超导电缆技术在电力系统中的应用

　　摘　要　在电力系统中，采用超导电缆技术，可扩大电网的输送容量，降低传输损耗，提高系统运行的稳定性和可靠性，改善电能质量，并有利于保护环境。超导材料的发展促进了超导电缆技术的发展，高温超导电缆将在未来安全电力系统建设中发挥重要作用，是21世纪电力科学技术最具发展潜力的应用之一。

　　关键词　超导电缆　电力系统

　　1　引言　　1911年，荷兰科学家Onnes发现纯的水银样品在4.2K附近电阻突然消失，接着又发现了其他一些金属也有这样的现象，这一发现开辟了一个崭新的超导物理领域。1986年4月，设在瑞士苏黎世的IBM实验室的学者J. G. Bednorz和K. A. Muller发现了La-Ba-Cu-O高Tc氧化物超导体(Tc=34K)，以后的几年，人们相继发现了多种高温超导材料，其中包括铋系、钇系、铊系、汞系等高温超导体系。1987年2月21日，中国科学院物理所发现了起始转变温度为100K的YBaCuO体系超导体，并首次公布了其成分。2001年3月1日的NATURE周刊报道，日本发现了具有体超导电性、临界温度为39K的MgB2超导体。

　　高温超导材料的不断发展为超导技术在电力系统中的应用创造了有利的条件，美国、日本、韩国以及欧洲一些主要工业国家都以极大的热情, 投入了大量资金, 积极开展超导技术在电力系统中的应用研究工作。

　　在电力系统中采用超导技术可提高单机容量和增加电网的输送容量、降低传输损耗、提高系统运行的稳定性和可靠性、改善电能质量、降低电网的占地面积和电网的造价及改造成本，并使超大规模电网的实现成为可能[1]。通过超导储能，还可大大改善可再生能源的电能质量，并使其与大电网有效地联结。加强对超导电缆、超导故障电流限制器、超导储能器、超导变压器、超导发电机和超导电动机等超导技术的研究，将会极大地推动电力科技的发展，将电力科技的发展带入一个崭新的阶段。目前，超导电缆、超导故障电流限制器、超导储能器和超导变压器已发展或接近到工程实用阶段, 超导发电机和超导电动机的研制也取得了重大进展。

　　2　超导电缆技术　　超导现象发现之后，由于超导体具有无阻载流的超导特性，科学家们就设想利用超导体制造超导电缆，以达到降低电能传输损耗的目的[2，3]。由于当时高温超导材料还没有发现，超导电缆技术仅仅局限在低温超导材料的使用上。一般采用Nb3Sn等低温超导材料制成细丝，通过绞制形成超导电缆导体，使用液氦进行冷却。从技术的角度上讲，低温超导电缆能达到降低电能传输损耗的目的，但由于制冷成本的昂贵费用，使低温超导电缆的实用化大打折扣。在我国，上海电缆研究所也曾在上世纪七八十年代进行过低温超导电缆的研究工作，由于同样的原因，该项研究工作最终没有能够进行下去。但不管怎样，还是为今后高温超导电缆技术的发展奠定了基础。

　　随着高温超导材料科学的发展，超导技术在电力系统的应用越来越得到了业内人士的广泛关注，高温超导电缆技术也得到了极大的发展。利用高温超导电缆可以降低电力系统的损耗，提高电力系统的总效率，实现大容量输电。利用高温超导电缆改造现有地下电缆系统，可以解决城市日益拥挤的地下输电线路走廊空间。

　　和常规电缆相比，高温超导电缆具有体积小，重量轻，损耗低和传输容量大等优点，采用高温超导电缆输送电力是解决城市用电密度高、建设用地紧张的最佳输电方案，有着广阔的市场前景[4]。

　　高温超导电缆是高温超导技术的重要应用之一，它集成了超导材料、电缆、低温制冷、电力工程等多学科技术。

　　美国是最早发展高温超导电缆技术的国家，1999年底，美国Southwire公司、橡树岭国家试验室、美国能源部和IGC 公司联合开发研制的30m、3相、12.5kV/1.26kA冷绝缘高温超导电缆并于2000 年在电网试运行，向高温超导技术实用化迈出了坚实的一步。

　　日本经济贸易工业省和新能源与工业技术发展组织制订了包括高温超导电缆研究与应用的超级ACE(超导交流输电设备研究开发计划)。 2002年，日本住友电气与东京电力公司合作完成了100m、3相66kV/1kA电缆系统并进行了测试。古河电工与日本电力工业中心研究所等合作完成了单相500m、77kV/1kA超导电缆系统，低温测试结果表明，该系统符合并网运行的要求。

　　2001年5月，丹麦北欧电缆公司、北欧超导公司、和Eltra等电力公司联合开发的2kA，36kV，30m三根室温绝缘(WD) 高温超导电缆于2001年并入电网试运行。

　　2002年至2005年，日本Sumitomo与美国Super Power、BOC与美国电网公司所属的Niagora Mohawk变电站联合进行纽约Albany高温超导电缆建设工程。

　　2004至现在，美国超导公司、Nexans、美国长岛电力公司研制600m、3相、138kV/2400A冷绝缘高温超导电缆，并于2008年6月25日开通运行。同时，德国、韩国等国家也投入了大量的人力、物力和财力参与了高温超导电缆技术的研发，推动了高温超导电缆技术的发展和实用化进程。

　　以上各国正在进行的高温超导电缆研究开发项目均采用第一代高温超导材料Bi-22223 作为高温超导电缆导体材料。YBaCuO 涂层高温超导材料(即第II代高温超导体)以其良好的电学性能获得了研究人员的青睐。目前美国IGC公司下属Super Power公司正在研究开发采用第二代高温超导带材为导体的高温超导电缆商品化生产计划。

　　美国在2005年8月制定的能源法中，把采用以高温超导电缆为中心的高温超导设备的输电网的现代化定位为国家级课题，正在研究于2030年在全美建设坚固的超导电缆输电网络计划(Grid2030)。

　　2.1　室温绝缘(Warm Dielectric)高温超导电缆绝缘　　高温超导电缆根据结构形式，分为室温绝缘(Warm Dielectric简称WD)高温超导电缆和低温介质绝缘(Cold Dielectric 简称CD)高温超导电缆两类。

　　WD高温超导电缆的最里层是一个中空的柔性管道，该管道既是冷媒液氮的流通管道，也是超导带材绞制的支撑，高温超导带材在该管道外侧经过绞制形成超导电缆导体，超导材料的工作温度由液氮来提供，液氮工作在常压状态下，冷却温度约为77K。在超导导体的外侧，是用来起绝热作用的真空柔性绝热套。在绝热套的外侧，采用常规高压电缆的制作方式，包括XLPE绝缘、护套等。由于WD高温超导电缆的绝缘工作在室温状态下，所以通常称之为室温绝缘高温超导电缆。

　　2.2　低温介质绝缘(Cold Dielectric)高温超导电缆　　CD高温超导电缆的结构与充油电缆类似。图2为CD高温超导电缆示意图。高温超导带材在支撑导体上绞制形成超导电缆导体，该支撑导体不仅仅为超导带材提供支撑，而且在短路状态下可以通过一部分短路电流从而达到保护超导导体的作用。

　　在超导导体的外侧，PPLP采用绕包方式形成绝缘，绝缘的外侧再次绕制超导带材作为超导电缆的屏蔽层。在CD绝缘高温超导电缆最外侧，是起绝热作用的真空柔性绝热套，绝热套的外面可以挤上电缆护套。在工作状态下，PPLP浸渍在加压的液氮中，与在绝热套中流动的过冷液氮一道，形成混合介质绝缘结构。液氮不仅是提供低温环境的冷媒，而且也起到绝缘介质的作用。由于CD高温超导电缆的绝缘工作在77K以下更低的温度，通常称之为低温介质绝缘高温超导电缆。

　　在技术上，WD高温超导电缆与CD高温超导电缆具有很大的不同。

　　CD高温超导电缆的绝缘屏蔽采用和导体相同的高温超导带材绞制形成，电缆绝缘和绝缘屏蔽均处于液氮温度下，处于超导状态运行时电缆外部不产生磁场，基本不存在高温超导电缆导体因垂直于超导带材料的外磁场造成临界电流退化的问题。一般认为CD高温超导电缆导体电流可以达到10000A或以上。

　　而WD高温超导电缆由于绝缘处于室温，其绝缘屏蔽为一般半导电屏蔽材料构成，一相WD高温超导电缆的所产生的磁场对另外两相高温超导电缆导体的超导带材料产生垂直外磁场作用，使其临界电流退化。研究认为，WD高温超导电缆的传输电流一般为3000A及以下。因而大电流和大容量高温超导电缆应采用CD结构，CD高温超导电缆适用于大容量高温超导电缆的应用。

　　在实现的难易程度方面，由于CD高温超导电缆采用液氮浸渍PPLP绕包绝缘结构，液氮工作在一定的压力状态下，其绝热套的制备要求也有了较大程度的提高。这种结构的介质绝缘特性也需要进行深入的研究。与其相配套的CD高温超导电缆终端研究难度也大大增加了。

　　尽管如此，CD高温超导电缆被认为是能真正实用化的技术，目前，无论是美国还是日本，以及韩国等，都在进行CD高温超导电缆的研究。

　　在我国，北京云电英纳超导有限公司及中国科学院电工研究所也在高温超导电缆方面进行了相关的研究。其电缆结构均为WD高温超导电缆。

　　目前，上海电缆研究所正与上海电力公司、上海交通大学、上海大学合作，进行实用化CD高温超导电缆的研究和开发。图3为上海电缆研究所超导电缆工艺车间图片。

　　3　超导电缆技术与安全电网系统　　经济的飞速增长需要可靠、持久的电力基础设施。电力的增长主要集中在人口密集的经济、贸易和政治中心的城市地区。任何重大的电力中断将会对这些地区和国家的经济和安全产生严重的影响。电力需求容量的不断增加、跨区域电网建设范围不断扩大、电压等级的不断提高等电网发展趋势，必然会导致一些例如网络安全、短路故障电流保护等相关问题。

　　美国超导 (AMSC) 的“Secure Super Grids TM” 技术(简称SSG技术)对解决电网安全问题提供了一个很好的思路。目前，第一个安全特级电网Secure Super Grids示范项目正在美国进行。

　　首先通过建立连锁电力网络，将大规模的供电网络分成多个小规模的网络，每个小网络都可以被若干个母线供应。这个理念使得地方变电站可以在紧急情况下共享过量容量，而且可以减少每个地方变电站所需要的电力变压器。同时增加电网的整体可靠性，有效地共享网络上的变压器。这样可避免为满足增长的载荷而建造昂贵的新变电站。

　　然而，这样的解决方案还要解决好多难题。连锁电力网络解决方案面临的第一个难题就是需要传输更大容量的电力电缆。如果利用传统技术，这将会需要很多常规大截面铜芯电缆，并且会占据很大的地下附设空间。由于常规电缆在运行过程中释放热量，所以必须在靠近地面的地方附设，彼此分开并且远离其他地下设备，比如水管，煤气管，电信电缆。城市现有的地下设施已经很拥挤了，给安装新的常规电缆造成很多困难。

　　CD高温超导电缆提供了一个符合需要的解决方案。首先，它们不产生热量，也不产生磁场，不会干扰其它的地下设施。另外，它们可以安装在现有的管道内。与常规大截面铜芯电缆相比，高温超导电缆重量轻，且相对容易安装，降低安装成本。安装成本一直都在电缆项目成本中占很大的一部分。

　　变电站连锁电力网络战略面临的另一个难题就是这些连接一般会增加故障电流。随着并联越来越多，根据Kirchoff 定律，潜在的故障电流也会越来越大。实际上，即使没有额外的连锁电力网络，故障电流也会增加。在纽约或长岛这样的城市，某些输电变电站的故障电流已经超过了60,000 A，接近现有电路断路器的额定值。随着电网的扩展，故障电流将会继续增加，虽然更先进的断路器可以解决这个问题，但这样的投入不仅昂贵，且陷入了无休止的循环中。

　　解决这个问题的另一个方案是安装额外的阻抗，比如串联的电抗器等。世界上许多电力系统都利用了这个方法。但这个方法的效果是有极限的，因为电网中残留的并、串阻抗随着电流的增加而增加，电压会随着他的增加而降低。这将会导致电压下垂和系统不稳定。很多电力系统正在快速地接近这个稳定极限，所以迫切需要新的解决方案。

　　AMSC的SSG技术不仅可以利用CD高温超导电缆解决连锁电网分布连接的需求，同时满足大容量、低损耗、能限制故障电流、便于安装的等需求。利用超导材料的特性，使超导电缆在正常状态下承担传输电能的任务，故障状态下可以限制短路电流，起到故障电流限制器(Fault Current Limiter 简称FCL)。对比早些时候的概念(J. Paasi et al., IEEE Trans. on Appl. Superconductivity 11 (2001), 1928-31; A. Usoskin et al., IEEE Tans. On Appl. Superconductivity 13 (2003), 1772-5)，这是一个更加实用的设计可以实际应用于不同结构的电缆中，包括配网和传输电缆。另外，为这种方案的超导电缆保留了它们在电力容量及其易于安装等方面的优势。

　　SSG解决方案涵括了系统及其高温超导带材方面的创新。超导电缆系统在电网系统中的结构图如示意图4所示。系统包括低阻抗、高容量超导电缆与常规低容量的铜芯电缆并联。通常来讲，常规的并联电缆其实就是原先已经在电网中运行的电缆，没有必要进行新的安装。电抗器可以与常规电缆串联，通过调节回路阻抗达到理想值ZR 使故障电流限流能力达到要求的水平。一个可以在4个周波内断路的标准的快速开关与超导电缆串联。

　　系统按照以下方式运行：在通常操作条件下，超导电缆的阻抗是并联常规电缆(包括其选则的串联电抗器)的1/6或者更少，电流主要从超导电缆流过，在常规电缆上几乎没有电压压。当故障电流出现，超导电缆立即转换成阻抗状态，限制故障电流。高温超导带材制成的超导电缆的电阻被设计成大于常规电缆的阻抗，故障电流将会转移到常规电缆及其串联电抗器中，并最终被并联阻抗ZR限制。4个周波后，快速开关断开，让超导电缆恢复其超导状态。这个过程，如果设计合理，仅需几分钟的时间。在这段时间里，常规电缆将过载传输电力。几分钟后，恢复的超导电缆通过合上快速断路器重新连接到电路上，再次传输主要的电力。如果在此期间故障没有被清除，系统的电流断路器打开，启动电网的标准保护操作程序。

　　不是在所有的条件下都需要并联的常规电缆。例如，对于一定长度的高温超导电缆，可以在故障期间吸收能量且不会出现过热现象，直到现有的电流断路器打开。在较短的高温超导电缆情况下，并联的常规电缆是必需的。

　　AMSC已经申请了一系列关于SSG技术方面的专利。SSG的解决方案与传统的解决方案相比，在同样增加电力传输能力的同时，可以大大降低短路故障电流。同时，在电力系统中采用其他超导技术，如超导故障电流限制器、超导储能器、超导变压器、超导无功补偿等技术，将极大推动电力技术的发展，从而形成了真正意义上的超安全电网。

　　4　结束语　　对于高温超导导体而言，最大的发展潜力是在电力系统中的实用化，推动电力技术的进一步发展。高温超导技术在电力系统中的应用将极大地提高电网的效率、输配电密度、稳定性、可靠性和安全性，从而带来经济效益和社会效益。美国能源部(DOE)制定的1998年至2010年国家能源战略计划中把超导电力设备的应用作为实现其目标的有效途径。

　　在我国，应积极研究和推广超导技术在电力系统中的应用，促进我国电力科技的发展。同时，随着高温超导电力应用研究的深入，对于超导材料亦提出了更高的要求，研究如何降低交流损耗、提高抗应力应变能力、提高系统的稳定性等这些对于超导材料制备和超导应用至关重要的问题，将是超导技术最终在电力系统中实用化的关键。