高温超导电缆在大都市电网的应用前景

李红雷，林 一，黄兴德

(1. 国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2. 华东电力试验研究院有限公司，上海 200437)

高温超导电缆在大都市电网的应用前景

李红雷1,2，林 一1,2，黄兴德1，2

(1. 国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2. 华东电力试验研究院有限公司，上海 200437)

阐述了超导电力电缆的特点。分析了韩国、德国最新的超导电缆工程，以及上海宝钢示范工程。提出了超导电缆商业化运行的建议：超导电力电缆系统应大容量设计，并采用LCC模型进行经济性评估。

高温超导电缆；电力电缆；电网

超导电力电缆的发展经历了交/直流低温超导电缆、热绝缘交流高温超导(HTS)电缆、冷绝缘交流高温超导电缆和冷绝缘直流高温超导电缆等研发和应用阶段。国内外相继有一些超导电缆工程投入运行。从技术水平和应用情况看，超导电缆本体技术基本成熟，进入试验示范和商业化运行阶段。国内有多个城市正在积极调研和选址，准备立项公里级超导电缆工程，预计几年内国内外会在公里级超导电缆的示范应用方面取得突破[1-3]。本文介绍超导电缆的技术特点，分析国内外最新的典型工程，提出超导电缆在都市电网实现商业化运行的思路。

1 高温超导电缆的技术特点

在1911年发现超导现象以后，人们立即希望可以用它传输电磁能量，但只是在20世纪60年代末发现了临界温度约为18K的金属互化物Nb3Sn以后，这方面的工作才真正开始。随着临界温度高于77 K的高温超导线材的出现，高温超导电缆成为超导电缆发展的主流[4]。高温超导电缆具有如下技术特点。

(1)容量大。超导电缆使用无阻和高临界电流密度的高温超导线材作导体，极大的提高了电流/能量传输能力。例如，35 kV的热绝缘高温超导电缆每相可以达到2.5～3.0 kA，在重量、尺寸、电压等级等相同的情况下，热绝缘高温超导电缆的输送容量是常规电缆的3～5倍；这是由低温封套和屏蔽层的涡流损耗所限制的，如果低温保持器由非金属材料制造，电流传输能力将可以进一步提高。冷绝缘高温超导电缆的电流传输能力要大一些，可以达到每相8 kA；直流超导电缆可以达到15 kA甚至更高。

(2)损耗低。超导材料在进入超导状态时，其直流电阻几乎为零。但对交流电缆来说，超导体中仍会有磁滞涡流损耗，但其值比常规电缆要小得多，即使计及低温冷却所需的电力，其电力损耗仍比常规电缆要小。高温超导电缆的导体损耗不足常规电缆的1/10，加上制冷的能量损耗，其运行总损耗比常规电缆下降50%～60%。

(3)结构紧凑、对环境影响小。超导电缆的内部冷却方式也有利于降低对电缆安装地点和土壤的要求。超导电缆的磁场集中在电缆内部，电缆外没有磁场，减少了电磁污染；安装处土壤不会被油性物质污染；无火灾危险。能够在不增大电缆尺寸和不增大损耗的条件下增加传输功率，可明显地节约占地面积和空间，节省宝贵的土地资源。

高温超导电缆的主要特性是传输损耗极小和传输电流密度大，具有体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点，可以实现低损耗、高效率、大容量输电。高温超导电缆将首先应用于短距离传输电力的场合，例如发电机到变压器、变电中心到变电站及特大型工业用户等都具有应用前景。

由此可见，高温超导电缆可以改变传统输电方式，采用低电压大电流传输电能。超导电缆必须在低温环境下运行，而在失超时，超导材料变为巨大电阻体，类似于超导限流器，发生火警和短路事故的概率小。

2 国内外典型超导电缆工程

早期超导技术被美、日、欧的顶尖实验室垄断，美国、日本、德国、荷兰和丹麦等国先后做过在实验室环境运行的超导电缆，积累各类数据，并对超导带材和整体系统设计加以完善。在过去的十几年中，国际上对高温超导电缆的研究和应用，取得很大进展，相继有多组高温超导电缆挂网实验运行。技术领先的国家包括美国、日本、德国和韩国。相对于发达国家，中国的超导电缆技术研究起步较晚，但发展很快，相继有数组高温超导电缆挂网示范运行，为超导电力应用技术的发展奠定了良好的技术基础。下面介绍几个典型工程。

2.1 韩国超导电缆项目

韩国自2009年开始，在超导电缆技术领域发展迅速。韩国电力公司与韩国LS电缆公司合作，采用美国超导公司生产的第二代超导带材，2011年在首尔附近Icheon变电站内，投运交流22.9 kV、传输容量50 MVA、长度500 m的超导电缆，至今稳定运行。2014年在济州岛超导中心投运直流80 kV、传输容量500 MVA、长度500 m的超导电缆。

韩国超导电缆工程采用项目制，在安装调试阶段开展各类试验，充分检测超导电缆的功能特性，每个示范项目并网前，均有短样超导电缆系统在试验场长期试验，考验稳定性和可靠性，积累经验和数据。在项目验收试验时，采用特制电源持续做几周大电流试验，挂网后即为线路的负载。以Icheon站超导电缆为例，其额定电流1 250 A，一端接到变电站低压侧，另一端接传统电缆送站外用户，验收时采用3 500 A直流电源和独立的三相电源做大电流试验，挂网后的正常线路负载是600～800 A。

韩国在超导电缆敷设方面，考虑到经济性和电缆长期适用场景，第一个Icheon站超导电缆项目，采用排管敷设。在济州岛超导中心的交直流超导电缆，均采用站界内敞开式布置，为了检测机械特性及环境影响因素，设计了多种敷设方式，例如下沉和转角等。

韩国超导电缆专家在开展示范项目的同时，积极参与国际大电网会议(CIGRE)的专门工作组，与另外8个国家的电缆专家共同编写《超导电缆检测导则》，并在示范项目实施过程中，遵循该技术报告的相关规定开展测试。

2.2 德国超导电缆项目

德国超导电缆位于西部城市埃森市中心，连接Herkules和Dellbrügge两个变电站，该工程采用10 kV电缆，包括2组电缆终端、一组中间接头，长度1 km，传输容量40 MVA，是普通10 kV电缆传输容量的5倍，相当于110 kV电缆的传输容量。

项目的完成单位包括德国能源企业RWE公司、电缆制造公司法国Nexans和德国卡尔斯鲁尔技术研究院(KIT)。其中RWE公司负责制定配电网中的超导电缆系统技术规范，确定连接两个变电站间的超导电缆系统的现场试验。Nexans公司负责超导电缆(采用日本住友的第一代超导带材)开发及全部部件的型式试验，以及超导电缆系统及超导限流器的制造。德国KIT研究院负责超导系统试验和评价，以及超导电缆交流损耗测量和模拟计算。

该工程的商业化运行较为成功，有2个特点：

(1)容量大。10 kV电缆可以传送110 kV电缆的容量，节省了110 kV电缆和两端各1台110 kV/10 kV变压器，节省了变电站面积和变压器投资。德国超导电缆电气连接图如图1所示。

(2)资源重复利用。利用附近的一个工厂生产中所废弃的液氮，作为超导电缆运行的制冷剂，降低了运行成本。

图1 德国超导电缆电气连接图

韩国的超导电缆项目，侧重于不同电压等级和交直流电缆的性能测试；德国的超导电缆项目，侧重于在10 kV配网侧应用超导电缆突破输电容量的瓶颈。各自示范项目从启动到投运，都历经4年多时间。

2.3 上海宝钢超导电缆示范工程

该项目由上海电缆研究所牵头，宝山钢铁股份有限公司、上海三原电缆附件有限公司、上海电力设计院有限公司等多家单位合作完成。超导电缆系统额定容量为120 MVA，电压35 kV，长度为50 m。超导电缆采用二代超导带材，是国内首条35 kV冷绝缘超导电缆工程，多项技术指标处于世界领先水平。从2013年开始带负载运行，目前已连续稳定运行3年，未发生超导电缆系统及设备故障。和韩国、德国的工程相比，宝钢工程的突出特点是，利用钢铁企业电弧炉这种冲击很大的负荷，对超导电缆进行长期的、高达2 000 A的冲击电流考验。在示范工程实施前，该供电线路由5回35 kV电缆供电，现在用超导电缆，仅1回电缆就可以满足容量要求，体现了实用化优势。该超导电缆系统配备制冷机8台(每台500 W)，通常有2～3台冗余备用，因此，制冷系统阀门和垫圈等辅件更换可在不影响超导电缆运行的情况下进行。

3 都市电网超导电缆商业化运行的思考

借鉴国外的商业化运行经验，在国内开展超导电力电缆的应用，不应为了超导而超导，而要因地制宜，从需求出发，从已有的资源出发，首先分析城市电网众多的电缆线路，根据电缆供电的迫切需求和瓶颈，以及超导电缆突出的技术优势，找到二者的契合点，有望实现商业化运行。

大都市电网用电负荷大，地下空间拥挤，变电站选址困难，电网改造费用极高，有的场合甚至根本无法扩建改造；超导电缆为此提供了绝佳的解决方案。与常规大截面铜芯电缆相比，超导电缆不仅体积小，而且由于输送电流大，可以降低变电站的电压等级，大大减少变电站的面积。采用10 kV超导电缆可替代常规的110 kV电缆输送电力，采用35 kV超导电缆可替代常规的220 kV电缆输送电力。降低线路及变电站的电压等级，大大减少了建设变电站对土地资源的需求。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。

本文认为，都市电网超导电缆商业化运行需要具备以下条件：

(1)超导电力电缆系统只有基于大容量的设计，才可能实现商业化推广；不能仅考虑电流的大小或电压等级的高低。

(2)单看电缆本身的造价，目前超导电缆远高于常规电缆。采用LCC模型来引导超导电缆的研发、设计和工程论证，是解决超导电缆商业化，实现超导电缆经济性和长期可靠性的必由之路。从近年的研发情况看，虽然在电缆的造价上短时期内超导电缆还要远高于常规电缆, 但在输电网路的建设总成本方面使用超导电缆与使用常规电缆的差距会越来越小。

[1]ZHOU N, WU J, ZHANG P, et al. A nickel coating removal process for ITER superconducting cables[J]. Plasma Science and Technology, 2014, 16(5)：45-49.

[2]王醒东.商用二代高温超导带材概况[J].电工材料，2015(5)：23-26.

WANG Xingdong. Commercial development general situation of second generation of high temperature superconducting tape[J]．Electrical Engineering Materials，2015(5)：23-26.

[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，2003，25(5)：3-13.

YING Qiliamg, HUANG Chongqi, WEI Dong. Feasibility study on the application of high temperature superconducting cables in the urban power transmission system[J]. Electric Wire & Cable，2003，25(5)：3-13.

[4]魏东，宗曦华，徐操，等.35 kV 2 000 A低温绝缘高温超导电力电缆示范工程[J]. 电线电缆，2015，37(1)：1-3.

WEI Dong, ZONG Xihua, XU Cao, et al. Demonstration project of 35 kV 2000 A cold dielectric high temperature superconductive power cable system[J].Wire & Cable,2015，37(1)：1-3.

(本文编辑：杨林青)

Application of High Temperature Superconducting Cable in the Metropolitan Power Grid

LI Honglei1,2, LIN Yi1,2，HUANG Xingde1,2

(1. State Grid Electric Power Research Institute, SMEPC, Shanghai 200437, China;2.East China Electric Power Test & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200437, China)

This paper expounds the characteristics of superconducting power cables. The application of the latest superconducting cable in South Korea, Germany, and the Shanghai Baosteel demonstration project are analyzed. It also puts forward the suggestion of the commercial operation of superconducting cable: the large-capacity design of superconducting power cable system, and the economical evaluation of the LCC model.

high temperature superconducting cable; power cable; power grid

10.11973/dlyny201703009

李红雷(1970—)，男，博士，高级工程师，从事电力设备试验与评价工作。

TM726.4

A

2095-1256(2017)03-0255-03

2017-04-28