高溫超導(dǎo)電纜在大都市電網(wǎng)的應(yīng)用前景

李紅雷，林 一，黃興德

(1. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2. 華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，上海 200437)

高溫超導(dǎo)電纜在大都市電網(wǎng)的應(yīng)用前景

李紅雷1,2，林 一1,2，黃興德1，2

(1. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2. 華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，上海 200437)

闡述了超導(dǎo)電力電纜的特點(diǎn)。分析了韓國(guó)、德國(guó)最新的超導(dǎo)電纜工程，以及上海寶鋼示范工程。提出了超導(dǎo)電纜商業(yè)化運(yùn)行的建議：超導(dǎo)電力電纜系統(tǒng)應(yīng)大容量設(shè)計(jì)，并采用LCC模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。

高溫超導(dǎo)電纜；電力電纜；電網(wǎng)

超導(dǎo)電力電纜的發(fā)展經(jīng)歷了交/直流低溫超導(dǎo)電纜、熱絕緣交流高溫超導(dǎo)(HTS)電纜、冷絕緣交流高溫超導(dǎo)電纜和冷絕緣直流高溫超導(dǎo)電纜等研發(fā)和應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)外相繼有一些超導(dǎo)電纜工程投入運(yùn)行。從技術(shù)水平和應(yīng)用情況看，超導(dǎo)電纜本體技術(shù)基本成熟，進(jìn)入試驗(yàn)示范和商業(yè)化運(yùn)行階段。國(guó)內(nèi)有多個(gè)城市正在積極調(diào)研和選址，準(zhǔn)備立項(xiàng)公里級(jí)超導(dǎo)電纜工程，預(yù)計(jì)幾年內(nèi)國(guó)內(nèi)外會(huì)在公里級(jí)超導(dǎo)電纜的示范應(yīng)用方面取得突破[1-3]。本文介紹超導(dǎo)電纜的技術(shù)特點(diǎn)，分析國(guó)內(nèi)外最新的典型工程，提出超導(dǎo)電纜在都市電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的思路。

1 高溫超導(dǎo)電纜的技術(shù)特點(diǎn)

在1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以后，人們立即希望可以用它傳輸電磁能量，但只是在20世紀(jì)60年代末發(fā)現(xiàn)了臨界溫度約為18K的金屬互化物Nb3Sn以后，這方面的工作才真正開始。隨著臨界溫度高于77 K的高溫超導(dǎo)線材的出現(xiàn)，高溫超導(dǎo)電纜成為超導(dǎo)電纜發(fā)展的主流[4]。高溫超導(dǎo)電纜具有如下技術(shù)特點(diǎn)。

(1)容量大。超導(dǎo)電纜使用無阻和高臨界電流密度的高溫超導(dǎo)線材作導(dǎo)體，極大的提高了電流/能量傳輸能力。例如，35 kV的熱絕緣高溫超導(dǎo)電纜每相可以達(dá)到2.5～3.0 kA，在重量、尺寸、電壓等級(jí)等相同的情況下，熱絕緣高溫超導(dǎo)電纜的輸送容量是常規(guī)電纜的3～5倍；這是由低溫封套和屏蔽層的渦流損耗所限制的，如果低溫保持器由非金屬材料制造，電流傳輸能力將可以進(jìn)一步提高。冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的電流傳輸能力要大一些，可以達(dá)到每相8 kA；直流超導(dǎo)電纜可以達(dá)到15 kA甚至更高。

(2)損耗低。超導(dǎo)材料在進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，其直流電阻幾乎為零。但對(duì)交流電纜來說，超導(dǎo)體中仍會(huì)有磁滯渦流損耗，但其值比常規(guī)電纜要小得多，即使計(jì)及低溫冷卻所需的電力，其電力損耗仍比常規(guī)電纜要小。高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)體損耗不足常規(guī)電纜的1/10，加上制冷的能量損耗，其運(yùn)行總損耗比常規(guī)電纜下降50%～60%。

(3)結(jié)構(gòu)緊湊、對(duì)環(huán)境影響小。超導(dǎo)電纜的內(nèi)部冷卻方式也有利于降低對(duì)電纜安裝地點(diǎn)和土壤的要求。超導(dǎo)電纜的磁場(chǎng)集中在電纜內(nèi)部，電纜外沒有磁場(chǎng)，減少了電磁污染；安裝處土壤不會(huì)被油性物質(zhì)污染；無火災(zāi)危險(xiǎn)。能夠在不增大電纜尺寸和不增大損耗的條件下增加傳輸功率，可明顯地節(jié)約占地面積和空間，節(jié)省寶貴的土地資源。

高溫超導(dǎo)電纜的主要特性是傳輸損耗極小和傳輸電流密度大，具有體積小、重量輕、損耗低和傳輸容量大的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)低損耗、高效率、大容量輸電。高溫超導(dǎo)電纜將首先應(yīng)用于短距離傳輸電力的場(chǎng)合，例如發(fā)電機(jī)到變壓器、變電中心到變電站及特大型工業(yè)用戶等都具有應(yīng)用前景。

由此可見，高溫超導(dǎo)電纜可以改變傳統(tǒng)輸電方式，采用低電壓大電流傳輸電能。超導(dǎo)電纜必須在低溫環(huán)境下運(yùn)行，而在失超時(shí)，超導(dǎo)材料變?yōu)榫薮箅娮梵w，類似于超導(dǎo)限流器，發(fā)生火警和短路事故的概率小。

2 國(guó)內(nèi)外典型超導(dǎo)電纜工程

早期超導(dǎo)技術(shù)被美、日、歐的頂尖實(shí)驗(yàn)室壟斷，美國(guó)、日本、德國(guó)、荷蘭和丹麥等國(guó)先后做過在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境運(yùn)行的超導(dǎo)電纜，積累各類數(shù)據(jù)，并對(duì)超導(dǎo)帶材和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)加以完善。在過去的十幾年中，國(guó)際上對(duì)高溫超導(dǎo)電纜的研究和應(yīng)用，取得很大進(jìn)展，相繼有多組高溫超導(dǎo)電纜掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家包括美國(guó)、日本、德國(guó)和韓國(guó)。相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)的超導(dǎo)電纜技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展很快，相繼有數(shù)組高溫超導(dǎo)電纜掛網(wǎng)示范運(yùn)行，為超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。下面介紹幾個(gè)典型工程。

2.1 韓國(guó)超導(dǎo)電纜項(xiàng)目

韓國(guó)自2009年開始，在超導(dǎo)電纜技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速。韓國(guó)電力公司與韓國(guó)LS電纜公司合作，采用美國(guó)超導(dǎo)公司生產(chǎn)的第二代超導(dǎo)帶材，2011年在首爾附近Icheon變電站內(nèi)，投運(yùn)交流22.9 kV、傳輸容量50 MVA、長(zhǎng)度500 m的超導(dǎo)電纜，至今穩(wěn)定運(yùn)行。2014年在濟(jì)州島超導(dǎo)中心投運(yùn)直流80 kV、傳輸容量500 MVA、長(zhǎng)度500 m的超導(dǎo)電纜。

韓國(guó)超導(dǎo)電纜工程采用項(xiàng)目制，在安裝調(diào)試階段開展各類試驗(yàn)，充分檢測(cè)超導(dǎo)電纜的功能特性，每個(gè)示范項(xiàng)目并網(wǎng)前，均有短樣超導(dǎo)電纜系統(tǒng)在試驗(yàn)場(chǎng)長(zhǎng)期試驗(yàn)，考驗(yàn)穩(wěn)定性和可靠性，積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。在項(xiàng)目驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，采用特制電源持續(xù)做幾周大電流試驗(yàn)，掛網(wǎng)后即為線路的負(fù)載。以Icheon站超導(dǎo)電纜為例，其額定電流1 250 A，一端接到變電站低壓側(cè)，另一端接傳統(tǒng)電纜送站外用戶，驗(yàn)收時(shí)采用3 500 A直流電源和獨(dú)立的三相電源做大電流試驗(yàn)，掛網(wǎng)后的正常線路負(fù)載是600～800 A。

韓國(guó)在超導(dǎo)電纜敷設(shè)方面，考慮到經(jīng)濟(jì)性和電纜長(zhǎng)期適用場(chǎng)景，第一個(gè)Icheon站超導(dǎo)電纜項(xiàng)目，采用排管敷設(shè)。在濟(jì)州島超導(dǎo)中心的交直流超導(dǎo)電纜，均采用站界內(nèi)敞開式布置，為了檢測(cè)機(jī)械特性及環(huán)境影響因素，設(shè)計(jì)了多種敷設(shè)方式，例如下沉和轉(zhuǎn)角等。

韓國(guó)超導(dǎo)電纜專家在開展示范項(xiàng)目的同時(shí)，積極參與國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)的專門工作組，與另外8個(gè)國(guó)家的電纜專家共同編寫《超導(dǎo)電纜檢測(cè)導(dǎo)則》，并在示范項(xiàng)目實(shí)施過程中，遵循該技術(shù)報(bào)告的相關(guān)規(guī)定開展測(cè)試。

2.2 德國(guó)超導(dǎo)電纜項(xiàng)目

德國(guó)超導(dǎo)電纜位于西部城市埃森市中心，連接Herkules和Dellbrügge兩個(gè)變電站，該工程采用10 kV電纜，包括2組電纜終端、一組中間接頭，長(zhǎng)度1 km，傳輸容量40 MVA，是普通10 kV電纜傳輸容量的5倍，相當(dāng)于110 kV電纜的傳輸容量。

項(xiàng)目的完成單位包括德國(guó)能源企業(yè)RWE公司、電纜制造公司法國(guó)Nexans和德國(guó)卡爾斯魯爾技術(shù)研究院(KIT)。其中RWE公司負(fù)責(zé)制定配電網(wǎng)中的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，確定連接兩個(gè)變電站間的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。Nexans公司負(fù)責(zé)超導(dǎo)電纜(采用日本住友的第一代超導(dǎo)帶材)開發(fā)及全部部件的型式試驗(yàn)，以及超導(dǎo)電纜系統(tǒng)及超導(dǎo)限流器的制造。德國(guó)KIT研究院負(fù)責(zé)超導(dǎo)系統(tǒng)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，以及超導(dǎo)電纜交流損耗測(cè)量和模擬計(jì)算。

該工程的商業(yè)化運(yùn)行較為成功，有2個(gè)特點(diǎn)：

(1)容量大。10 kV電纜可以傳送110 kV電纜的容量，節(jié)省了110 kV電纜和兩端各1臺(tái)110 kV/10 kV變壓器，節(jié)省了變電站面積和變壓器投資。德國(guó)超導(dǎo)電纜電氣連接圖如圖1所示。

(2)資源重復(fù)利用。利用附近的一個(gè)工廠生產(chǎn)中所廢棄的液氮，作為超導(dǎo)電纜運(yùn)行的制冷劑，降低了運(yùn)行成本。

圖1 德國(guó)超導(dǎo)電纜電氣連接圖

韓國(guó)的超導(dǎo)電纜項(xiàng)目，側(cè)重于不同電壓等級(jí)和交直流電纜的性能測(cè)試；德國(guó)的超導(dǎo)電纜項(xiàng)目，側(cè)重于在10 kV配網(wǎng)側(cè)應(yīng)用超導(dǎo)電纜突破輸電容量的瓶頸。各自示范項(xiàng)目從啟動(dòng)到投運(yùn)，都?xì)v經(jīng)4年多時(shí)間。

2.3 上海寶鋼超導(dǎo)電纜示范工程

該項(xiàng)目由上海電纜研究所牽頭，寶山鋼鐵股份有限公司、上海三原電纜附件有限公司、上海電力設(shè)計(jì)院有限公司等多家單位合作完成。超導(dǎo)電纜系統(tǒng)額定容量為120 MVA，電壓35 kV，長(zhǎng)度為50 m。超導(dǎo)電纜采用二代超導(dǎo)帶材，是國(guó)內(nèi)首條35 kV冷絕緣超導(dǎo)電纜工程，多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)處于世界領(lǐng)先水平。從2013年開始帶負(fù)載運(yùn)行，目前已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3年，未發(fā)生超導(dǎo)電纜系統(tǒng)及設(shè)備故障。和韓國(guó)、德國(guó)的工程相比，寶鋼工程的突出特點(diǎn)是，利用鋼鐵企業(yè)電弧爐這種沖擊很大的負(fù)荷，對(duì)超導(dǎo)電纜進(jìn)行長(zhǎng)期的、高達(dá)2 000 A的沖擊電流考驗(yàn)。在示范工程實(shí)施前，該供電線路由5回35 kV電纜供電，現(xiàn)在用超導(dǎo)電纜，僅1回電纜就可以滿足容量要求，體現(xiàn)了實(shí)用化優(yōu)勢(shì)。該超導(dǎo)電纜系統(tǒng)配備制冷機(jī)8臺(tái)(每臺(tái)500 W)，通常有2～3臺(tái)冗余備用，因此，制冷系統(tǒng)閥門和墊圈等輔件更換可在不影響超導(dǎo)電纜運(yùn)行的情況下進(jìn)行。

3 都市電網(wǎng)超導(dǎo)電纜商業(yè)化運(yùn)行的思考

借鑒國(guó)外的商業(yè)化運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)開展超導(dǎo)電力電纜的應(yīng)用，不應(yīng)為了超導(dǎo)而超導(dǎo)，而要因地制宜，從需求出發(fā)，從已有的資源出發(fā)，首先分析城市電網(wǎng)眾多的電纜線路，根據(jù)電纜供電的迫切需求和瓶頸，以及超導(dǎo)電纜突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，找到二者的契合點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。

大都市電網(wǎng)用電負(fù)荷大，地下空間擁擠，變電站選址困難，電網(wǎng)改造費(fèi)用極高，有的場(chǎng)合甚至根本無法擴(kuò)建改造；超導(dǎo)電纜為此提供了絕佳的解決方案。與常規(guī)大截面銅芯電纜相比，超導(dǎo)電纜不僅體積小，而且由于輸送電流大，可以降低變電站的電壓等級(jí)，大大減少變電站的面積。采用10 kV超導(dǎo)電纜可替代常規(guī)的110 kV電纜輸送電力，采用35 kV超導(dǎo)電纜可替代常規(guī)的220 kV電纜輸送電力。降低線路及變電站的電壓等級(jí)，大大減少了建設(shè)變電站對(duì)土地資源的需求。綜合土建安裝成本較低，而土建安裝成本一直都在電纜項(xiàng)目成本中占很大的一部分。

本文認(rèn)為，都市電網(wǎng)超導(dǎo)電纜商業(yè)化運(yùn)行需要具備以下條件：

(1)超導(dǎo)電力電纜系統(tǒng)只有基于大容量的設(shè)計(jì)，才可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣；不能僅考慮電流的大小或電壓等級(jí)的高低。

(2)單看電纜本身的造價(jià)，目前超導(dǎo)電纜遠(yuǎn)高于常規(guī)電纜。采用LCC模型來引導(dǎo)超導(dǎo)電纜的研發(fā)、設(shè)計(jì)和工程論證，是解決超導(dǎo)電纜商業(yè)化，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電纜經(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)期可靠性的必由之路。從近年的研發(fā)情況看，雖然在電纜的造價(jià)上短時(shí)期內(nèi)超導(dǎo)電纜還要遠(yuǎn)高于常規(guī)電纜, 但在輸電網(wǎng)路的建設(shè)總成本方面使用超導(dǎo)電纜與使用常規(guī)電纜的差距會(huì)越來越小。

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(本文編輯：楊林青)

Application of High Temperature Superconducting Cable in the Metropolitan Power Grid

LI Honglei1,2, LIN Yi1,2，HUANG Xingde1,2

(1. State Grid Electric Power Research Institute, SMEPC, Shanghai 200437, China;2.East China Electric Power Test & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200437, China)

This paper expounds the characteristics of superconducting power cables. The application of the latest superconducting cable in South Korea, Germany, and the Shanghai Baosteel demonstration project are analyzed. It also puts forward the suggestion of the commercial operation of superconducting cable: the large-capacity design of superconducting power cable system, and the economical evaluation of the LCC model.

high temperature superconducting cable; power cable; power grid

10.11973/dlyny201703009

李紅雷(1970—)，男，博士，高級(jí)工程師，從事電力設(shè)備試驗(yàn)與評(píng)價(jià)工作。

TM726.4

A

2095-1256(2017)03-0255-03

2017-04-28