魏　東， 宗曦華， 徐　操， 應(yīng)啟良

（上海電纜研究所，上海200093）

35 kV 2000 A低溫絕緣高溫超導(dǎo)電力電纜示范工程

魏東， 宗曦華， 徐操， 應(yīng)啟良

（上海電纜研究所，上海200093）

2013年12月9日，中國(guó)首條冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)在寶山鋼鐵股份有限公司投入實(shí)際供電線路，為二煉鋼電爐進(jìn)行供電。該超導(dǎo)電纜系統(tǒng)額定容量為120 MVA（額定電壓35 kV，額定電流2000 A），長(zhǎng)度50 m，三相超導(dǎo)材料均采用AMSC提供的二代高溫超導(dǎo)帶材，超導(dǎo)電纜系統(tǒng)采用高端智能控制與通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人電站的遠(yuǎn)程化控制。

低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜；大容量；線路運(yùn)行示范工程；生命周期成本研究

0 引 言

在中國(guó)，經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)需要可靠、持久的電力基礎(chǔ)設(shè)施。特別是在人口密集的經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易和政治中心的城市地區(qū)，對(duì)電力負(fù)荷容量的要求越來越大，任何重大的電力中斷事故，都會(huì)對(duì)其經(jīng)濟(jì)和安全產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。通常來講，中心城區(qū)地下空間擁擠，電網(wǎng)改造費(fèi)用極高，超導(dǎo)電纜為此提供了絕佳的解決方案。與傳統(tǒng)電力電纜相比，超導(dǎo)電纜體積小、容量大、損耗低、安全穩(wěn)定性強(qiáng)，故障狀態(tài)下可兼具限流器作用，同時(shí)超導(dǎo)電纜具有良好的電磁屏蔽功能，不會(huì)干擾其它的地下設(shè)施［1，2］。與常規(guī)大截面銅芯電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜重量輕，綜合土建安裝成本較低，而土建安裝成本一直都在電纜項(xiàng)目成本中占很大的一部分［3］。

上海電纜研究所（以下簡(jiǎn)稱上纜所）早在20世紀(jì)70年代就開展過低溫超導(dǎo)電纜的研究，2003年開始進(jìn)行高溫超導(dǎo)電纜的研究工作。2010年，上纜所成功研制了首套低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)研究，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過了35 kV電纜型式試驗(yàn)。從2010年開始，上纜所與其他單位合作，對(duì)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，成功開發(fā)了額定容量為120 MVA（額定電壓35 kV，額定電流2000 A）、長(zhǎng)度為50 m的低溫絕緣（簡(jiǎn)稱CD絕緣）高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，并于2013年12月在寶山鋼鐵股份有限公司投入實(shí)際供電線路，為二煉鋼電爐進(jìn)行供電，成為國(guó)內(nèi)首條示范運(yùn)行的CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)。截至目前，該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。

1 高溫超導(dǎo)電力電纜研發(fā)經(jīng)歷的三個(gè)階段

國(guó)際上，高溫超導(dǎo)電力電纜研發(fā)大體經(jīng)歷了三個(gè)階段［4］。

第一階段：高溫超導(dǎo)電纜的初步探索研究階段

20世紀(jì)80年代后期，隨著BSCCO高溫超導(dǎo)帶材技術(shù)的發(fā)展，開始出現(xiàn)對(duì)高溫超導(dǎo)電纜的研究，包括超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)的研究［室溫絕緣結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱WD）、CD結(jié)構(gòu)等］、超導(dǎo)電纜傳輸特性研究、超導(dǎo)電纜電氣性能研究等。在國(guó)內(nèi)，北京、上海的大學(xué)和科研院所也進(jìn)行了相關(guān)研究。

第二階段：CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜的研究階段

1999年底，美國(guó)Southwire開發(fā)研制的30 m、三相、12.5 kV/1.25 kA冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜并網(wǎng)運(yùn)行，向高溫超導(dǎo)技術(shù)實(shí)用化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。其后，日本、韓國(guó)、德國(guó)等也都紛紛投入到CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜的研究中。上纜所于2003年開始進(jìn)行CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜的研究。

第三階段：CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范性工程研究階段

進(jìn)入到21世紀(jì)，各國(guó)開始超導(dǎo)電纜示范性工程項(xiàng)目研究。目前，世界上成功掛網(wǎng)示范運(yùn)行的CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜項(xiàng)目且影響較大的有：

（1）美國(guó)Superpower開發(fā)了Albany 350 m （34.5 kV/800 A）項(xiàng)目，2006年完成。韓國(guó)KEPRI研發(fā)了100 m的（22.9 kV/1250 A）CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目。

（2）2008年，美國(guó)AMSC公司與耐克森公司合作，在紐約長(zhǎng)島電力局成功完成高溫超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目，長(zhǎng)度為600 m，138 kV，電流可達(dá)到3 kA。

此外，2013年，上纜所牽頭建成的國(guó)內(nèi)首套35 kV、CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)在上海掛網(wǎng)運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)在實(shí)用CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)中獲得重大突破，成為國(guó)際上少數(shù)成功建設(shè)CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范工程的國(guó)家。

上述三個(gè)階段所采用的導(dǎo)體材料經(jīng)歷了從第一代超導(dǎo)帶材向第二代超導(dǎo)帶材的轉(zhuǎn)變（見表1、表2）。

表1　應(yīng)用第一代超導(dǎo)帶材作為導(dǎo)體的電力電纜

表2　應(yīng)用第二代超導(dǎo)帶材作為導(dǎo)體的電力電纜

2003年，上纜所再次啟動(dòng)超導(dǎo)電纜的研究工作，經(jīng)過幾年的基礎(chǔ)研究及準(zhǔn)備工作后，2005年8月，由上纜所牽頭，組織大學(xué)、電纜廠等單位的行業(yè)專家，進(jìn)行以“高溫超導(dǎo)電纜工程技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化研究”為最終目標(biāo)的超導(dǎo)電纜的前期項(xiàng)目攻關(guān)——分別采用第一、二代高溫超導(dǎo)帶材及CD絕緣超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的研究和開發(fā)，于2011年初，成功研制出35 kV/2000 A、30 m CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)（含電纜、終端和低溫系統(tǒng)），并順利通過了系統(tǒng)型式試驗(yàn)，這也是國(guó)內(nèi)首根自主研發(fā)成功的CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)。2013年，以上纜所牽頭的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，建成國(guó)內(nèi)首套CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，通過了竣工實(shí)驗(yàn)，并上線運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)在實(shí)用CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)中獲得重大突破，成為國(guó)際上少數(shù)成功建設(shè)低溫絕緣高溫超導(dǎo)電力電纜示范工程的國(guó)家。上纜所的研發(fā)成果在性能指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，其部分關(guān)鍵電氣性能指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

2 低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)

與室溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜不同，低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分構(gòu)成：電纜線芯最內(nèi)側(cè)為襯心，是超導(dǎo)導(dǎo)體繞制的骨架；襯心外是超導(dǎo)導(dǎo)體層，為多層超導(dǎo)帶材按電流均流分布設(shè)計(jì)節(jié)距［5，6］繞制而成；超導(dǎo)導(dǎo)體外為絕緣層，絕緣材料采用PPLP材料；PPLP絕緣層外為屏蔽層，屏蔽層由一層超導(dǎo)帶等組成。電纜線芯外為絕熱管和護(hù)套，起到絕熱和保護(hù)電纜線芯等的作用。電纜結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1　CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)

3 超導(dǎo)電纜系統(tǒng)測(cè)試及研究

為確保超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的運(yùn)行安全，對(duì)電纜進(jìn)行了一系列試驗(yàn)測(cè)試研究。首先在該批電纜末端，截取了12m超導(dǎo)電纜樣品，與研制的35 kV/2000A的兩套終端連接組成“U”形試驗(yàn)回路，并對(duì)該超導(dǎo)試驗(yàn)回路進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn)研究工作。

雖然許多抗生素有效，但由于細(xì)菌的耐藥性，本病臨床治療效果不明顯。實(shí)踐中選用普殺平、強(qiáng)化抗菌劑、帝諾、氟甲砜霉素肌肉注射或胸腔注射，連用3 d以上；飼料中拌支原凈、強(qiáng)力霉素、氟甲砜霉素或北里霉素，連續(xù)用藥5～7 d，有較好的療效。有條件的最好做藥敏試驗(yàn)，選擇敏感藥物進(jìn)行治療?？股氐闹委煴M管在臨床上取得一定成功，但并不能在豬群中消除感染。

3.1主要電性能試驗(yàn)

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12706和IEC 60840，開展了以下主要電性能試驗(yàn)（見表3），其他研究試驗(yàn)內(nèi)容另見專題文章。

3.2系統(tǒng)耐壓力試驗(yàn)

對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了壓力測(cè)試試驗(yàn)，系統(tǒng)耐壓性能符合設(shè)計(jì)要求。超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)在壓力測(cè)試前后無(wú)明顯變化。

表3　主要電性能試驗(yàn)及結(jié)果

3.3臨界電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)（77 K）

在77 K溫度條件下，采用四引線法對(duì)研制的超導(dǎo)電纜臨界電流進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得樣品電纜的臨界電流為3350 A，測(cè)量結(jié)果如圖2。

圖2　超導(dǎo)電纜臨界電流測(cè)試

3.4超導(dǎo)電纜系統(tǒng)損耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)（77 K）

采用卡路里測(cè)定方法，開發(fā)了一套專門用于測(cè)量超導(dǎo)電纜交流損耗和熱損耗的測(cè)試設(shè)備（見圖3），設(shè)備通過量氣法測(cè)量超導(dǎo)電纜及終端的交流損耗和熱損耗。經(jīng)過測(cè)試，超導(dǎo)電纜絕熱管的熱損耗約為2W/m，2000 A負(fù)載下超導(dǎo)電纜的交流損耗約為1.2W/m，每套超導(dǎo)終端的熱損耗為200 W。

圖3　超導(dǎo)電纜交流損耗和熱損耗的測(cè)試設(shè)備

超導(dǎo)電纜系統(tǒng)在工程現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)安裝完成后，進(jìn)行了竣工試驗(yàn)：三相50 m超導(dǎo)電纜及終端，施加交流電壓42 kV，時(shí)間為1 h，試驗(yàn)通過。圖4為上海35 kV 2000A CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)示范工程現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖4　CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)示范工程現(xiàn)場(chǎng)圖片

4 系統(tǒng)維護(hù)和運(yùn)行情況

系統(tǒng)配備了一套完備的制冷系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。液氮在三相電纜中采用兩進(jìn)一回方式流動(dòng)，電纜進(jìn)出口溫差＜2K。制冷機(jī)等關(guān)鍵部位執(zhí)行元件的選型滿足長(zhǎng)壽命要求。充分利用工業(yè)自動(dòng)化控制器的穩(wěn)定性，以計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為紐帶，搭建了可靠性高的服務(wù)器雙機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng)和監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和后端監(jiān)控中心的連接以及監(jiān)控機(jī)制的軟件化管理，為評(píng)估和研究超導(dǎo)電纜運(yùn)行狀態(tài)提供基礎(chǔ)參數(shù)。在日常運(yùn)行中，超導(dǎo)電纜系統(tǒng)短時(shí)負(fù)荷的有效值約為1800A，最大電流超過2000A；大量的脈沖負(fù)載對(duì)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。上海超導(dǎo)電纜示范工程運(yùn)行的負(fù)載情況如圖5所示。在圖5中，也展示了國(guó)際上著名的美國(guó)奧爾巴尼工程運(yùn)行期間的一段負(fù)荷情況。從圖5中可以看出，上海超導(dǎo)電纜示范工程運(yùn)行的負(fù)荷遠(yuǎn)大于奧爾巴尼工程項(xiàng)目負(fù)荷。

圖5　上海超導(dǎo)電纜示范工程運(yùn)行的負(fù)載情況

5 結(jié)束語(yǔ)

未來十年，超導(dǎo)電力電纜要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，必須要明確如下事項(xiàng)和突破相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）超導(dǎo)電力電纜系統(tǒng)只有基于大容量的設(shè)計(jì)才有經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值，電力容量是電流與電壓的乘積，因此不能僅考慮電流的大小或電壓等級(jí)的高低。

（2）基于大容量設(shè)計(jì)的超導(dǎo)電力電纜系統(tǒng)僅僅通過傳統(tǒng)電力電纜型式試驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力用戶

的需求，需要開展大量的非標(biāo)試驗(yàn)和研究，包括終端（另見專題文章）、電纜本體、制冷系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研發(fā)，僅試驗(yàn)排序時(shí)間不少于3～5年。

（3）超導(dǎo)電力電纜絕緣結(jié)構(gòu)采用CD絕緣是大勢(shì)所趨。目前，尤其在2005年以后，美、日、法、德、韓等國(guó)一流電纜企業(yè)研制超導(dǎo)電力電纜均采用CD絕緣結(jié)構(gòu)。上纜所在2008年完成采用第一代超導(dǎo)帶材國(guó)內(nèi)首套35 kV、CD絕緣超導(dǎo)電力電纜主要電氣型式試驗(yàn)后，一直采用第二代帶材開展CD絕緣超導(dǎo)電纜研究工作。

（4）采用LCC模型進(jìn)行研究是大容量超導(dǎo)電力電纜系統(tǒng)研究的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是解決超導(dǎo)電力電纜經(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)期可靠性的必由之路，其研究樣本的數(shù)量和研究所需的時(shí)間將是目前常規(guī)電氣實(shí)驗(yàn)的數(shù)倍甚至十余倍。關(guān)于開展超導(dǎo)電纜的LCC研究工作，日本斷斷續(xù)續(xù)進(jìn)行了十余年，美、法、德、韓曾見零星報(bào)道，上纜所已連續(xù)進(jìn)行八年，預(yù)計(jì)后續(xù)的LCC研究工作還將至少需要五年時(shí)間。

（5）大容量超導(dǎo)電力電纜系統(tǒng)的開發(fā)是多學(xué)科、多領(lǐng)域的交叉復(fù)合，其研究難度高、投資大、時(shí)間長(zhǎng)、研發(fā)人員多、涉及設(shè)備多而雜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期。在本項(xiàng)目十余年連續(xù)不斷的研發(fā)過程中，得到了上海市科委大力支持與大量資助，上海電纜研究所牽頭組織上海三原、寶鋼、上海市電力設(shè)計(jì)院有限公司等多家單位共同開發(fā)，上海交通大學(xué)、上海大學(xué)、上海電纜廠、上海市電力公司和上纜所開發(fā)中心、國(guó)家線纜檢測(cè)中心、國(guó)家特種電纜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中聯(lián)公司、光電纜公司及其他省市等眾多兄弟單位也參與了項(xiàng)目部分研究工作，這是上海超導(dǎo)聯(lián)盟各成員單位大協(xié)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］ 應(yīng)啟良，黃崇祺，魏 東.高溫超導(dǎo)電纜在城市地下輸電系統(tǒng)應(yīng)用的可行性研究［J］.低溫物理學(xué)報(bào)，2003（10）：370-377.

［4］ 宗曦華，魏 東.高溫超導(dǎo)電纜研究與應(yīng)用新進(jìn)展［J］.電線電纜，2013（5）：49-53.

［5］ 趙 臻，邱 捷，王曙鴻等.高溫超導(dǎo)交流電纜電流分布及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，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 額定電壓1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV （Um=40.5 kV）擠包絕緣電力電纜及附件［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 東（1960-），男，教授級(jí)高工，所長(zhǎng).

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)［200093］.