大力发展高电压、长距离、大容量高温超导输电的建议

严陆光，肖立业，林良真，戴少涛

(1.中国科学院应用超导重点实验室，北京100190;2.中国科学院电工研究所，北京100190)

1 前言

100年前，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现了超导体，由于超导体没有电阻，也即没有焦耳热损耗，因此它在电力输送方面将具有重大的应用价值，并将对整个电力输送带来革命性的转变。上世纪八十年代后期，液氮温区的高临界温度超导体的发现，使得超导体用于大规模的电力输送成为可能。九十年代以来，国际国内均在高温超导输电方面进行着积极的研发与示范工作，期望人类在二十一世纪前期进入超导电力输送的新时代。

今年八月，国家电网公司提出了“十二五”发展规划，将大规模发展特高压交直流输电列为重要任务，这就对大力迅速地发展超导输电提出了重大需求，但我国在超导输电的技术上、产业上与规模化建设方面均显准备不足。鉴于我们近二十年来，一直在积极推动我国超导输电的研究与示范工作，深感有责任呼吁国家领导与有关部门能大大提高在我国尽速发展超导输电的认识，并制定规划与计划，大力协同地来推进各方面有关工作，以期超导输电也能成为我国电网发展的重要技术组成部分，得到应有的发展、产业化与规模化应用。为此，送上此建议书，供有关领导与部门做出决策及部署有关工作时参考。

2 “十二五”开始，超高压、长距离输电成为我国电网发展的重点

为满足我国经济与社会迅速发展的实际需要，在今后相当时期内，电力仍将迅速发展。特别是，我国能源发展已进入到减小化石能源份额、增大可再生能源与核能份额、逐步建立可持续发展体系的新时期，将为本世纪上半叶调整结构建立可靠的基础。能源结构的这一重大调整，将促使电力得到更加快速的发展。2010年全国总装机容量达9.6亿千瓦，预计2015年将达14.7亿千瓦，建设总投资将达1.5万多亿元，2020年将达到18.4亿千瓦，2030年将达到24.7亿千瓦。

我国一次能源长期以煤为主，煤炭资源主要分布在晋陕蒙宁新等省区，今后煤炭开发重点将继续西移和北移。我国水电资源主要集中在西南，如四川、云南和西藏的水电可开发量就占全国的67%。大力发展清洁能源技术，提高可再生能源的比重是能源发展的必然趋势，因此我国势将积极发展风能、太阳能，而我国96%的内陆风能是集中在“三北”地区。长期以来，我国电力布局主要集中在沿江、沿海中东部负荷中心，据国家电网统计，2010年中东部16省用电量占全国的69.3%，今后相当长时间内，中东部仍将为全国电力负荷中心，预测2020年和2030年，中东部用电量仍将占全国的65.9%和63.8%。我国能源资源和消费中心的分布决定了能源和电能输送具有跨区域、远距离和大规模的特点，西南水电、西北火电和风电将送华北、华中、华东和南方，从而形成大规模“西电东送”、“北电南送”能源电力流格局。预测到2020年，跨区、跨国电网输送容量将达4.38亿千瓦。为了提高能源、环境和经济等综合利用效率，采用特高压交流和直流输电是今后发展的趋势。

从上述考虑出发，最近国家电网提出的“十二五”发展规划中明确提出了建成三纵三横的1000千伏特高压交流工程(见表一)，总长一万八千多公里，输送容量8992万千瓦的网架结构，以及十四条不同电压的直流输电工程(见表二)，合计近两万四千公里，传输总容量9730万千瓦。其中±400千伏，±500千伏，±1100千伏各一条，±800千伏11条，且已明确投产时间:2011年完成一条(1000公里)，2012年完成4条(6909公里)，2013年3条(5580公里)，2014年2条(3500公里)，2015年4条(6950公里)，年投产最高达近7000公里。特高压交流定位于主网架建设和跨大区送电，直流定位于大型能源基地的远距离、大容量外送和跨国电力输送。在“十二五”发展基础上，2020年及2030年将有更大规模的发展。

“十二五”期间，所有这些特高压交直流输电工程均采用以常规的铜、铝为导体的架空线。这是因为国家长期大力组织了相关的装备研制与示范工程工作，使我国已全面自主掌握了特高压输电技术和全套设备制造能力，使特高压技术具备了大规模工业应用的条件。而特高压交直流示范工程取得的全面成功，如全长640公里、1000千伏由山西长治至湖北荆门的特高压交流试验示范工程与全长1907公里，±800千伏由四川复龙至上海奉贤的特高压直流示范工程的建成与长期安全运行，又为规模化的建设发展积累了经验，锻炼了队伍和奠立了信心。

表1 国家电网“十二五”特高压交流工程Tab．1 Ultra-high voltage AC project of State Grid in‘12 th five year plan’

表2 国家电网“十二五”直流输电工程Tab．2 DC power transm ission project of State Grid in‘12th five year plan’

在高电压、长距离、大容量输电发展中，高温超导输电有着一系列重要的优越性，也应成为一个重要的技术方案，给予充分重视。虽然在技术发展、产品产业化与输电示范工程等方面，高温超导输电尚未达到可规模化应用的阶段，在“十二五”期间尚不能列入国家工程建设规划，但作为一种具有重大前景的新技术，国家需要进行统一规划和认真部署，大力推动高温超导输电有关工作，方可期望在我国未来电网发展中，高温超导输电能发挥其应有的作用。

3 高温超导输电的重大优越性

与传统输电相比，超导输电使用高温超导材料替代传统的铜和铝导线来输送电能。其优越性由超导材料的优点所决定，主要是:第一，实用高温超导体的临界电流密度达到铜线或者铝导线的允许电流密度的100倍以上，易于实现单回路大容量传输，相同容量时，体积小，重量轻。第二，直流情况下完全没有电阻，从而没有电能损耗，维持液氮温度以上的制冷耗能要小得多，使得输电损耗低，效率高。与传统输电相比，高温超导输电的主要优越性可归纳为:

(1)容量大。一回路超导输电线路的传输容量可比交流输电大3～5倍，达到最高每线2～3千万千瓦，直流输电可达10倍，±500千伏可实现2～5千万千瓦的输送容量。

(2)损耗低。交流输电时超导电缆的导体损耗不足常规电缆的1/10，直流输电时导体热损耗几乎为零。考虑超导电缆循环冷却系统带来的能量损耗，大容量、远距离输电时，其输电总损耗可以降到使用常规电缆的1/4～1/2。有一分析表明，1000公里长输电500万千瓦时，总损耗小于3%，可能达2%。

(3)体积小。与同样传输容量的传统高压电缆相比，超导电缆的外径较小。同样截面的超导电缆的电流输送能力是常规电缆的三至五倍，冷绝缘三相同轴超导电缆尺寸可以做得更小，更具有体积上的优势。在利用电缆沟或电缆隧道敷设时，减少了通道和相应支持机构的尺寸，使其安装占地空间小，土地开挖和占用减少，征地需求小。

(4)重量轻。超导电缆的重量也要比同样传输电压和传输容量的常规电缆少得多，较小的重量将需要较低强度的电缆牵引机械，较小的线轴，运输成本也相应降低，并相应地减少了机械机构。这也使利用现有的基础设施敷设超导电缆成为可能。

(5)降低传输电压。超导电缆可以在比常规电缆损耗小的前提下传输数倍于常规电缆可以承受的电流，这样在同样传输容量的需求下，传输电压就可以降低一到两个等级，从而可降低对高压变压器和高压绝缘器件等的需求，从系统的角度大大减少了高压设备方面的开支。

(6)增加系统可靠性。超导电缆传输电流的能力可以随着工作温度的降低而快速增加。由于可以在原有设备配置条件下通过降低温度来增加新的容量，因而有更大的过流能力，增加了系统运行的灵活性。对于冷绝缘超导电缆而言，在正常运行时绝缘层的温度基本不变，不会像常规交联聚乙烯电缆那样可能因为经常温度增高而缩短寿命。

(7)节约资源，环境友好。超导电缆冷却系统使用液氮，不使用绝缘油或SF6，没有造成环境污染的隐患，且具有防燃防爆的特性。冷绝缘超导电缆设计了超导屏蔽层，基本消除了电磁场辐射，减少了对环境的电磁污染。与常规电缆相比，制造超导电缆使用较少的金属和绝缘材料。超导电缆系统总损耗的降低，减少了温室气体的排放，有利于环境保护。

由于上述的重大优越性，使高温超导输电将为未来电网提供一种全新的低损耗，大容量，远距离电力传输的重要途径，随着技术、产业与应用的发展，其地位也将日益提高。

高温超导输电在直流输电方面还有着一些特殊优越性，用途更广泛、容量可更大、损耗可更低、距离可更长等，考虑到我国未来大规模的电力输送问题，超导直流输电是重要发展的方向。近些年来，超导直流输电技术日益受到世界各国重视。美国、日本、德国等国家均在探索长距离超导直流输电的可行性。建议超导直流输电应作为我国发展的重点。

4 需要进行研发，产业化与示范的主要工作

高温超导输电是一项革命性的前沿技术，要能在我国电网发展中实现规模化应用，占有较大的比重，要在设备研发，产业化与示范应用方面进行长期持续的工作，包括高温超导材料，输电电缆，低温制冷，与进入电力系统四方面。

(1)发展高温超导材料

目前研制的高温超导电缆则大多采用银包套Bi2223带材作为通电导体。随高温超导材料研究的进展，采用第二代超导材料YBCO已备受关注。Y系超导材料比Bi系超导材料具有更高的不可逆场，在77K下的载流能力远优于Bi系超导材料。由于Y系超导材料不需要贵重金属如银作为基体材料，因此可望实现更低的成本。超导输电电缆传输电流一般都达千安量级，而单根Bi2223带材或YBCO带材的临界电流在77K和零场下为百安量级，因此高温超导输电电缆的通电导体必需用多根Bi2223或YBCO带材并联运行。

与此同时，发展更高临界温度(如液化天然气温度110K及以上)的实用高温超导材料、探索新型超导材料、开发新的超导材料制备工艺，以期提高高温超导材料的性能、降低高温超导材料的成本，从而降低超导输电系统的制造成本和运行费用，有效地促进高温超导输电技术的规模化发展。

主要工作包括:进一步改进目前高温超导材料制备技术，形成千米量级长度的高温超导带材批量生产能力;开展新型超导材料的研究及其制备技术研究，研究开发出具有更高临界温度、更好电磁特性和机械特性、价格低廉的实用化新型超导材料。

(2)研制超导电缆

超导电缆本体包括电缆芯、电绝缘和低温杜瓦管道(图1)。电缆芯是由超导体组成，它装在维持电缆芯所需低温的低温杜瓦管道中，低温杜瓦管道两端与终端相连。电缆芯的超导带在终端通过电流引线与外部电源或负载相连接。

图1 超导电缆示意图Fig．1 Sketch of superconducting cable

超导电缆是整个输电系统中的核心，要形成产业化的产品，在研制中需要着重解决以下关键科学技术问题:

(a)高电压、大容量、长距离高温超导电缆最佳设计、超导电缆导体层电磁特性、稳定性、均流、磁场屏蔽与失超保护等技术。

(b)低温高电压绝缘技术:重点解决在低温和高电压环境下具有良好绝缘性能的低温绝缘材料的研究开发及其制备关键技术，解决高温超导输电电缆在低温高电压环境下的绝缘工艺和绝缘技术。

(c)高温超导输电电缆的终端和电流引线技术:终端和电流引线是超导输电电缆与外部设备过渡和连接部位，需要在确保终端和电流引线实现与外部良好过渡的同时大幅度地降低其损耗，需要重点解决终端和电流引线热力学优化、结构优化、制造等关键技术。

(d)长距离超导电缆低温杜瓦管道及连接技术:长距离超导电缆存在长距离低温杜瓦管的链接问题，重点突破长距离低温杜瓦管的热力学优化设计、最佳分段长度、连接结构优化、电和热绝缘技术等一系列关键技术，减少长距离低温杜瓦管因为连接而引致的热损耗和电场不均匀问题。

(e)实时监测与故障预测预警技术:重点解决高温超导输电电缆主要运行参数的快速实时检测与处理技术、故障诊断与分析技术、超导智能设备的故障预测预警技术等。

(3)发展低温制冷冷却系统

目前高温超导电缆采用Bi2223超导带材或第二代涂层YBCO带材的临界温度分别为110K和90K，因此都可以采用液氮作为高温超导电缆的冷却剂。氮在一个标准大气压下的沸点是77K，低于Bi2223或YBCO的临界温度，其液化技术成熟、价格低廉，同时由于氮是空气的主要成分，氮气的排放不会带来环境问题。目前高温超导电缆大都采用过冷液氮循环迫流冷却方式，冷却装置可以采用各种不同制冷方式，如常压液氮沸腾制冷方式、减压降温制冷方式、低温制冷机制冷方式等。

为实现长距离，合理高效，安全可靠的低温制冷冷却系统，要大力发展相关装备与解决一些重大的冷却技术问题，包括:长距离超导输电电缆低温冷却系统的流程及其优化设计技术、在线检测与故障诊断技术、低温制冷系统制冷量自适应控制技术以及大功率、高效率、长寿命、低成本的低温制冷装备等。

(4)解决能作为重要成员进入国家电网的有关重大问题

要有效进入国家电网发展的长期规划，研究明确高温超导输电在我国电网中的地位，在发展计划中经过论证逐步明确有关的超导输电工程项目，根据我国的实际情况进行布署，与常规输电统一协调发展。按超高电压常规输电发展经验，必须认真建立研发试验基地，安排若干试验与运行示范项目，从实践中解决有关装备与技术问题，积累经验，锻炼队伍，奠定信心。研究解决超导输电与常规电力系统间的相互关系、作用和影响，使能保证两者在统一电力系统中的协调运行。由于超导输电系统还使用大量常规电力装备，要充分利用我国常规输电的成果与经验。

5 已有较好的工作基础

1986年发现高温超导体后，许多科学家开始了高温超导输电的可行性研究。一些国家设立了项目积极进行了超导电缆、超导限流器及有关超导装备的研发、制造，以及投入实际电网试验或示范运行。目前国际上已有多组超导电缆投入实际电网运行，最大的示范项目当属纽约长岛电力局的高温超导电缆示范项目，电缆的长度达到600m，最高电压等级达到138kV，最大电流达到3kA(图2)。

图2 美国长岛138kV/3kA高温超导电缆Fig．2 High temperature superconducting cable of Long Island，US

目前，国际上正在计划开展或正在进展的主要研究开发工作包括:荷兰于2007年底启动了长度达6，000m、容量为50kV/3kA的三相交流高温超导电缆的前期工作;美国正在研制1760m长、容量为13.8kV/2kA的三相交流高温超导电缆并将在新奥尔良市更换一段满负荷运行的地下常规电缆;韩国正在推动现有电力传输网采用高温超导电缆的进程，预计在未来五年内将实现50公里高温超导电缆在实际商业电网中的使用和服务;美国已经正式启动了将三大电网实现完全互联和可再生能源发电并网的“Tres Am igas超级变电站”项目，采用高压直流输电技术实现电网互联，将建成一个占地22.5平方英里、呈三角形互联的可再生能源市场枢纽。

不仅如此，2011年5月，德国就开展千公里级高温超导直流输电示范工程的建设召开了国际可行性专题研讨会，与会者对未来建设长距离高温超导输电电缆以解决大容量的可再生能源输送问题寄予厚望;2011年8月在日本召开的第一届亚洲—阿拉伯可持续能源论坛，提出开发撒哈拉太阳能和风能发电，并采用超导直流输电技术，将电力输送到欧洲和日本的宏伟计划。可以认为，超导电缆将能够在较短的时期内实现产业化应用的突破。

我国自“九五”以来，即开展高温超导电缆的研究，1998年中国科学院电工研究所与西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院合作研制成功1米长、1kA的Bi系高温超导直流输电电缆模型，2000年他们又完成6米长、2000A高温超导直流输电电缆的研制和实验。“十五”期间，在国家“八六三”计划支持下中国科学院电工研究所于2003年研制出10米、10.5kV/1.5kA三相交流高温超导输电电缆。在此基础上，2004年中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司等合作研制成功75米、10.5kV/1.5kA三相交流高温超导电缆并安装在甘肃长通电缆公司为车间供电运行，并基于中国科学院电工研究所在甘肃白银市建成的10.5kV/630kVA超导变电站，该75米超导电缆于2011年2月起在超导变电站中运行。2001年云南电力公司与北京英纳超导公司合资成立云电英纳超导电缆公司，从事高温超导电缆的研究开发，2004年完成30米长、35kV/2kA高温超导交流电缆的开发，安装在云南普吉变电站试验运行。2011年中国科学院电工研究所与河南中孚实业股份有限公司合作，在中孚铝冶炼厂建成360m长、电流达10kA的高温超导直流输电电缆，该超导直流电缆采用架空方式安装，跨越现场公司内部两条公路，将于2011年底前投入工程运行(图3)。

图3 安装中的10kA高温超导直流电缆Fig．3 10kA high temperature SC cable in installation

可见，高电压、长距离、大容量高温超导输电的发展正在世界范围内形成热潮。随着我国电网的发展，开展大容量、远距离高温超导输电技术的研究和应用已经刻不容缓。

6 主要结论与建议

为满足我国经济与社会迅速发展的实际需要和调整结构，建立能源与电力可持续发展的紧迫需求，从“十二五”开始，超高压、长距离、大容量交直流输电已成为我国电网发展的重点。根据最近提出的规划，“十二五”期间将实现4万多公里线路，总投资1.5万多亿元的规模化建设并投入运行。虽然，从已有的技术、装备、产业与示范工程基础出发，“十二五”期间的工程还只能采用传统的以铜、铝为导体的输电线路。但是，上世纪八十年代发现的高临界温度(高温)超导体，能在液氮温度下运行工作，高温超导输电具有载流能力大，损耗小，体积小，重量轻，节约资源，环境友好等一系列重大优越性，在500千伏的直流输电单回路即可实现2－5千万千瓦的输送容量，输电损耗可降低50%以上，还可大大节省占地，防止对环境的电磁污染，是解决高电压，长距离，大容量，低损耗输电的重要新途径。

近年来，我国与世界各国已积极进行了多方面的研发与示范工作，高温超导导线已实现了一定规模的生产能力，在输电中的示范展现了其优越性，为实用化奠定了扎实的基础。围绕高电压、长距离，大容量输电的发展，正在世界范围内形成高温超导输电的热潮。考虑到在直流输电方面，高温超导输电还有着用途更广泛、容量可更大、损耗可更低、距离可更长等特殊优越性，从我国实际出发，可将高温超导直流输电作为发展的重点。

由于高温超导输电属于前沿的高新技术，牵涉到超导材料、新型电工装备研制、大型低温工程、巨型电网建设等多个重大领域的发展。要全面系统地进行关键技术的研发，研制成所需的技术与经济均先进的装备并实现产业化，成长起相关的战略性新兴产业，在实际应用中充分证实其可行性与优越性，从而进入国家规划与计划进行大规模的建设与运营，在国家电网中占有重要地位，才能使超导输电尽快成为我国电网发展的重要成员，发挥其应有的作用。为此，从当前现状出发，必须大大提高对发展超导输电重要性的认识，进行认真的规划与部署，组织强有力的队伍经过长期持续的努力，以期尽早实现。为此，我们提出如下建议:

(1)列入国家重大专项

刘名卓[9]认为网络课程中既包括教学内容和学习资源，也包括教学活动。“集教师角色、教材角色和教学媒体为一体。”这是从内容上对网络课程进行定义的。

在国家与相关部门领导深化统一对发展“高电压、长距离、大容量高温超导输电”的重要性与重大意义基础上，须将该项工作列入国家重大专项，统一组织全国有关工作，制定规划与计划，加强队伍，保障经费与工作条件。近期，首先应组成强有力的领导与专家工作组，迅速开展工作，提出规划、计划与工作组织的初步意见，供批准立项用。这方面，中国科学院与中国工程院院士咨询能发挥良好的作用。

(2)设立超导输电装备研发与产业化项目

以高压大容量超导输电电缆为核心，全面系统地组织关键技术的研究开发与攻关。主要包括，第Ⅱ代高温超导导线(YBCO超导线)制备与生产技术、长距离低漏热低温容器技术、低温高电压绝缘材料与绝缘技术、超导输电电缆的设计与制造技术、超导输电电缆的终端技术、超导导线的焊接技术与超导电缆的连接技术、超导电缆的实时在线监测与运行控制技术等。在此基础上，研制成实用产品，努力提高其技术与经济性能，力争在输电示范工程中得到实用，成为战略性新兴产业的骨干。除超导输电电缆外，超导限流器和超导储能系统等其他新型超导电工装备也应在计划之中。

(3)设立超导输电试验与示范工程项目

按照我国发展超高压交直流输电建立试验与示范工程对积累经验，锻炼建设队伍及奠立信心的成功经验，设立超导输电试验与示范工程项目，根据我国实际的建设计划，遵循逐步提高输电长度、电压等级与输送容量的原则，分阶段安排一系列工程。“十二五”期间，从建设几十公里、±几百千伏的超导直流输电开始，经过几步，力争在10－20年内为超导输电规模化应用提供保证。在这些示范工程与试验基地上，还要积极开展超导输电对电网影响的研究，为超导输电在电网中的规模推广奠定科学基础。超导输电电缆的电气参数与暂态特性与常规架空输电线路有很大的差异，同时，其输送容量较常规架空输电线路高3－5倍以上。因此，超导输电系统的规模应用，必将改变现有电网的网络结构、电气结构及暂态特性，从而对电网各个方面产生重大影响。为此，必须就相关问题开展基础性研究，理清超导输电与电网的相互影响和作用，为合理构造含有超导输电系统的电网奠定基础。

(4)设立新型超导材料技术研发与产业化项目

加强新型超导材料技术的研究开发与产业化，为进一步降低超导输电系统的制造成本和运行成本打下坚实的基础。新型超导材料技术的研究开发，一方面是设法提高超导材料的运行温度(或临界温度)，例如从目前的液氮温度(77K)提高到液化天然气温度(110K)，运行温度的提高，将有助于提高超导输电系统的运行效率;另一方面，是要设法降低超导材料的制造成本，例如采用新的制造工艺或开发新的低成本的超导材料等。

(5)设立大型低温制冷系统项目

高温超导输电系统需要在较低的温度(例如，液氮温度及以上的温度)下运行，上千公里线路必须稳定保持在低温下工作，因此需要大型低温制冷系统，必须大力发展相关装备及冷却技术问题，诸如冷却流程及其优化设计技术，在线检测与故障诊断技术，制冷系统自适应控制技术以及高效率、长寿命、低成本的制冷装备等。

总起来说，建议将“高电压，长距离，大容量高温超导输电”作为国家重大专项列入国家计划，整个重大专项下设:超导输电装备研发与产业化、超导输电试验与示范工程、新型超导材料研发与产业化及大型低温制冷系统四个项目，抓紧统一认识，组织起来，尽快开始工作。以上意见，供有关领导及部门做出决策及部署有关工作时参考。

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