35 kV 2000 A低温绝缘高温超导电力电缆示范工程

魏　东， 宗曦华， 徐　操， 应启良

（上海电缆研究所，上海200093）

35 kV 2000 A低温绝缘高温超导电力电缆示范工程

魏东， 宗曦华， 徐操， 应启良

（上海电缆研究所，上海200093）

2013年12月9日，中国首条冷绝缘高温超导电缆系统在宝山钢铁股份有限公司投入实际供电线路，为二炼钢电炉进行供电。该超导电缆系统额定容量为120 MVA（额定电压35 kV，额定电流2000 A），长度50 m，三相超导材料均采用AMSC提供的二代高温超导带材，超导电缆系统采用高端智能控制与通讯技术，实现了无人电站的远程化控制。

低温绝缘高温超导电缆；大容量；线路运行示范工程；生命周期成本研究

0 引 言

在中国，经济的飞速增长需要可靠、持久的电力基础设施。特别是在人口密集的经济、贸易和政治中心的城市地区，对电力负荷容量的要求越来越大，任何重大的电力中断事故，都会对其经济和安全产生严重的影响。通常来讲，中心城区地下空间拥挤，电网改造费用极高，超导电缆为此提供了绝佳的解决方案。与传统电力电缆相比，超导电缆体积小、容量大、损耗低、安全稳定性强，故障状态下可兼具限流器作用，同时超导电缆具有良好的电磁屏蔽功能，不会干扰其它的地下设施［1，2］。与常规大截面铜芯电缆相比，高温超导电缆重量轻，综合土建安装成本较低，而土建安装成本一直都在电缆项目成本中占很大的一部分［3］。

上海电缆研究所（以下简称上缆所）早在20世纪70年代就开展过低温超导电缆的研究，2003年开始进行高温超导电缆的研究工作。2010年，上缆所成功研制了首套低温绝缘高温超导电缆系统用于实验研究，该实验系统通过了35 kV电缆型式试验。从2010年开始，上缆所与其他单位合作，对超导电缆系统进行了设计优化，成功开发了额定容量为120 MVA（额定电压35 kV，额定电流2000 A）、长度为50 m的低温绝缘（简称CD绝缘）高温超导电缆系统，并于2013年12月在宝山钢铁股份有限公司投入实际供电线路，为二炼钢电炉进行供电，成为国内首条示范运行的CD绝缘高温超导电缆系统。截至目前，该系统运行状态良好。

1 高温超导电力电缆研发经历的三个阶段

国际上，高温超导电力电缆研发大体经历了三个阶段［4］。

第一阶段：高温超导电缆的初步探索研究阶段

20世纪80年代后期，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，包括超导电缆结构的研究［室温绝缘结构（简称WD）、CD结构等］、超导电缆传输特性研究、超导电缆电气性能研究等。在国内，北京、上海的大学和科研院所也进行了相关研究。

第二阶段：CD绝缘高温超导电缆的研究阶段

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。其后，日本、韩国、德国等也都纷纷投入到CD绝缘高温超导电缆的研究中。上缆所于2003年开始进行CD绝缘高温超导电缆的研究。

第三阶段：CD绝缘高温超导电缆示范性工程研究阶段

进入到21世纪，各国开始超导电缆示范性工程项目研究。目前，世界上成功挂网示范运行的CD绝缘高温超导电缆项目且影响较大的有：

（1）美国Superpower开发了Albany 350 m （34.5 kV/800 A）项目，2006年完成。韩国KEPRI研发了100 m的（22.9 kV/1250 A）CD绝缘高温超导电缆示范项目。

（2）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，长度为600 m，138 kV，电流可达到3 kA。

此外，2013年，上缆所牵头建成的国内首套35 kV、CD绝缘高温超导电缆系统在上海挂网运行，标志着我国在实用CD绝缘高温超导电缆技术中获得重大突破，成为国际上少数成功建设CD绝缘高温超导电缆示范工程的国家。

上述三个阶段所采用的导体材料经历了从第一代超导带材向第二代超导带材的转变（见表1、表2）。

表1　应用第一代超导带材作为导体的电力电缆

表2　应用第二代超导带材作为导体的电力电缆

2003年，上缆所再次启动超导电缆的研究工作，经过几年的基础研究及准备工作后，2005年8月，由上缆所牵头，组织大学、电缆厂等单位的行业专家，进行以“高温超导电缆工程技术应用与产业化研究”为最终目标的超导电缆的前期项目攻关——分别采用第一、二代高温超导带材及CD绝缘超导电缆系统的研究和开发，于2011年初，成功研制出35 kV/2000 A、30 m CD绝缘高温超导电缆系统（含电缆、终端和低温系统），并顺利通过了系统型式试验，这也是国内首根自主研发成功的CD绝缘高温超导电缆系统。2013年，以上缆所牵头的项目团队，建成国内首套CD绝缘高温超导电缆系统，通过了竣工实验，并上线运行，标志着我国在实用CD绝缘高温超导电缆技术中获得重大突破，成为国际上少数成功建设低温绝缘高温超导电力电缆示范工程的国家。上缆所的研发成果在性能指标上已经达到世界先进水平，其部分关键电气性能指标达到世界领先水平。

2 低温绝缘高温超导电缆结构

与室温绝缘高温超导电缆不同，低温绝缘高温超导电缆的结构主要由以下几部分构成：电缆线芯最内侧为衬心，是超导导体绕制的骨架；衬心外是超导导体层，为多层超导带材按电流均流分布设计节距［5，6］绕制而成；超导导体外为绝缘层，绝缘材料采用PPLP材料；PPLP绝缘层外为屏蔽层，屏蔽层由一层超导带等组成。电缆线芯外为绝热管和护套，起到绝热和保护电缆线芯等的作用。电缆结构详见图1。

图1　CD绝缘高温超导电缆结构

3 超导电缆系统测试及研究

为确保超导电缆系统的运行安全，对电缆进行了一系列试验测试研究。首先在该批电缆末端，截取了12m超导电缆样品，与研制的35 kV/2000A的两套终端连接组成“U”形试验回路，并对该超导试验回路进行了各项试验研究工作。

虽然许多抗生素有效，但由于细菌的耐药性，本病临床治疗效果不明显。实践中选用普杀平、强化抗菌剂、帝诺、氟甲砜霉素肌肉注射或胸腔注射，连用3 d以上；饲料中拌支原净、强力霉素、氟甲砜霉素或北里霉素，连续用药5～7 d，有较好的疗效。有条件的最好做药敏试验，选择敏感药物进行治疗。抗生素的治疗尽管在临床上取得一定成功，但并不能在猪群中消除感染。

3.1主要电性能试验

参考标准GB/T 12706和IEC 60840，开展了以下主要电性能试验（见表3），其他研究试验内容另见专题文章。

3.2系统耐压力试验

对该试验系统进行了压力测试试验，系统耐压性能符合设计要求。超导电缆系统的各项参数在压力测试前后无明显变化。

表3　主要电性能试验及结果

3.3临界电流测试实验（77 K）

在77 K温度条件下，采用四引线法对研制的超导电缆临界电流进行了测试，测得样品电缆的临界电流为3350 A，测量结果如图2。

图2　超导电缆临界电流测试

3.4超导电缆系统损耗测试实验（77 K）

采用卡路里测定方法，开发了一套专门用于测量超导电缆交流损耗和热损耗的测试设备（见图3），设备通过量气法测量超导电缆及终端的交流损耗和热损耗。经过测试，超导电缆绝热管的热损耗约为2W/m，2000 A负载下超导电缆的交流损耗约为1.2W/m，每套超导终端的热损耗为200 W。

图3　超导电缆交流损耗和热损耗的测试设备

超导电缆系统在工程现场敷设安装完成后，进行了竣工试验：三相50 m超导电缆及终端，施加交流电压42 kV，时间为1 h，试验通过。图4为上海35 kV 2000A CD绝缘高温超导电缆系统示范工程现场图片。

图4　CD绝缘高温超导电缆系统示范工程现场图片

4 系统维护和运行情况

系统配备了一套完备的制冷系统和监控系统。液氮在三相电缆中采用两进一回方式流动，电缆进出口温差＜2K。制冷机等关键部位执行元件的选型满足长寿命要求。充分利用工业自动化控制器的稳定性，以计算机、数据库、互联网技术为纽带，搭建了可靠性高的服务器双机容错系统和监控软件，实现了现场设备和后端监控中心的连接以及监控机制的软件化管理，为评估和研究超导电缆运行状态提供基础参数。在日常运行中，超导电缆系统短时负荷的有效值约为1800A，最大电流超过2000A；大量的脉冲负载对超导电缆系统的可靠性提出了更高的要求。上海超导电缆示范工程运行的负载情况如图5所示。在图5中，也展示了国际上著名的美国奥尔巴尼工程运行期间的一段负荷情况。从图5中可以看出，上海超导电缆示范工程运行的负荷远大于奥尔巴尼工程项目负荷。

图5　上海超导电缆示范工程运行的负载情况

5 结束语

未来十年，超导电力电缆要想实现产业化，必须要明确如下事项和突破相关的关键技术：

（1）超导电力电缆系统只有基于大容量的设计才有经济实用价值，电力容量是电流与电压的乘积，因此不能仅考虑电流的大小或电压等级的高低。

（2）基于大容量设计的超导电力电缆系统仅仅通过传统电力电缆型式试验远远不能满足电力用户

的需求，需要开展大量的非标试验和研究，包括终端（另见专题文章）、电缆本体、制冷系统、监控系统设计及研发，仅试验排序时间不少于3～5年。

（3）超导电力电缆绝缘结构采用CD绝缘是大势所趋。目前，尤其在2005年以后，美、日、法、德、韩等国一流电缆企业研制超导电力电缆均采用CD绝缘结构。上缆所在2008年完成采用第一代超导带材国内首套35 kV、CD绝缘超导电力电缆主要电气型式试验后，一直采用第二代带材开展CD绝缘超导电缆研究工作。

（4）采用LCC模型进行研究是大容量超导电力电缆系统研究的关键核心技术，也是解决超导电力电缆经济性和长期可靠性的必由之路，其研究样本的数量和研究所需的时间将是目前常规电气实验的数倍甚至十余倍。关于开展超导电缆的LCC研究工作，日本断断续续进行了十余年，美、法、德、韩曾见零星报道，上缆所已连续进行八年，预计后续的LCC研究工作还将至少需要五年时间。

（5）大容量超导电力电缆系统的开发是多学科、多领域的交叉复合，其研究难度高、投资大、时间长、研发人员多、涉及设备多而杂，远远超过预期。在本项目十余年连续不断的研发过程中，得到了上海市科委大力支持与大量资助，上海电缆研究所牵头组织上海三原、宝钢、上海市电力设计院有限公司等多家单位共同开发，上海交通大学、上海大学、上海电缆厂、上海市电力公司和上缆所开发中心、国家线缆检测中心、国家特种电缆重点实验室、中联公司、光电缆公司及其他省市等众多兄弟单位也参与了项目部分研究工作，这是上海超导联盟各成员单位大协作的成果。

［1］ Rieger J，Leghissa M.AC losses in a flexible 10 m long conductor model for a HTS power transmission cable［J］.Physica C，310（1998）：225-230.

［2］ Moutassem W，Anders G J.Configuration optimization of underground cables for best ampacity［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25（4）：2037-2045.

［3］ 应启良，黄崇祺，魏 东.高温超导电缆在城市地下输电系统应用的可行性研究［J］.低温物理学报，2003（10）：370-377.

［4］ 宗曦华，魏 东.高温超导电缆研究与应用新进展［J］.电线电缆，2013（5）：49-53.

［5］ 赵 臻，邱 捷，王曙鸿等.高温超导交流电缆电流分布及结构优化的研究［J］.西安交通大学学报，2004（4）：352-356.

［6］ Sytnikov V.E，Dolgosheev P.I，Svalov G.G，et al.Influence of the multilayer HTS cable conductor design on the current distribution［J］.Physica C，310（1998）：387-391.

［7］ GB/T 12706—2002 额定电压1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV （Um=40.5 kV）挤包绝缘电力电缆及附件［S］.

［8］ IEC 60840—2004 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 30 kV（Um=36 kV）up to 150 kV（Um=170 kV）Test methods and requirements［S］.

Demonstration Project of 35 kV 2000 A Cold Dielectric High Temperature Superconductive Power Cable System

WEI Dong，ZONG Xi-hua，XU Cao，YING Qi-liang
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

In December9th，2013，China’s first Cold Dielectric High Temperature Superconductive（CD HTSC）cable system was put into practical power lines and laid in Baoshan iron&steel Co.，Ltd（Baosteel），supplying power for the second EAF.The rated capacity of the system is120MVA（rated voltage35 kV，rated current2000 A）。The system is a three-phase system and the cable’s length is50 m for each phase.The superconducting tape in the cable is 2G HTS tapes，provided by AMSC.By employing high-intelligent control and communications technology，an unmanned remote control power station has been built.

CD HTSC cable；high capacity；line running demonstration project；life cycle cost（LCC）

TM249.7

A

1672-6901（2015）01-0001-04

2014-08-25

魏 东（1960-），男，教授级高工，所长.

作者地址：上海市军工路1000号［200093］.