超导电缆技术探析

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　使用高温超导电缆进行单回路的交流输电时，其传输容量可以比传统电缆大3～5倍，达到最高每线2000万～3000万kW；如果使用高温超导电缆进行直流输电，相对于传统电缆容量可提高10倍，±500kV可实现2000万～5000万kW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，1000km长输电500万kW·h，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。同样截面积的超导电缆的电流输送能力是常规电缆的3～5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小得多，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，因而有更大的过电流能力，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。(www.xing528.com)

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。图1.6所示为美国纽约州长岛第二代高温超导导线输电电缆。高温超导电缆最具优势的应用领域有以下两方面：

（1）高温超导电缆的第一项优势应用领域是超远距离输电　2010年全年全国用电量41923亿kW·h，根据中国输电损耗率约为8%～9%计算，这就意味中国每年电量线路损耗高达3000亿kW·h。可以期望，高温超导直流输电技术在我国长距离送电方面一定会有很大的应用。2012年2月中科院电工所严陆光院士、清华大学卢强院士等8名院士联合提出“关于发展高电压、长距离、大容量高温超导输电的建议”^[36]。我国已经开始考虑利用高温超导电缆西电东送的可行性。

（2）高温超导电缆的第二项优势应用领域是向大型城市中心送电　随着经济的发展，我国人口越来越密集地流向大城市，致使城市需电量快速上升。利用传统电缆技术送电所要求的电压等级不断提高，但是在城市建设空间日益拥挤的情况下，高压架空线对周边人群的电磁污染问题和昂贵的占地成本问题，使市区内新建高压架空线已经几乎不可能。并且我国城市建设地下管道系统规划水平落后，再铺设大容量的电缆也有很大难度。与相同直径的常规电缆相比，高温超导电缆的输电能力要大3～5倍，并且不需要考虑设计通风冷却的通道空间，因此占用空间小、开挖铺设的工作量少、施工费用比传统电缆低。

高温超导电缆由于能比相同截面积的常规电缆输送大得多的电流，可实现用较低的电压来送相同的电能，也就是说可用配电线路的电压（例如35kV）送输电线路的电能（例如220kV）来向超大城市供电。例如在城市中心地带很难建造变电站，在这种情况下，可以将变电站建在市中心以外的地方，从变压器的次级用高温超导电缆以较低的电压向市中心送电。这样，在市区铺设高温超导电缆会更加经济可行。例如北京市四环、五环附近的地价为6000元/m²左右，要建2km的高压架空线和地面变电站要占10万m²用地，合6亿元，这比2km的超导电缆要贵得多（相同容量的高温超导电缆目前价格为每公里几千万元左右）。

图1.6　美国纽约州长岛第二代高温超导导线输电电缆