王銀順， 張 瀚

(1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室， 華北電力大學， 北京 102206；2. 高壓與電磁兼容北京市重點實驗室， 華北電力大學， 北京 102206)

高溫超導電纜的研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

王銀順1,2， 張 瀚2

(1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室， 華北電力大學， 北京 102206；2. 高壓與電磁兼容北京市重點實驗室， 華北電力大學， 北京 102206)

與常規(guī)電纜相比，高溫超導電纜具有體積小、重量輕、容量大、電流密度高、損耗低、環(huán)境友好等優(yōu)勢，為未來電網提供了一種新的電力傳輸方式。隨著高溫超導線材取得的重要研究進展，國際上相繼開展了高溫超導電纜的研發(fā)，已有多條超導電纜工程成功地進行了掛網示范運行。本文介紹高溫超導電纜的研發(fā)進展情況，并簡單對高溫超導電纜的發(fā)展趨勢和關鍵技術做出展望。

高溫超導電纜； 冷絕緣； 終端； 應力錐； 中間連接； 交流/直流電纜； 帕爾帖電流引線(PCL)

1 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，用電量在不斷增長，對電網傳輸容量需求也日益增長。高溫超導材料在液氮溫度的傳輸電流密度比銅導體高至少兩個量級，且采用無污染和火災隱患的液氮作為冷卻介質，因此高溫超導電纜在提升電網輸電能力，在現(xiàn)有電力系統(tǒng)升級和新電力系統(tǒng)建設中都具有重要應用前景。

目前，國際上對高溫超導交流電纜的研究已取得了很大的進展，技術較成熟，相繼建成多條超導電纜示范工程。高溫超導直流電纜起步較晚，所以目前國內外的直流電纜工程不多，但由于新能源的大量引入，高溫超導直流電纜得到了越來越多的重視，各國也紛紛開展了對高溫超導直流電纜的研究。

本文簡要介紹近十幾年來國內外有關高溫超導電纜研究和開發(fā)的進展情況，并對其未來發(fā)展趨勢和關鍵技術進行簡單介紹。

2 高溫超導電纜國外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1交流高溫超導電纜

(1)日本

2004年3月，由日本古河電氣公司和電力中心工業(yè)研究所等合作測試了當時世界上最長(500m)的高溫超導電纜系統(tǒng)，測試時間為1年。作為Super-ACE工程的一部分，電纜采用單相冷絕緣型結構設計，長度500m,電壓/電流為77kV/1kA。導體部分全部采用Bi-2223帶材繞制，由導體層和屏蔽層組成，絕緣部分采用PPLP材料作為主絕緣。在額定負載，波動負載和過載的情況下測試了制冷系統(tǒng)的熱機械特性和運行特性以及電纜部分的導電性和超導電性[1]，該電纜系統(tǒng)遠景如圖1所示。

圖1 500m高溫超導電纜系統(tǒng)圖Fig.1 Overview of 500m HTS cable

2007年，由日本新能源和工業(yè)技術研發(fā)組織支持的高溫超導電纜示范項目啟動，該項目目標是將一個66kV/200MVA的高溫超導電纜系統(tǒng)在東京電力公司的實際電網中運行。該項目成功將一240m長的電纜以及其他系統(tǒng)部件，如電纜接頭、終端、制冷系統(tǒng)，在橫濱的朝日變電站組裝在一起并完成測試，于2012年10月至2013年12月將電纜系統(tǒng)放入實際電網中運行。在持續(xù)1年的運行中，該電纜系統(tǒng)未出現(xiàn)故障以及意外中斷，電纜中的液氮的溫度和壓力都控制在給定值。測試結束后，電纜導體的臨界電流并未出現(xiàn)衰減。經過驗證，該電纜系統(tǒng)對于長距離電網輸電具有很高的可靠性。朝日變電站中的電纜端部圖如圖2所示[2]。

圖2 朝日變電站中的高溫超導電纜端部Fig.2 Terminations of HTS cable in Asahi Substation

2008年，由日本古河公司、日本中部電力公司和橫濱大學合作開發(fā)了一根20m長的高溫超導電纜，該電纜導體層采用YBCO涂層材料繞制，由三層導體層，電絕緣層，一層超導屏蔽層，銅保護層組成，并同時研制了能承受2s，31.5kA過電流的連接體。該電纜載流能力超過3kA，額定電壓為66kV[3]。

由日本新能源與工業(yè)技術發(fā)展組織支持的國家項目“材料和涂層導體電力應用項目”于2008年開始啟動，該項目旨在設計出一條30m長、單相、電壓/電流為275kV/3kA的高溫超導電纜，其中30m電纜由兩段各長25m和5m組成，中間有一個接頭，該電纜是目前世界上電壓等級最高、容量最大的高溫超導電纜。通過了短路、局放、雷電擊穿、實驗交流損耗實驗。短路測試：短路時間0.6s，穩(wěn)態(tài)短路電流63kA，短路電流峰值158kA；局放：310kV無局放現(xiàn)象發(fā)生；雷電沖擊：通過雷電沖擊電壓1155kV實驗；交流損耗：在額定電壓/電流275kV/3kA運行情況下的交流損耗電纜為0.8W/m，其中， 導體層交流損耗0.12W/m，屏蔽層交流損耗0.08W/m，絕緣層交流損耗0.6W/m。實驗結果表明，超導電纜通過了短路、絕緣、雷電沖擊的測試要求，滿足掛網運行要求。超導層采用YBCO涂層材料繞制。并于2013年6月由日本古河電工在沈陽古河電纜公司完成了30m長、單相、電壓/電流為275kV/3kA的電纜系統(tǒng)集成和測試，并在沈陽古河電纜公司進行掛網試驗運行。電纜導體層的臨界電流高達6.8kA，屏蔽層臨界電流達到7kA。電纜系統(tǒng)圖如圖3所示[3,4]。

圖3 日本古河電工高溫超導電纜系統(tǒng)Fig.3 Layout of 30m long HTS cable system developed by Frukawa Electric, Japan

(2)美國

2006年，Ultera公司成功在美國電力公司俄亥俄州哥倫布市Bixby變電站安裝了一200m長，三相同軸高溫超導電纜。該電纜連接了138kV/13.2kV的變壓器，設計通過電流為3kA，掛網運行前在國立橡樹嶺實驗所進行了各種測試，主要包括額定載流3kA下的長期運行穩(wěn)定性、高壓絕緣、耐壓特性以及過載能力等。電纜截面和端部圖如圖4所示[5]。

圖4 同軸三相電纜截面和端部圖Fig.4 Cross section and terminations of triaxial cable

2006～2008年，美國紐約州奧爾巴尼市高溫超導電纜項目啟動，目標為在美國國家電網的兩個變電所之間安裝并運行一條350m長、電壓/電流為 34.5kV/800A的高溫超導電纜。電纜由2段組成，2段電纜通過中間連接體連接。超導材料采用Bi2223帶材進行，電纜結構采用三相三軸冷絕緣結構。于2006年7月成功掛網運行。項目所用電纜結構如圖5所示[6]。

圖5 三相三軸結構電纜Fig.5 HTS cable with co-cryostat of three-phases

2008年，由美國能源部支持，美國超導公司(AMSC)、法國耐克森(Nexans)公司和法國液空(Air Liquide)公司聯(lián)合設計了當時世界上最高電壓等級的高溫超導電纜，并在美國紐約州長島Holbrook變電站通電運行。運行電壓為138kV，額定電流2.4kA，輸電容量600MVA，最大電流可達3kA，其運行現(xiàn)場如圖6所示[7]。

圖6 安裝在美國長島電力公司的三相高溫超導電纜系統(tǒng)現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.6 Three-phase HTS cable system assembled in LIPA (Long Island Power Authority)

(3)歐洲

由法國Nexans，RWE Deutschland和德國Karlsruhe Institute of Technology(KIT)承辦的AmpaCity project 項目于2011年9月啟動。項目的目標是制造并安裝一條1km長、三相、容量/電壓為40MV·A/10kV的高溫超導電纜系統(tǒng)，其中為了限制短路電流和超導電纜安全，將超導限流器接入超導電纜系統(tǒng)。1km長的超導電纜由兩段各500m長通過一個中間接頭連接組成。這是首次將超導電纜與超導限流器在實際電網中聯(lián)合使用，并且是目前世界上最長的超導輸電系統(tǒng)。系統(tǒng)模型在2013年完成測試，并在2014年實現(xiàn)掛網運行。電纜樣品試驗如圖7所示，超導電纜系統(tǒng)線路如圖8所示[8]。

圖7 30m電纜樣品試驗Fig.7 Demonstration of 30m HTS cable

圖8 有一個接頭的1km長超導電纜系統(tǒng)線路圖Fig.8 Layout of 1km HTS cable with one joint

荷蘭與丹麥NKT公司合作，正在研制長度達6km、50kV/3kA的三相交流高溫超導電纜并將在阿姆斯特丹市更換一段目前已經超負荷運行的充氣常規(guī)電纜，同時其傳輸電壓等級將由常規(guī)電纜的150kV降到超導電纜的50kV；荷蘭于2007年底啟動了長度達6km、容量為 50kV/3kA的三相交流高溫超導電纜的前期工作。電纜的規(guī)劃布置圖如圖9所示[9]。

圖9 阿姆斯特丹城區(qū)超導電纜的規(guī)劃布置圖Fig.9 Layout of 6km HTS cable prepared to be assembled in Amsterdam urban

(4)巴西

2010年巴西國家電能中心(National Electric Energy Agency)在“國家互聯(lián)系統(tǒng)(National Interlinked System)”組織開展超導輸電工程SUPERCABO，旨在使用超導技術代替原有輸電技術，研究內容主要包括電纜的設計方法，電纜測試以及經濟可行性分析。目前正在進行電纜設計及可行性研究。計劃設計并制造一根長10m的電纜模型樣品。電纜采用冷絕緣三相三軸的電纜結構，并組裝在同一低溫容器內，設計運行電壓/電流為69kV/1kA，PPLP絕緣。每根電纜為4層導體層，每層10根第二代超導帶材，屏蔽層15根超導帶材。采用鋁制電纜作為短路保護[10]。

(5)韓國

從2005年開始，為了驗證電力設施之間的兼容性，韓國電力公社設計并安裝了一條100m長，三相、電壓/電流為22.9kV/1.25kA的高溫超導電纜系統(tǒng)，并對它的導電性和熱機械特性進行了多次測試。在測試階段未出現(xiàn)重大故障[11]。

韓國LS電纜公司與首爾電力公司合作，正在進行一條600m長、三相、電壓/電流22.9kV/1.25kA高溫超導電纜的研制，于2011年底在首爾投入商業(yè)運行，超導線采用第二代高溫超導材料。下一步研發(fā)154kV和275kV第二代高溫超導線材繞制的高溫超導電纜[12]。

(6)國內發(fā)展現(xiàn)狀

2004年初，由北京云電英納超導電纜有限公司牽頭完成30m/35kV/2kA三相交流高溫超導電纜，該電纜為室溫絕緣結構。自2004年4月19日在云南省昆明市普吉變電站投入運行以來，經受了多種氣象條件的考驗，截至2004年12月30日，在試運行和掛網運行中已正常供電45MkW·h。這標志著繼美國、丹麥之后，我國成為世界上第三個將超導電纜投入電網運行的國家。電纜照片如圖10所示[12]。

圖10 普吉變電站35kV室溫絕緣高溫超導電纜Fig.10 WC HTS cable with 35kV operating in Puji Sustation, Yunnan

2004年，由中國科學院電工研究所與甘肅長通電纜科技股份有限公司、中國科學院理化技術研究所聯(lián)合研究開發(fā)的一條75m長、三相、電壓/電流為10.5kV/1.5kA交流高溫超導電纜順利完成系統(tǒng)集成，該電纜采用室溫絕緣結構，通過了系統(tǒng)檢測和調試，并于2011年2月投入并網試驗運行[13]。這些都標志著我國高超導電纜技術從成果到產業(yè)化取得了新的重大突破，而且已經走在了世界的前沿。電纜試驗現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 10.5kV高溫超導電纜運行現(xiàn)場Fig.11 WC HTS cable with 10.5kV operating in Baiyin, Gansu

上海電纜研究所自2003年開始進行冷絕緣(CD)高溫超導電纜的研究開發(fā)項目，2011年初，上海電纜研究所牽頭的 “冷絕緣(CD)高溫超導電纜系統(tǒng)及電力應用示范工程設計研究”項目通過驗收，項目成功完成了一條30m長、三相、電壓/電流為35kV/2kA的冷絕緣超導電纜系統(tǒng)的研發(fā)，超導電纜系統(tǒng)順利通過型式試驗。目前，上海電纜研究所正在推進第二代冷絕緣超導電纜系統(tǒng)的示范工程項目。正在進行試驗的冷絕緣高溫超導電纜系統(tǒng)如圖12所示[14]。

圖12 35kV冷絕緣高溫超導電纜系統(tǒng)實驗現(xiàn)場Fig.12 Test of 35kV CD HTS cable

此外，富通集團(天津)超導技術應用有限公司已成功研制一條100m長、三相、電壓/電流為35kV/1.0kA的冷絕緣三相交流電纜，電纜采用第二代高溫超導帶材進行繞制，電纜完成組裝和各種實驗后，于2017年6月在天津濱海高技術開發(fā)區(qū)進行掛網測試運行[15]。

中天科技集團股份有限公司與華北電力大學合作，進行220kV/3kA高溫超導電纜關鍵技術研究，包括終端和中間接頭。短路實驗已經完成，套管、終端、中間連接等均完成，雷電擊穿實驗等待中國電力科學院冷卻及220kV高壓系統(tǒng)的實驗裝置集成及調試，待該裝置投運后，即可進行實驗。該電纜結構示意圖如圖13所示。

圖13 單相 220kV/3kA 高溫超導電纜示意圖Fig.13 Schematic view of 220kV/3kA single phase HTS cable

2.2直流高溫超導電纜

(1)美國

2009年，美國超導公司提出Tres Amigas 超級變電站計劃，此項目旨在通過3條容量5GW的高壓直流輸電線路將美國東部電網、西部電網和德克薩斯電網聯(lián)結起來，變電站能分別控制3個獨立的交流電網的能量流動，設計容量為30GW。3條直流輸電線路采用高溫超導線并全部由美國超導公司制造。Tres Amigas 超級變電站將扮演一個電力市場中心的角色，可與美國北部最大的3個電力中心進行電力交易。德克薩斯電力穩(wěn)定委員會(ERCOT)擁有5條直流線路連接其他電網，總容量1100MW。此項目為可再生能源如太陽能、風能的傳輸提供了通道。其規(guī)劃圖如圖14所示，其中直流超導電纜將由美國超導公司負責制造[16]。但是，該計劃一直沒有實質性進展。

圖14 超級變電站規(guī)劃圖Fig.14 Layout of superstation in Tres Amigan Projection

2005年，美國電力研究所(EPRI)開展了一項高溫超導直流電纜的研究。這項研究首先評估了在各種情況下應用高溫超導直流電纜的可行性，選擇了2種傳輸容量的超導電纜作為研究對象：其一，200km長、容量2GW、單相、電壓/電流為100kV/20kA; 其二，1000km長、容量10GW、單相、電壓/電流為100kV/100kA。主要研究這些電纜的制造、安裝和運行的技術與工程問題。所設計的電壓/電流為100kV/100kA的超導電纜需要500根超導帶材，每根超導帶材載流200A，設計的電纜芯如圖15所示[17]。

圖15 直流超導電纜芯示意圖Fig.15 Schematic view of HTS cable core

2015年4月20日，美國超導公司(AMSC)宣布美國海軍建立了一份針對美國超導公司高溫超導帶材設備的獨家供貨邀請公告。另外，美國超導公司已經與海軍建立穩(wěn)定關系來開發(fā)船舶電源使用的高溫超導電纜硬件。美國超導公司已與卓越海軍金屬加工中心共同合作優(yōu)化了高溫超導消磁電纜的生產成本。在項目進行過程中， 電纜制造過程簡化，從而能夠滿足整船生產的交貨及成本目標。ManTech項目開發(fā)的生產基礎設施已經轉移到AMSC的工廠。

(2)日本

日本中部(Chubu)大學于2006年4月開始，制造了一根20m長的直流電纜，實驗于2006年秋天開始，2006年10月第一次降溫。運行溫度為72～80K。實驗電纜長度20m。39根Bi-2223帶材，每根帶材臨界電流100A。電纜的臨界電流2.2kA，電纜電壓20kV。為了減少熱損耗，避免電流分布不均勻，19根帶材使用了Pelteir Current Lead (PCL)，剩下的20根分別使用了普通的銅引線。結果發(fā)現(xiàn)，各根帶材電流分布的差異在10%以內。2007年和2008年分別進行了第2次和第3次降溫實驗。經過3次冷熱交換，帶材無損耗。制造的電纜和實驗接線圖如圖16所示。實驗裝置圖如圖17所示[18,19]。

圖16 電纜和實驗接線圖Fig.16 Photo of cable and experimental connections

圖17 實驗裝置圖Fig.17 Experimental set-up and arrangement

20m長的模型電纜實驗成功后，中部(Chubu)大學于2010年初完成制造200m超導直流電纜，2010年3月完成第一次實驗，2010年8月到10月完成第二次實驗。結構與之前20m長的電纜相同，絕緣材料選擇PPLP，耐壓等級為10kV。選擇寬4mm、厚0.3mm的Bi-2223超導帶材，其在77K溫度下的自場臨界電流為160A。電纜設計采用冷絕緣為同軸雙向結構，電纜導體層由兩層構成，分別由11根和12根超導帶材繞制；電纜屏蔽層為一層，由16根超導帶材繞制。電纜骨架直徑20mm，電纜直徑35mm。為了應對電纜在冷熱交換的過程中的膨脹收縮問題，實驗用的終端設計成了可以自由活動的結構[20-22]。

2010年，由日本鐵路技術研究所(RTRI)與日本應用超導實驗室聯(lián)合研制了容量1.5kV/5kA的直流電纜模型，該模型實物如圖18所示，旨在應用在鐵路供電系統(tǒng)中[23]。此電纜為雙向電纜結構，內層由10根帶材組成，外層纏繞了14根相同帶材。超導帶材選用的是Bi-2223，寬4.5mm，厚0.35mm，每根帶材臨界電流160A。緊接著，由日本政府支持的國家項目，用于鐵路供電系統(tǒng)的下一代直流超導電纜項目啟動，對鐵路直流供電系統(tǒng)采用高溫超導直流電纜進行了系統(tǒng)的研究[24-27]。

圖18 1.5kA直流超導電纜模型Fig.18 1.5kA DC HTS cable model

2015年9月，日本中部大學、住友電工、日本千代田化工建設及櫻花互聯(lián)網公司合作研發(fā)多段連接的長500m、單相、容量/電壓為50MW/20kV的直流高溫超導電纜，電纜由兩段各300m和200m通過中間一個接頭連接構成[28]，并通過了測試。該電纜電流引線采用帕爾帖電流引線，以便大幅度有效地減少引線漏熱。該電纜計劃用于連接櫻花互聯(lián)網公司建設的一個太陽能發(fā)電系統(tǒng)和公司的石狩數(shù)據(jù)中心，從而使直流太陽能電力不需要轉換成交流電，直接由數(shù)據(jù)中心使用[29]。目標是2018年3月底將在北海道電力公司的變電站和數(shù)據(jù)中心由一條2000m長的超導電纜相連，實現(xiàn)北海道電力公司的商業(yè)直流電傳輸。

(3)韓國

韓國于2013年在濟州島完成100m/80kV/3.125kA直流電纜的安裝和測試[30,31]，電纜由韓國LS公司負責制造，其電纜模型如圖19所示。骨架設計根據(jù)最嚴重的短路情況，假設短路電流瞬間全部流過銅骨架，銅骨架產生的熱量不能使液氮的溫度超過97K，所以確定銅骨架的截面積240mm2，半徑8.74mm。螺距是根據(jù)電纜的機械特性進行選擇，例如適合工廠生產和電纜的最小彎曲半徑。此電纜導體層有兩層，其螺距為290mm和320mm。兩層的臨界電流分別為1981A和2122A，電纜整體臨界電流達到4103A。同時根據(jù)傳統(tǒng)電纜標準Electra 496 和HTS電纜標準 Cigre TB 538提出了一套測試超導直流電纜的標準，并對其進行了測試。另外還添加了熱循環(huán)過程來測試電纜在冷熱交替過程后的機械特性。工程布局如圖20所示。

圖19 80kV/3.125kA直流電纜模型Fig.19 80kV/3.125kA DC HTS cable model

圖20 80kV直流高溫超導工程布局圖Fig.20 Arrangement of 80kV HTS DC cable

(4)俄羅斯

由俄羅斯電力公司(FGC UES)資助的俄羅斯圣彼得斯堡市項目旨在研發(fā)一條2.5km的高溫超導電纜并安裝在圣彼得斯堡市的電網中，其電纜規(guī)劃布置如圖21所示。工程主要包括5個部分：安裝地點的選擇，電纜計算，研發(fā)和制造，制冷設備研發(fā)，交直流變流器研發(fā)和直流線路原件測試。該電纜2.5km長、單相、容量50MW、電壓/電流為20kV/ 2.5kA； 2.5km電纜由5段500m長的電纜通過中間四個中間接頭連接構成。電纜的結構包括骨架及穩(wěn)定裝置、超導去流層、高壓絕緣、超導回流層、外圍穩(wěn)固層、外圍絕緣、電屏蔽(無超導線)、兩層波紋管(中間真空絕熱)、保護層。電纜直徑為39mm，帶材采用住友公司(SEI)生產的一代HT-CABi2223超導帶材。電纜結構如圖22所示。兩層超導去流層分別由22根帶材繞制，每根帶材自場和77K溫度下的臨界電流為160A。一層超導回流層由19超導根帶材繞制，每根帶材自場和77K溫度下的臨界電流為180A。目前已經完成電纜短樣設計、制造、終端及低溫系統(tǒng)等，目的是在圣彼得斯堡市電網示范運行[32-33]。

圖21 圣彼得堡高溫超導直流電纜規(guī)劃布置圖Fig.21 Planning layout of HTS DC cable in St. Petersburg

圖22 圣彼得堡市高溫超導直流電纜結構圖Fig.22 Configuration of HTS DC cable prepared to beassembled in St. Petersburg

(5)國內發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內開展的直流超導電纜工程相對較少，只在河南中孚電解鋁廠建有一條示范工程。

2009年起，中國科學院電工所與河南中孚電解鋁廠股份有限公司合作研制直流超導電纜，該電纜380m長、單相、電壓/電流為1.3kV/10kA[34-40]。電纜一端連接變電站的整流器，另一端連接電解鋁廠的母線。于2010年底通電，該電纜現(xiàn)場運行場景如圖23所示。

圖23 10kA直流高溫超大電纜運行現(xiàn)場圖Fig.23 10kA DC HTS field operation

華北電力大學于2015年開始進行中低壓、大電流直流高溫超導電纜關鍵技術的研究。提出了一種新型的自磁屏蔽型高溫超導直流電纜結構[41-43]，旨在消除各層超導帶材臨界電流的衰減，進而提高直流電纜的電流容量。第一種自屏蔽電纜結構如圖24所示，在此種結構的直流電纜中，相鄰層的電流方向相反，能有效降低各層帶材的磁場。例如，由于第1層與第2層的電流方向相反，它們產生的磁場在第3層處將相互抵消，這樣，第3層帶材的臨界電流將不會受到第1、2層的影響。應用此結構，電纜各層無磁場影響，臨界電流幾乎等于自場臨界電流，超導線利用率高，臨界電流幾乎無退化，且可以獲得任意大的運行電流結構，無電磁泄露。另外，為減少電纜端部帶材與電流引線的各層連接數(shù)目，降低接觸電阻，按照相同思路，同時提出了另外一種結構，如圖25所示。該結構可有效減少電纜端部帶材與電流引線接觸點的個數(shù)，而且隨著層數(shù)的增加，效果將更明顯[44-46]。

圖24 第一種自屏蔽電纜結構圖Fig.24 Conceptual design of type-I self-field DC HTS cable

圖25 第二種自屏蔽電纜結構圖Fig.25 Conceptual design of type-II self-field DC HTS cable

兩種自屏蔽型結構電纜將有效地提高電纜的載流容量，無電磁輻射、無信息泄露的自磁屏蔽型低壓大電流高溫超導直流電纜在高保密要求、高穩(wěn)定性要求的互聯(lián)網數(shù)據(jù)中心、軍用艦船上等低壓大電流輸電場合有著重要的應用。

3 發(fā)展趨勢

經過近20年發(fā)展，國際上對高溫超導交流電纜的研究已取得了很大的進展，技術相對較為成熟，相繼建成多條示范工程，國際上幾組典型實驗運行的高溫超導電纜參數(shù)情況如圖26所示(感謝Mathias Noe教授提供)，交流高溫超導電纜和常規(guī)電纜輸送容量和電壓等級的比較如圖27所示(感謝Mathias Noe教授提供)。對于交流高溫超導電纜，冷絕緣結構是其實用結構。但是，電壓等級不宜超過340kV，原因之一是電壓等級太高，絕緣占據(jù)空間大，不能充分體現(xiàn)超導電纜高載流密度特性；原因之二是介質損耗太高，冷卻費用大幅度增加，運行不經濟。

圖26 幾組典型運行的超導電纜容量Fig.26 Typical capacity of several operating HTS cable (Courtesy of Prof. Noe M)

圖27 高溫超導電纜和常規(guī)電纜輸送容量和電壓等級的比較Fig.27 Comparisons of HTS and conventional XLPE cables with different voltage-levels

未來交流高溫超導電纜技術主要是在220kV及以下電壓等級，其傳輸容量比常規(guī)345kV交聯(lián)聚乙烯電纜還高。此外，雖然國內也有幾組超導電纜試驗運行，但是長度都在100m及以下，且未見開發(fā)具有中間連接裝置的超導電纜研發(fā)報道。電纜終端、套管、中間連接裝置等附件也是未來超導電纜實用化研發(fā)的重要部件。

4 主要關鍵技術

雖然超導電纜原理簡單、技術比較成熟，但是無論是交流還是直流超導電纜，在千米級長度、高電壓等級超導電纜規(guī)模應用方面以下關鍵技術有待解決和進一步優(yōu)化：

(1)超導電纜中間連接關鍵技術：超導電纜連接技術、連接處絕緣應力錐技術，實現(xiàn)長距離超導電纜連接、滿足電氣性能要求。

(2)低漏熱超導電纜低溫容器(電纜杜瓦管)及其連接技術，實現(xiàn)長距離超導電纜應用。

(3)電纜終端連接技術：電纜導體與電流引線的連接、應力錐設計及制造工藝，達到結構緊湊、可拆卸、易維護目的。

(4)套管技術：110kV電壓等級及以上，具有高溫度梯度的高壓套管關鍵技術。

(5)低漏熱直流電流引線技術：采用帕爾帖電流引線，大幅度降低直流漏熱的電流引線技術。

(6)低溫絕緣技術：高壓低溫絕緣設計及絕緣配合。

(7)超導電纜與電力系統(tǒng)中現(xiàn)有電力裝置的匹配協(xié)調運行問題。

(8)高壓110kV及以上絕緣試驗測量系統(tǒng)。

(9)低溫制冷技術：高效率、長時間免維護低溫制冷系統(tǒng)。

5 結論

本文介紹國內外有關高溫超導交流電纜和直流電纜的研發(fā)現(xiàn)狀。經過近20年的發(fā)展，冷絕緣高溫超導電纜技術是高壓電力電纜的主流技術。對于交流高溫超導電纜，技術比較成熟，國內超導電纜技術水平處于國際先進行列。但是，國內示范運行的交流超導電纜電壓等級均在35kV及以下、長度在百米以下、無中間連接，有待于進行110kV及以上電壓等級和帶有中間接頭的長度超過百米的高溫超導電纜技術的研發(fā)。

高溫超導直流電纜起步較晚，但是發(fā)展很快。近年國際上相繼開展高溫超導直流電纜的研發(fā)，不久將示范運行。國內低電壓等級直流超導電纜方面雖有示范運行，缺乏高電壓等級直流電纜示范工程。由于新能源的大量引入，高溫超導直流電纜得到了越來越多的重視，各國也紛紛開展了對高溫超導直流電纜的研究。國內在直流高電壓等級高溫超導電力電纜方面也應進行研發(fā)工作。

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Developingstatusandtrendofhightemperaturesuperconductingcable

WANG Yin-shun1,2, ZHANG Han2

(1. State Key Lab. of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Beijing Key Lab. of HV and EMC, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Comparing with the conventional cable, high temperature superconducting (HTS) cable has many advantages, such as small volume, light weight, large capacity, high current density, low loss, and environment friendly, which provides a novel possibility to be electric power transmission for the future power grid. With significant progress in development of HTS wires, research and development of HTS cable have been performed worldwide, and some prototypes of HTS cables have successfully demonstrated in live grid. This paper introduces and summarizes the current status of HTS cables, and the developing trend and outlook of the HTS cables are then briefly described.

HTS cable; cold dielectric; termination; stress cone; joint between cables; AC/DC cable; Peltier current lead(PCL)

10.12067/ATEEE1705026

1003-3076(2017)10-0008-11

TM26

2017-05-26

國家自然科學基金項目(51477053)

王銀順 (1965-), 男, 河北籍, 教授, 博士, 研究方向為超導電力技術；張 瀚 (1989-), 男, 遼寧籍, 博士研究生， 研究方向為超導電力技術。