高温超导电缆研究与应用新进展

宗曦华，魏 东

(上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的一种高新技术，世界各国都一直重视超导技术的研究。超导电力技术涉及多学科、多技术领域，其应用主要包括输电电缆、超导故障电流限制器、变压器、超导储能以及电动机、发电机系统等在内的一系列高温超导产品。超导电力技术的应用，将对提高电网容量、电能质量、供电可靠性和安全性具有重要意义，将对电力技术的发展、智能电网的结构和特点产生深远的影响［1］。

随着高温超导材料的不断发展，超导电力应用技术的发展也日趋加速。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，并且已在超导电力设备的实用化方面取得了相当大的成果。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。

近年来，我国也在超导电力应用方面做了大量的研究工作，高温超导电缆、高温超导变压器、高温超导故障电流限制器等产品也已取得较大的进展，其中一些项目正在或已经进行示范运行工作，为我国超导电力应用技术的发展，构建坚强的智能电网奠定了良好的技术基础。

本文将主要介绍近年来世界各国在超导电缆方面所开展的相关研究和进展新情况，以供参考。

1 超导电缆发展历程

国际上关于高温超导电缆的研究，大体可以分为三个阶段。

1.1 高温超导电缆的初步探索

从上个世纪80年代开始，随着BSCCO 高温超导带材技术的发展，开始出现对高温超导电缆的研究。研究的主要内容包括:对超导电缆结构的研究，其中包括室温绝缘(Warm Dielectric，简称WD)高温超导电缆、低温绝缘(Cold Dielectric，简称CD)高温超导电缆、三相同轴结构、三芯合一结构等;对超导电缆的传输特性进行研究;开展超导电缆电气性能的研究等工作。

1.2 CD绝缘高温超导电缆的开发

1999年底，美国Southwire开发研制的30 m、三相、12.5 kV/1.25 kA冷绝缘高温超导电缆并网运行，向高温超导技术实用化迈出了坚实的一步。

在日本，以住友公司为例(同时开展研究的还有古河和东京电力公司)，1996年，研制出7 m单芯CD绝缘高温超导电缆(66 kV/1.4 kA)，到1999年，研制出第一根30 m长单芯CD绝缘高温超导电缆(40 kV/1 kA)，2005年，在实验场进行了500 m、66 kV CD绝缘高温超导电缆试验(super-ACE项目)。

1.3 CD绝缘高温超导电缆示范性工程研究

进入到21世纪，美国、日本、韩国等国家开始推进高温超导电缆示范性工程项目。日本住友公司从2002年开始，与美国Superpower合作开发Albany 350 m(34.5 kV/800 A)项目，到2006年完成。2004年住友公司与韩国KEPRI合作研发了一根100 m的(22.9 kV/1 250 A)CD绝缘高温超导电缆示范项目，2006年完成。2008年，美国AMSC公司与耐克森公司合作，在纽约长岛电力局成功完成高温超导电缆示范项目，电缆的长度为600 m，电压等级为138 kV，最大电流可达到3 kA(见图1)。

图1 AMSC长岛示范项目

2 国外超导电缆研究现状

目前，国际上关于高温超导电缆的发展正受到越来越多的关注，美国、日本、韩国等许多国家都在积极开展关于高温超导电缆的相关产品研发和示范运行研究等工作。国际大电网也将超导电缆的相关工作提上议事日程。国际上正在计划开展或正在进行的主要研究开发工作包括:

荷兰于2007年底启动了长度达6 000 m、容量为50 kV/3 kA的三相交流高温超导电缆的前期工作。

美国正在研制1 760 m长、容量为13.8 kV/2 kA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;美国AMSC已经正式启动将三大电网实现完全互联和可再生能源发电并网的“Tres Amigas超级变电站”项目，采用高压直流输电技术实现电网互联，该项目将建成一个占地22.5平方英里、呈三角形互联的可再生能源市场枢纽［2］。

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 km高温超导电缆在实际商业电网中的使用和服务;2013年，LS电缆的22.9 kV级超导电缆在韩国首尔近郊成功应用于实际线路系统。

国外关于超导电缆的研发和线路示范的大体情况如表1所示［3］。

3 国内超导电缆研究现状

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年完成了30 m长、35kV/2kA、WD高温超导交流电缆的开发，并将此超导电缆系统安装在云南普吉变电站试验运行(图2)。

图2 云电英纳WD超导电缆示范项目

中国科学院电工研究所于2004年与甘肃长通电缆公司等合作研制成功75 m、10.5 kV/1.5 kA三相交流高温超导电缆，并将其安装在甘肃长通电缆公司内为车间供电运行，2011年2月，该电缆在超导变电站中运行。

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360 m长、电流达10 kA的高温超导直流输电电缆，并于2012年9月投入示范运行，2013年4月项目通过专家组验收。

上海电缆研究所自2003年开始进行CD高温超导电缆的研究开发项目，2011年初，以上海电缆研究所为主体的“CD绝缘高温超导电缆系统及电力应用示范工程设计研究”项目通过验收，项目成功完成了30 m、35 kV/2 000 A的CD绝缘超导电缆系统的研发，超导电缆系统顺利通过型式试验(图3)。目前，上海电缆研究所正在推进第二代CD绝缘超导电缆系统的示范工程项目。

另外，国家电网将在北京建设一条110 kV、1 km的CD绝缘高温超导电缆示范工程。结合工程的需要以及今后的发展，国家电网对CD绝缘高温超导电缆系统进行了大量的深入研究工作。

表1 国外超导电缆项目概况

图3 正在进行试验的CD高温超导电缆系统

与此同时，国内其他一些企业和高校，也在超导电缆的研究和应用方面开展了大量的工作，并卓有成效，极大地推动了我国超导电缆的应用进程。

4 超导电缆的发展前景

关于超导电力应用技术的发展，美国的“美国电网2030”计划中，将超导电力技术放在一个十分重要的位置上，并计划采用超导电力技术建设骨干电网。日本的新能源开发机构(NEDO)则认为发展高温超导电力技术是在2l世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。业内认为:超导电力技术将是2l世纪具有经济战略意义的高新技术。

在我国，为满足经济与社会迅速发展的实际需要，在今后相当时期内，电力系统仍将处于迅速发展的阶段。预计到2020年，全国总装机容量将达18.4亿kW。就目前而言，高温超导输电尚未达到可规模化应用的阶段，但作为一种具有重大前景的新技术，大力推动高温超导输电有关工作，发挥高温超导输电应有的作用，并逐步在电网发展中得到应用和推广，将具有十分重要的意义［2］。

高温超导电缆不仅具有容量大、损耗低、稳定性较高等一系列重要的优越性，对于采用某种特殊结构的二代带材高温超导电缆，在电网故障阶段还会起到故障电流限制器的作用，并完全具有“自愈”的功能。由这样的超导电缆构建的超导传输网络，将具有更高的可靠性(Super Safe Grid，简称SSG，AMSC提供)。

在直流输电方面，高温超导电缆还有着一些特殊优越性:容量可更大、损耗可更低、距离可更长等。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。

5 结束语

随着高温超导电力应用研究的深入以及二代超导带材的性能不断提高，高温超导电缆在电力系统中将不断得到应用和推广。世界各国都将超导电缆等电力应用产品作为未来战略产品和技术储备而重点推进。

在我国，尽管相关研究单位和企业在超导电缆研究领域做出了巨大努力，但整体技术水平与国外相比仍有差距，特别是工程化应用方面的差距较大。我国应该加速推进超导电缆及其他超导电力应用技术研究，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。

［1］陈 中，肖立业，王海风.超导电力技术在未来智能电网应用研究［J］.电工电能新技术，2010，29(1):49-53.

［2］严陆光，肖立业，林良真，等.大力发展高电压、长距离、大容量高温超导输电的建议［J］.电工电能新技术，2010，31(1):1-7.

［3］Ken-ichi Sato.Power cable related activities at sumitomo electric［C］//CIGRE Workshop on High Temperature Superconductors for Utility Applications，April 26，2013.