高溫超導電纜通電導體結構及其研究進展

朱志辰

摘要：高溫超導電纜與傳統的銅電纜相比，具有損耗低、容量大和體積較小等特點。利用高溫超導電纜輸電，是解決大功率輸電的有效途徑。超導電纜由支撐體、超導導體層、電氣絕緣層、超導屏蔽層、常導屏蔽層、低溫杜瓦、外護套組成。超導導體分為CORC導體、Roebel導體、堆疊式導體。本文對高溫超導電纜通電導體結構作出了分析，并對高溫超導電纜通電導體結構的研究方向進行了展望。

關鍵詞：高溫超導;電纜;制作原理;結構優化

1、引言

高溫超導電纜采用無阻的、高電流密度的超導材料作為導體，具有體積小、重量輕的優點，可以實現低損耗、高效率、大容量輸電。但是，由于超導導線的超導體部分是由脆性陶瓷材料制成，抗彎曲性能較低[1]如果電纜的彎曲直徑較小，則在電纜的彎曲過程中會使超導導線產生較大的應變，如該應變超過導線的臨界彎曲應變值，會導致導線的臨界電流急劇下降，從而嚴重影響整個電纜的超導性能。因此，有必要優化超導導體結構，從而進一步簡化結構、減小超導電纜體積。目前，除了常見的CORC導體和RACC導體，堆疊式導體成為研究熱點[2]。

2、常規超導導體結構簡介

如圖1所示，高溫超導電纜由支撐體、超導導體層、電氣絕緣層、超導屏蔽層、常導屏蔽層、低溫杜瓦管、外護套組成。高溫超導電纜的傳輸損耗僅為傳輸功率的0.5%，比常規電纜5-8%的損耗要低得多。在重量、尺寸相同的情況下，與常規電力電纜相比，高溫超導電纜的容量可提高3-5倍、損耗下降60%，可以明顯地節約占地面積和空間，節省寶貴的土地資源。

高溫超導導體層是超導電纜傳輸的核心功能層。目前通常采用的是CORC導體結構，另外還有RACC導體結構，近年來，堆疊式導體結構由于其機械強度大、穩定性好、載流量更高的優點，引起了廣泛關注。

2.1 CORC導體

如圖2所示，CORC導體，是一種研究設計的新型超導導體，主要由三部分組成，中心骨架、高溫超導帶材、耐高低溫絕緣膠帶。中心骨架：截面積較小的銅棒或銅絞線;高溫超導帶材：以螺旋的形式纏繞在中心骨架上;耐高低溫絕緣膠帶：包裹纏繞好的超導帶材。CORC導體結構的特點：高載流、低電感、低交流損耗、高工程電流密度。CORC導體中心骨架外徑較超導電纜小很多，所以其臨界載流密度很高。

2.2 RACC導體

RACC導體最顯著的特點在于其與眾不同的結構，這種結構載流均勻、可以減小交流損耗，使得RACC導體具有低交流損耗和高載流能力的特點。研究發現寬度較小的高溫超導導體和位置交換的超導結構可以減少交流損耗，因為磁場的磁力線可以進入超導帶材的內部間隙，但是在生產上細絲狀的高溫超導導體并不能實現，并且簡單的切割不利于實際生產[4]。RACC導體結構由特定形狀的涂層導體相互換位組裝而成，結構如圖3所示所示。

RAAC導體/電纜的優點是實現了完全換位，電流均勻分布;缺點是垂直帶面磁場高，對臨界電流影響大。臨界電流衰減大，浪費帶材、成本高、力學性能差、不緊湊，需要環氧浸澤固化。因此作為輸電系統，RACC導體/電纜的應用值得商榷，在高場磁體應用方面應更具有優勢。

3、高溫超導電纜導體結構優化

本節主要介紹高溫超導電纜的股線結構特點，目前主流的研究方向上，高溫超導股線主要兩種結構：方形截面和圓形截面。本節會詳細介紹幾種前沿股線結構的排列方式和套管方式，同時將實驗結果對比分析個中優勢。

3.1 TSTC結構

TSTC（Twisted Stacked-Tapes Cable）導體/電纜是由麻省理工學院（MIT）Takayasu T等人提出的一種新型超導導體，由超導帶材直接堆疊在一起，形成矩形截面超導導體，然后扭絞形成平行排列的高溫超導導體。由于TSTC導體/電纜將超導帶材平行堆疊，帶材能夠相互支撐，可以防止帶材受到的應力過于集中，并且多根帶材扭絞可以減輕帶材側向彎曲程度，在彎曲半徑為140mm時，由24根帶材組成的TSTC導體/電纜臨界電流退化僅為6%，因此TSTC導體/電纜可用于制作超導線圈。在實際使用過程中，一般會為了對超導帶材進行保護，將超導堆疊導體嵌入有螺旋溝槽的金屬芯導體，外加金屬護套的方式構成超導導體。

3.2扭絞圓股線（RS）

2013年，Uglietti D等人提出一種高載流容量超導圓截面結構導體，其結構中心部分類似TSTC導體的布局結構，采用平行的REBCO帶材堆疊扭絞而成，然后使用2根擠有方形溝槽的半圓形截面銅棒將其夾緊，堆疊帶材和銅棒進行鍍錫焊接后扭絞制作成圓截面股線（Round Strand，RS）[23-25]。在77K液氮溫度下每根股線的臨界電流大約為1.15kA。

4、結論

本文介紹了超導電纜性能特點及其結構組成，重點分析了超導導體的CORC、Roebel和堆疊式結構。其中，堆疊式超導導體/電纜具有力學性能高、排列緊湊，機械強度大，節省空間，載流能力強等結構的優點，目前在自場條件下，計算模型得到的結果是2380.6A;在有外磁場的條件下，在較低的外磁場下具有各項同性并在較高的外磁場下有較弱的各項異性，通過多種數據分析可以找出最佳的載流性能點，在今后的超導電纜研制中，有望通過采用堆疊式超導導體結構，進一步優化超導電纜性能。

參考文獻

[1]田祥，張大義. 高溫超導電纜絕緣生產線控制系統的設計[J]. 電線電纜，2018（3）：65-66.

[2]宗曦華，魏東. 高溫超導電纜研究與應用新進展[J]. 電線電纜，2013（5）：1-3.

[3]時晨杰. 第二代高溫超導體超導股線交直流特性研究[D]. 華北電力大學（北京），2016.

[4]宗曦華. 高溫超導電纜研究及前景分析[J]. 新材料產業，2017（7）：23-27.