萬千瓦的級別，直流輸電更可以到達億千瓦的界別級別，可以非常好的完成用電高峰下的輸電任務。（2）損耗低。進行交流輸電時，超導電纜的電能損耗不足現(xiàn)所用輸電電纜的1/10，而直流輸電時損耗更可以忽略不計。超導電纜所需的冷卻系統(tǒng)帶來的損耗，在較遠距離、大容量送電的情況下，輸電時總損耗是可以降低至使用一般電纜消耗的1/4到1/2。有數據表明，當1000公里長的電纜的輸電功率在500萬千瓦時的時候，總功耗可以控制在在2%到3%之間，明顯小于用一般電纜的功耗。

3 現(xiàn)有的輸電電纜設計及其存在的局限性

目前也有多種關于高溫超導輸電纜的設計，但以目前實際來看難以用包管試的方法生產YBCO帶材，圓形的輸電線路生產技術難度高，暫無法用于西電東輸似的超長距離的輸電。而如果將導線設計為扁狀則可顯著降低生產難度，更加符合目前技術狀況，或許可以在西電東輸中使用。

4 對于長距離直線輸電和轉彎部分電纜的設計和構想

下面是我對于該電纜高溫超導材料部分的初步設想：整個電纜由許多單位共同串聯(lián)組成，作為電纜導線的核心。圖中中間灰色部分為一個個扁帶狀的YBCO高溫超導材料。四周的白色部分為屏蔽層，同時也做輸電作用（只需在核心的外層使用），為了提高材料的利用可將材料堆積成正六邊形或正十二邊形等等，趨近于圓。一排排孔槽可由激光掃射加工制出（必須足夠光滑整齊），將相同對稱的屏蔽層板完全對稱重合中間形成的孔洞。兩個屏蔽層之間所形成的孔洞中灌入液氮冷卻。使之溫度降到臨界溫度以下，從而達到超導的條件。

因為灌輸液氮的孔徑小，液氮的流動成為問題，所以建議在海拔不同，有相對高度差的地方采用，而我國東西四大階梯獨特的地形擁有高地勢差的條件，恰好滿足這一特殊要求。采用這種設計可以充分利用地勢差的能量，為了使液氮流動更加順暢，還可以在電纜始端使用高塔進一步加大壓強，使流速更快，在一些中轉站同樣可以采取一些方式促進流速，使電纜溫度可以保持恒定低溫。

考慮到超低溫下材料的物理性質的改變，尤其是采用此方法，不能使其自然彎曲，可以專門生產轉彎時的彎角設計如圖3所示。

需要指出的是，在生產時必須使材料間堆積極為密切，以保證電流的通路和冷卻效果的充分實現(xiàn)。

對于液氮的回收利用則在一個個中轉站進行，每隔較長距離后的中轉站接受上一個中轉站流過來的液氮重新壓縮冷卻后灌入下一節(jié)管道之中，最終全部匯集到東部地區(qū)的最末接收站之中，運用于其他事項或轉運回西部地區(qū)的發(fā)電廠。從長遠看最好是在發(fā)電廠周圍建一個冷凝站通過液化空氣同時制液氮和純氧，氧氣還可以用于醫(yī)療等行業(yè)，為西部提高醫(yī)療等方面做奠基。

在材料做好后在外層分別包上真空與特級絕熱材料、高溫超導屏蔽帶、電絕緣和絕緣護套成電纜。

5 結語

此設計可以盡可能的降低所需的技術難度，盡早的可以投入實際運用，同時對各部分能源都得到充分利用。可以用于西電東輸，將西部充分的風能資源利用起來，通過設計的長距離直線高溫超導材料輸電電纜將寶貴的電能輸送到東部，以緩解中國電能的能源問題。節(jié)能，不足需要改進（比如在堆疊的YBCO高溫超材料之間，并未找出合適的足夠薄的材料進行隔絕，也想不出彎角部分如何與直線部分如何完美對接）。

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