丘 明

(中國電力科學(xué)研究院， 北京 100192)

超導(dǎo)輸電技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

丘 明

(中國電力科學(xué)研究院， 北京 100192)

超導(dǎo)輸電技術(shù)在提高線路輸送能力、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、降低網(wǎng)損、減少設(shè)備用地等方面有著明顯優(yōu)勢，本文重點介紹了高溫超導(dǎo)電纜及其輸電技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和一些電網(wǎng)應(yīng)用實例，總結(jié)了目前技術(shù)發(fā)展的主要特征，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析展望其應(yīng)用前景，圍繞規(guī)?；瘧?yīng)用探討了今后技術(shù)研發(fā)的重點。

超導(dǎo)電纜； 電力傳輸； 工程應(yīng)用； 經(jīng)濟(jì)可行性； 可靠性

1 引言

1911年超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過一個多世紀(jì)的研究，發(fā)現(xiàn)的元素、化合物、合金等超導(dǎo)體已達(dá)數(shù)千種。處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體具有高密度(104～107A/cm2)無阻載流的能力，超導(dǎo)材料的這種零電阻特性使其成為電流傳輸?shù)睦硐雽?dǎo)體，超導(dǎo)電纜就是利用超導(dǎo)材料作為輸電導(dǎo)體的電纜。20世紀(jì)60年代NbTi、Nb3Sn等實用低溫超導(dǎo)體成材，人們就設(shè)想利用其遠(yuǎn)距離直流傳輸百GW容量的電力[1]；20世紀(jì)七、八十年代實現(xiàn)導(dǎo)體扭絞、復(fù)合和細(xì)絲化，美、日等國家紛紛嘗試采用低溫超導(dǎo)線材制作超導(dǎo)電纜，進(jìn)行了較為系統(tǒng)的設(shè)計分析、性能測試和應(yīng)用研究[2-4]，但因20世紀(jì)晚期人們對電能的需求量緩解和自身技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等問題，超導(dǎo)輸電技術(shù)并未得到實際應(yīng)用。

1986年陶瓷氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，使得超導(dǎo)電纜的運(yùn)行溫度可提至液氮溫區(qū)，冷卻和運(yùn)行成本大幅度降低；且近二十年來良好性能的高溫超導(dǎo)線材成材技術(shù)逐步成熟，實現(xiàn)商品化；這些均為高溫超導(dǎo)電纜研發(fā)及其輸電技術(shù)應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。本文介紹了超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)、輸電系統(tǒng)組成、輸電技術(shù)特點、研究現(xiàn)狀和一些電網(wǎng)應(yīng)用實例，總結(jié)目前超導(dǎo)輸電技術(shù)發(fā)展的主要特征，展望其應(yīng)用前景，圍繞規(guī)?；瘧?yīng)用探討了今后技術(shù)研發(fā)的重點。

2 超導(dǎo)電纜及其輸電技術(shù)特點

與傳統(tǒng)電纜相同，根據(jù)應(yīng)用場合超導(dǎo)電纜分為交、直流電纜。交流超導(dǎo)電纜根據(jù)適用的電壓等級，又分為高壓單相分體和中低壓三相一體電纜；直流超導(dǎo)電纜則根據(jù)送電方式的需要，分為單極和雙極電纜。盡管各自在具體結(jié)構(gòu)上有所差異，但本體纜芯和輸電系統(tǒng)的構(gòu)成基本類同。

2.1超導(dǎo)電纜本體纜芯結(jié)構(gòu)

基于所設(shè)定的絕緣層工作溫區(qū)，高溫超導(dǎo)電纜本體有兩種基本設(shè)計，即室溫絕緣(Warm-Dielectric，WD)電纜和冷絕緣(Cold-Dielectric，CD)電纜兩種(見圖1)。WD電纜的電氣絕緣位于低溫恒溫器外部，僅有超導(dǎo)導(dǎo)體處于低溫環(huán)境中，而CD電纜的超導(dǎo)導(dǎo)體和電氣絕緣均放置在低溫恒溫器內(nèi)。WD電纜結(jié)構(gòu)相對簡單、制作容易；而CD電纜結(jié)構(gòu)緊湊，損耗更小，但需要解決過冷液氮等低溫環(huán)境下的絕緣問題。

超導(dǎo)電纜本體纜芯結(jié)構(gòu)、設(shè)計與充油電纜相類似，制造工序相同，但工藝細(xì)節(jié)存在明顯差異。超導(dǎo)電纜包括以下幾部分：

(1)內(nèi)支撐。通常為罩有致密金屬網(wǎng)的金屬波紋管或者銅絞線骨架，作為超導(dǎo)線材排繞的基準(zhǔn)支撐物。當(dāng)使用波紋管時，也可以同時作為冷劑通流管道。

(2)電纜導(dǎo)體。由超導(dǎo)線材繞制而成，根據(jù)通流大小的需要，一般為多層，各層導(dǎo)體排布、繞制節(jié)距會影響到導(dǎo)體分流和交流損耗等特性。

(3)低溫恒溫器(含超級絕熱層)。通常由同軸雙層金屬波紋管套制成，兩層波紋管間抽真空并嵌有多層防輻射金屬箔，其功能是使電纜超導(dǎo)導(dǎo)體與外部環(huán)境實現(xiàn)熱絕緣，維持超導(dǎo)電纜安全運(yùn)行的低溫環(huán)境。

(4)電氣絕緣層。WD電纜的絕緣層置于熱絕緣層外部，與常規(guī)電纜無異。CD電纜絕緣層置于低溫恒溫器內(nèi)部，需選用適合于低溫環(huán)境的電氣絕緣材料。

(5)電纜屏蔽層和外護(hù)套(含接地屏蔽)。電纜屏蔽層和外護(hù)套與常規(guī)電力電纜類似，屏蔽層采用超導(dǎo)線材或常規(guī)良導(dǎo)體制作。

2.2超導(dǎo)輸電系統(tǒng)構(gòu)成

超導(dǎo)輸電系統(tǒng)的主要組成部分有超導(dǎo)電纜本體、超導(dǎo)電纜終端、循環(huán)低溫制冷裝置和配套的超導(dǎo)電纜及線路監(jiān)控保護(hù)設(shè)施等，如圖2所示。

圖2 超導(dǎo)輸電系統(tǒng)Fig.2 Superconducting power transmission system

超導(dǎo)電纜終端是電纜本體和外部電氣設(shè)備之間、冷卻介質(zhì)和制冷設(shè)備之間的連接通道，擔(dān)負(fù)著溫度和電場的過渡。它既要保證本體纜芯與常規(guī)導(dǎo)體低阻連接，維持相間對地良好的電氣絕緣，又要承受與周圍環(huán)境間的溫度梯度，實現(xiàn)真空隔離。終端設(shè)計制造除了考慮電氣連接、絕緣性能外，還需盡可能減小漏熱，并滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對電纜終端的力學(xué)等一般性能要求。

循環(huán)低溫制冷裝置由制冷單元、液氮泵、冷箱、循環(huán)管路和儲罐等部分組成，利用過冷液氮顯熱，通過液氮泵和冷箱控制過冷液氮在循環(huán)管路中的壓力和流速，將電纜運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱負(fù)荷帶至冷箱，與制冷機(jī)或減壓降溫單元所產(chǎn)生的冷量實現(xiàn)熱交換；液氮再次過冷后繼續(xù)在電纜內(nèi)部循環(huán)管路中流動，維持超導(dǎo)電纜的正常運(yùn)行溫度。

超導(dǎo)電纜及線路監(jiān)控保護(hù)設(shè)施實時監(jiān)測硬件和系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)電纜本體、終端、制冷裝置發(fā)生問題時通過故障判斷將信息傳輸給控制中心，為應(yīng)對方案的確定提供依據(jù)；同時，對超導(dǎo)電纜和線路提供必要的保護(hù)，避免經(jīng)受幅值和持續(xù)時間大于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值的故障影響。一旦故障超過允許值，超導(dǎo)電纜和線路將在自保護(hù)的同時，與電網(wǎng)斷開，強(qiáng)迫冷卻，直到故障恢復(fù)，再次投入電網(wǎng)使用。

2.3超導(dǎo)輸電技術(shù)特點

與傳統(tǒng)輸電技術(shù)相比，超導(dǎo)輸電技術(shù)具有低損耗、大容量、節(jié)省走廊、環(huán)境友好、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等技術(shù)優(yōu)勢，具體如下：

(1)低損耗。利用超導(dǎo)材料的無電阻特性，既便考慮到電纜本身磁滯、渦流損耗及制冷系統(tǒng)的電能消耗，超導(dǎo)電纜的損耗也將比常規(guī)電纜降低20%～70%，且沒有對地導(dǎo)熱。

(2)大容量。利用超導(dǎo)材料高密度無阻載流能力，同一電壓等級下超導(dǎo)電纜的送電容量較常規(guī)電纜提高3～5倍以上。

(3)節(jié)省走廊。相同電壓等級下，輸電走廊的需求可以減少1/3～1/2，節(jié)省空間滿足新能源接入和負(fù)載增長的需要。

(4)降低輸送電壓、簡化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。相同的傳輸容量，超導(dǎo)輸電線路可以減小1～2個電壓等級，較低的送電電壓使系統(tǒng)對絕緣的要求降低，線路建設(shè)投資下降，集中大容量輸電還可以簡化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，移除一個或者更多的變壓器以及相關(guān)輔助設(shè)備，使電廠/變電站的選址自由度增大，提高了對電網(wǎng)電能傳輸成本的控制能力。

(5)安全可靠、環(huán)境友好。超導(dǎo)電纜是采用液氮等作為冷卻介質(zhì)，不會有漏油污染環(huán)境和發(fā)生火災(zāi)的隱患。冷絕緣超導(dǎo)電纜自身具有屏蔽層結(jié)構(gòu)，無電磁污染，比常規(guī)電纜和架空線具有更小的阻抗。

3 超導(dǎo)電纜及其輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀

美、日、韓和歐洲等國家憑借強(qiáng)大的人才、科技、資本和組織管理優(yōu)勢，在政府部門和企業(yè)的高度重視和積極參與下，在高溫超導(dǎo)電纜研發(fā)及其輸電技術(shù)應(yīng)用方面走在世界前列。自20世紀(jì)90年代，我國也開始著手相關(guān)研究，近二十年來同樣取得了不少積極進(jìn)展。

3.1國外情況

在美國，1999年底 Southwire公司研制出30m、12.5kV/1.25kA冷絕緣三相鉍系高溫超導(dǎo)電纜，安裝在總部進(jìn)行了供電實驗。2002年，美國超導(dǎo)公司與Pirelli電纜公司和電力部門合作，研制出120m、24kV/24kA三相交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜，安裝在底特律Edison變電站，由于一些技術(shù)問題未能投入運(yùn)行。2003年，Ultera、SuperPower和美國超導(dǎo)公司在能源部和紐約州政府支持下，分別開展了200m、13.5kV/3kA，350m、34.5kV/0.8kA和660m、138kV/2.4kA三相交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜的研制，其中200m、13.5kV/3kA超導(dǎo)電纜于2006年7月接入俄亥俄州哥倫布Bixby變電站進(jìn)行試驗[5]；350m、34.5kV/0.8kA超導(dǎo)電纜于2006年6月在紐約州Albany安裝完畢，同年7月接入電網(wǎng)運(yùn)行[6]；600m、138kV/2.4kA輸電等級超導(dǎo)電纜安裝在紐約州長島，于2008年4月并網(wǎng)運(yùn)行[7]。2007年，國土安全部、美國超導(dǎo)公司和Edison共同出資，設(shè)計開發(fā)具有故障限流功能的170m、13.8kV/96MV·A釔系高溫超導(dǎo)電纜，作為Hydra項目的一部分；2009年25m三芯電纜和終端安裝在橡樹嶺國家實驗室，進(jìn)行了故障限流測試和常規(guī)型式試驗，2014年開始示范運(yùn)行。2016年2月美國超導(dǎo)公司宣布，選擇Nexans作為中壓高溫超導(dǎo)電纜設(shè)計、制造和驗證的合作伙伴，參與伊利諾伊州芝加哥的彈性電網(wǎng)(REG)項目。

在日本，1987年建立Super-GM計劃，積極開展高溫超導(dǎo)電纜的研發(fā)。1993年住友電氣公司(SEI)和東京電力公司研制出7m、1kA三相交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜，1999年完成30m、66kV/1kA單相鉍系高溫超導(dǎo)樣纜，2000年和2002年又分別研制出30m、66kV/1kA和100m、66kV/114kV·A三相交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜，進(jìn)行了電纜冷卻、額定通電、過負(fù)荷和耐壓等試驗。2004年，F(xiàn)urukawa電氣公司(FEC)和電力工業(yè)中心研究所研制出500m、77kV/1kA單相鉍系高溫超導(dǎo)電纜，測試了地下、過河等環(huán)境下的性能。2008年，F(xiàn)EC、Chubu電力公司和Yokohama大學(xué)合作研制出10m釔系高溫超導(dǎo)電纜。在日本2008～2012國家超導(dǎo)技術(shù)研究計劃中，將15m、66kV/5kA和30m、275kV/3kA釔系高溫超導(dǎo)電纜作為研發(fā)的目標(biāo)，基于不同工藝制作的釔系高溫超導(dǎo)線材分別由SEI和FEC負(fù)責(zé)，其中30m、275kV/3kA釔系高溫超導(dǎo)電纜在FEC沈陽公司廠區(qū)進(jìn)行了長期試驗[8]。與此同時，2010年日本中部大學(xué)完成200m、±20kV/2kA 直流鉍系高溫超導(dǎo)電纜研制[9]，2015年10月又與SEI等企業(yè)合作,成功地在光伏電站與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心之間實現(xiàn)500m超導(dǎo)直流輸電；而2012年SEI則將250m、66kV/200MV·A三相交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜接入橫浜市旭變電站[10]。

在韓國， 2001年啟動 “二十一世紀(jì)高科技前沿計劃”，制定了高溫超導(dǎo)技術(shù)十年發(fā)展規(guī)劃，開展高溫超導(dǎo)電纜等研究。2005年，韓國電力公司與SEI合作，開發(fā)出100m、22.9kV/50MV·A交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜，在13.2kV、1250A條件下進(jìn)行試驗。2011年，韓國電力公司與LS電纜公司、美國超導(dǎo)公司合作研制出410m、22.9kV/50MV·A三相交流釔系高溫超導(dǎo)電纜，接入首爾市附近Icheon變電站長期運(yùn)行，瞬時輸送容量超過35MV·A[11]；2014年10月，在濟(jì)州島金岳變電站投運(yùn)500m、±80kV直流釔系高溫超導(dǎo)電纜。2016年3月，韓國電力公司與LS電纜公司聯(lián)合研制出1km、154kV/600MV·A三相交流釔系高溫超導(dǎo)電纜，安裝在濟(jì)州島同一變電站內(nèi)。

在歐洲，早在2001年丹麥NKT公司利用該公司鉍系線材研制出30m、36kV/2kA三相高溫超導(dǎo)交流電纜，進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行實驗。2014年5月，一條 1km、10kV/40MV·A三相交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜線路連接德國埃森市兩個變電站，投入商業(yè)化運(yùn)行[12]。而俄羅斯電網(wǎng)公司則研發(fā)出860m和30m、±20kV/2.5kA鉍系直流高溫超導(dǎo)電纜，完成基礎(chǔ)性能測試，計劃2017年底進(jìn)行長期耐受試驗[13]。

3.2國內(nèi)情況

1998年7月中國科學(xué)院電工研究所研制成功我國第一根1m、1200A直流鉍系高溫超導(dǎo)樣纜，2000年12月又完成6m、2kA樣纜，但兩者均未設(shè)計電氣絕緣。2004年，中國科學(xué)院電工研究所與甘肅長通電纜公司合作研發(fā)出75m、10.5kV/1.5kA室溫絕緣三相交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜，安裝在甘肅長通電纜公司為車間供電運(yùn)行，進(jìn)行了超過7000h的試驗運(yùn)行[14]。同年，北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司也研制出33.5m、35kV/2kA室溫絕緣三相交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜，在云南昆明普吉變電站并網(wǎng)[15]。

2010年，國家電網(wǎng)公司擬建設(shè)km長度、110kV超導(dǎo)輸電技術(shù)試驗段，中國電力科學(xué)研究院與北京電力公司合作針對km長度、用于連接變電站、輸電電壓等級的超導(dǎo)輸電線路完成總體設(shè)計，2013年8月研制出10m、110kV/3kA冷絕緣交流釔系高溫超導(dǎo)電纜，構(gòu)造了電纜及附件電性能、能耗和長期耐受等一站式試驗平臺，但后續(xù)工程并未實施。

2013年12月，上海電纜研究所研制出50m、35kV/2kA三相冷絕緣交流釔系高溫超導(dǎo)電纜，安裝在寶鋼為其二煉鋼車間電弧爐獨立供電，電纜最大瞬時負(fù)荷電流2.2kA[16]；2016年，富通集團(tuán)天津超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用公司研制出百米長度、35kV/1kA冷絕緣交流釔系高溫超導(dǎo)電纜，在中國電力科學(xué)研究院完成樣纜載流和耐壓性能測試；而江蘇中天科技股份有限公司也研制出10m、220kV/3kA冷絕緣交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜，進(jìn)行了熱穩(wěn)定性等試驗。

3.3發(fā)展趨勢

整體上，國內(nèi)外超導(dǎo)電纜研發(fā)及其輸電技術(shù)應(yīng)用表現(xiàn)出兩個主要特征：

(1)交、直流兼顧，從中低壓配網(wǎng)開始入手

重點發(fā)展配電(歐美)和220kV及以下電壓等級輸電(日韓)電纜及其應(yīng)用技術(shù)，替換常規(guī)線路，滿足城市負(fù)荷中心電能輸送和可再生能源接入的需要。如美國正在研制1760m、13.8kV/2kA三相交流電纜，計劃在新奧爾良市更換滿負(fù)荷運(yùn)行的地下常規(guī)電纜；韓國則在不斷推進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的更新?lián)Q代，逐步采用超導(dǎo)線路建造首爾至濟(jì)州島的通電走廊。

(2)嘗試新材料的應(yīng)用，提高超導(dǎo)輸電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

探索液氫、天然氣等溫區(qū)運(yùn)行的可行性，實現(xiàn)能源的混合輸送，以提高超導(dǎo)輸電技術(shù)綜合經(jīng)濟(jì)效益。早在2012年，俄羅斯就開始研究液氫制冷的MgB2直流超導(dǎo)電纜能源混輸技術(shù)[17]；2016年，國家電網(wǎng)公司著手氫電混合超導(dǎo)輸電技術(shù)可行性論證；2017年，日本中部大學(xué)在北海道石狩市構(gòu)建完成1km、20kV/50MV·A液化天然氣混輸?shù)闹绷鞒瑢?dǎo)電纜試驗系統(tǒng)。

4 電網(wǎng)典型工程實踐

4.1美國長島LIPA項目

美國超導(dǎo)公司作為工程牽頭單位，負(fù)責(zé)提供高溫超導(dǎo)線材；Nexans負(fù)責(zé)電纜、終端制造；法國液空公司負(fù)責(zé)工程低溫系統(tǒng)構(gòu)建；長島電力局負(fù)責(zé)安裝和運(yùn)行。項目一期研發(fā)出600m、138kV/2.4kA三相交流鉍系高溫超導(dǎo)電纜，安裝在紐約州長島電力局Holbrook變電站，是世界上第一條輸電電壓等級超導(dǎo)線路，2008年4月22日正式運(yùn)行，可為約三十萬戶家庭供電。一期總投資5850萬$,其中能源部資助2750萬$。2012年，項目二期將其中的一相用釔系高溫超導(dǎo)電纜替換，并設(shè)有中間接頭。

LIPA超導(dǎo)輸電線路如圖3所示。其中電纜本體采用單相分體冷絕緣結(jié)構(gòu)，溝槽敷設(shè)，超導(dǎo)用線量155km，戶外終端；采用逆布雷頓模塊化低溫制冷裝置，過冷液氮循環(huán)迫流冷卻，低溫恒溫器漏熱約1.31W/m；設(shè)計容量574MW，設(shè)計短路電流能力51kA@200ms，線路總體損耗1.2MW，僅占額定容量的0.2%。

圖3 LIPA超導(dǎo)輸電線路Fig.3 LIPA superconducting transmission line

4.2日本橫濱與石狩項目

(1)250m、AC66kV/200MV·A超導(dǎo)配電線路

SEI負(fù)責(zé)提供鉍系超導(dǎo)線材、電纜和終端制造，前川制作所負(fù)責(zé)工程低溫系統(tǒng)制造，東京電力公司負(fù)責(zé)安裝運(yùn)行。2012年底聯(lián)合研發(fā)完成， 是日本首個將高溫超導(dǎo)電纜接入電網(wǎng)的超導(dǎo)輸電項目。試驗在神奈川縣橫浜市旭變電站實施，利用一臺主變將154kV電力降至66kV，超導(dǎo)電纜連接到了其二次側(cè)的送電部分，如圖4所示。

圖4 旭變電站內(nèi)簡化接線圖Fig.4 Simplified power network diagram in Asahi substation

超導(dǎo)電纜基于SEI所開發(fā)的鉍類高溫超導(dǎo)線材，采用三相一體結(jié)構(gòu)，纜徑150mm，含一中間接頭，Stirling制冷機(jī)冷卻；額定電流1.75kA，過載電流2.6kA，設(shè)計短路電流能力31.5kA@2s，2kA載流條件下能耗0.8W/(m·相)。

(2)500m、DC1.5kA/100MV·A超導(dǎo)配電線路

2014年1月項目啟動，由千代田化工建設(shè)、SEI、中部大學(xué)和SAKURA Internet組建日本石狩超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)技術(shù)研究聯(lián)盟共同研發(fā)，SEI負(fù)責(zé)電纜制作，中部大學(xué)負(fù)責(zé)技術(shù)研發(fā)，SAKURA Internet為用戶，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省投入約45億日元，2015年底在光伏電站與SAKURA Internet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心之間完成超導(dǎo)直流線路的建設(shè)，如圖5所示。

圖5 SAKURA Internet數(shù)據(jù)中心直流超導(dǎo)輸電線路Fig.5 DC Superconducting transmission line installed in SAKURA Internet data center

發(fā)電、送電、用電均采用直流最大限度地降低能耗。超導(dǎo)電纜采用鉍系超導(dǎo)線材，雙極結(jié)構(gòu)，埋設(shè)于地下，設(shè)有中間接頭；終端采用PCL引線，線損1.5W/m以下，2kW布雷頓制冷機(jī)冷卻；先后進(jìn)行了冷卻、通流、能耗、壓降損失等性能測試，引線和低溫恒溫器漏熱分別約30W/kA和1.4W/m，液氮流量40L/min 時壓力損失30kPa。

4.3韓國濟(jì)州島項目

項目由韓國電力公司牽頭，LS電纜公司負(fù)責(zé)電纜設(shè)計制作，美國超導(dǎo)公司和蘇南公司分別提供直流和交流超導(dǎo)電纜所需的釔系超導(dǎo)線材。在金岳變電站，2014年11月完成500m、±80kV/3.125kA 直流超導(dǎo)電纜的安裝，是世界首個直流超導(dǎo)輸電線路；2016年3月，在同一站內(nèi)1km、154kV/3.75kA交流超導(dǎo)電纜投運(yùn)，也是目前電壓等級最高、長度最長的交流超導(dǎo)輸電線路；周邊網(wǎng)架線路連接如圖6所示。

圖6 金岳變電站周邊簡化接線圖Fig.6 Simplified power network diagram around Hanlim-Geumak power station

直流超導(dǎo)輸電線路進(jìn)行了為期六個月的運(yùn)行，電纜實際耐壓等級±200kV。作為先期準(zhǔn)備，2013年3月LS電纜公司對10m、±80kV/500MW超導(dǎo)電纜進(jìn)行了型式試驗，包括兩個終端和一個中間接頭。

交流超導(dǎo)輸電線路進(jìn)行了為期七個月的運(yùn)行，電纜采用單相分體結(jié)構(gòu)，設(shè)有中間接頭，分段直埋和架空，設(shè)計短路電流能力50kA@1.7s；無縫鋁質(zhì)低溫恒溫器，過冷液氮循環(huán)冷卻，制冷機(jī)冷量16kW@65K。接入電網(wǎng)前，韓國電力公司分別利用10m、100m樣纜進(jìn)行了臨界電流、交流耐壓、局部放電等性能測試。

4.4德國埃森AmpaCity項目

2011年9月項目啟動，投資1350萬歐元，由德國萊茵集團(tuán)牽頭，Nexans負(fù)責(zé)電纜、終端和配套限流器設(shè)計制作，卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)開展應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等研究；2013年3月，1km、10kV/40MV·A超導(dǎo)電纜在埃森市區(qū)開始鋪設(shè)，連接德國埃森市Dellbrügge和Herkules兩個變電站；2014年3月，成功接入電網(wǎng)并投入商業(yè)化運(yùn)行。其周邊網(wǎng)架線路連接如圖7所示。

圖7 AmpaCity項目超導(dǎo)輸電線路簡化接線圖Fig.7 Simplified power network diagram of superconducting transmission line in AmpaCity project

高溫超導(dǎo)電纜采用三相一體結(jié)構(gòu)，隧道鋪設(shè)，設(shè)有中間接頭；線路與超導(dǎo)故障限流器連接，限流器設(shè)計短路電流能力20kA@100ms；為了降低成本，4kW低溫制冷裝置利用減壓降溫原理開環(huán)運(yùn)行，工作溫區(qū)67K，過冷液氮流量400g/s，壓力10Pa。

5 超導(dǎo)電纜輸電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

超導(dǎo)輸電技術(shù)的特點使其可以在特定環(huán)境和特殊地域條件下，為傳統(tǒng)輸電技術(shù)無法實現(xiàn)的場合提供電力(能源)輸送，具體如下：

(1)在現(xiàn)有輸電網(wǎng)升級改造中用以取代部分受空間、容量等限制的常規(guī)電纜，解決未來大城市、高負(fù)荷密度地區(qū)供電的技術(shù)難題。

(2)山口、峽谷等輸電走廊受限區(qū)域的電力輸送。

(3)電力/燃料多種能源混合輸運(yùn)的新模式，為全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供了新的技術(shù)思路。

發(fā)展至今，高溫超導(dǎo)電纜本體技術(shù)基本成熟，工程應(yīng)用進(jìn)入試驗示范和商業(yè)化運(yùn)行階段。從經(jīng)濟(jì)性上看，目前高溫超導(dǎo)材料價格高于常規(guī)材料近十倍；且需工作在低溫環(huán)境，制冷等輔機(jī)系統(tǒng)的費(fèi)用占有相當(dāng)大的比重，這些因素都在一定程度上制約了高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)的實用化進(jìn)程。

特高壓輸電線路平均造價約數(shù)百萬元/km，而超導(dǎo)纜線原材料之一的鉍系超導(dǎo)帶材市場價格約千元/(kA·m)，且存在液氮溫區(qū)臨界電流密度低、原材料成本高、價格難以下降等問題，相比之下釔系涂層導(dǎo)體性價比有較大上升空間，僅從原材料成本看其價格可接近數(shù)十元/(kA·m)，與目前銅的性價比基本相當(dāng)，因此除小容量電纜外鉍系超導(dǎo)電纜將逐步被釔系超導(dǎo)電纜所替代，但5～10年內(nèi)超導(dǎo)電纜的價格可能仍將高于常規(guī)電纜。

如上所述，單純考察超導(dǎo)電纜與常規(guī)輸電線路的性價比，超導(dǎo)輸電技術(shù)無疑處于劣勢。但是，若充分發(fā)揮超導(dǎo)輸電技術(shù)高載流、大容量的優(yōu)勢，在輸電線路建設(shè)和升級改造過程中，通過使用超導(dǎo)電纜將線路電壓等級降低1～2個等級，減小線路絕緣成本，減少和優(yōu)化配置占用較大資源和土地面積的變電站，可提高效率、精簡電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、降低運(yùn)營與維護(hù)成本，實現(xiàn)輸電工程總體造價的降低和經(jīng)濟(jì)性改善。

以德國埃森市10kV超導(dǎo)輸電工程為例，KIT對常規(guī)110kV線路、常規(guī)10kV線路、10kV超導(dǎo)輸電線路三種技術(shù)方案開展了總體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析(以40年為壽命周期)，得到如下結(jié)論：以總凈現(xiàn)值比較，10kV超導(dǎo)電纜總凈現(xiàn)值(NPV)比傳統(tǒng)110kV系統(tǒng)低9.2%，比傳統(tǒng)10kV電纜系統(tǒng)高6.8%。不過，考慮到占地，地下熱、電兼容性和系統(tǒng)損耗等因素，10kV高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)更有優(yōu)勢。

6 超導(dǎo)輸電技術(shù)應(yīng)用前景

中國南方電網(wǎng)公司正規(guī)劃在深圳建設(shè)數(shù)百米長度高溫超導(dǎo)配電線路，可行性論證已近一年；上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會與上海市科學(xué)技術(shù)委員會也在籌劃建設(shè)km長度、35kV交流超導(dǎo)輸電示范工程; 俄羅斯則擬建設(shè)2.5km、±20kV/2.5kA超導(dǎo)直流輸電工程。2018年，美國計劃啟動ComEd項目，建設(shè)一條4.2km、12kV/62MV·A三相交流超導(dǎo)輸電線路；韓國計劃啟動Shingal項目，建設(shè)一條1km、23kV/50MV·A三相交流超導(dǎo)輸電線路；印度計劃啟動PGCIL項目，建設(shè)一條100m、220kV/762MV·A單相交流超導(dǎo)輸電線路。2019年，荷蘭計劃啟動SuperNL項目，建設(shè)一條3.4km、110kV/190MV·A單相交流超導(dǎo)輸電線路?？梢?，隨著超導(dǎo)材料性價比的提高和超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的成熟，超導(dǎo)輸電技術(shù)必將成為未來輸電技術(shù)的一個重要發(fā)展方向?？梢灶A(yù)測：①2020年前后超導(dǎo)輸電技術(shù)將在城市電網(wǎng)改造、電網(wǎng)互聯(lián)等方面得到小范圍示范應(yīng)用，實現(xiàn)短距離、大容量的電力輸送；②2020～2030年超導(dǎo)輸電技術(shù)成熟，可靠性提升，將在狹窄走廊主干電網(wǎng)、交/直流互聯(lián)環(huán)網(wǎng)、可再生能源接入中發(fā)揮重要作用，在需求特殊且常規(guī)技術(shù)難以解決的一些場合獲得工程應(yīng)用及推廣；③2030～2050年，實現(xiàn)輸送液氫或液化天然氣與輸送電力有機(jī)結(jié)合的示范應(yīng)用；更高臨界溫度或更高性能的新型超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)物理和材料取得重大突破，超導(dǎo)輸電技術(shù)走向規(guī)?；瘧?yīng)用，“超導(dǎo)能源管道”的建設(shè)將改變傳統(tǒng)能源與電力輸送格局。

7 超導(dǎo)輸電技術(shù)研發(fā)重點

就整體而言，國內(nèi)外超導(dǎo)電纜輸電技術(shù)在材料制備、基礎(chǔ)研究、系統(tǒng)設(shè)計、電纜制作和系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)等方面已有相當(dāng)基礎(chǔ)，但與常規(guī)電纜以及超高壓、特高壓輸電技術(shù)相比，國內(nèi)外超導(dǎo)輸電工程數(shù)量仍然有限。除提高經(jīng)濟(jì)性外，工程應(yīng)用過程中一些問題仍有待探究，涉及以下幾個方面：

(1)電纜綜合性能評估及部件技術(shù)的提升。電纜自身已無不可逾越的技術(shù)瓶頸，但傳輸密度、能耗等綜合性能還有提升的空間；電纜接頭技術(shù)以及管道修復(fù)和更換技術(shù)仍待突破；電纜及附件過程形變、局放等在線監(jiān)測手段尚未成熟；電纜運(yùn)行可靠性、全壽命周期成本等問題的研究有待深入。維持電纜長期運(yùn)行需要準(zhǔn)確地定義電纜設(shè)計和運(yùn)行的規(guī)則。

(2)電纜及附件和線路試驗技術(shù)的研究及其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立。國際上在超導(dǎo)電纜部件生產(chǎn)、出廠檢測、安裝和系統(tǒng)集成過程中均無通用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可以遵循；IEC TC90: Superconductivity已頒布15項超導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，僅涉及高/低超導(dǎo)線材的臨界電流、損耗和RRR值的測試方法等；針對超導(dǎo)電纜，2012年TC90和TC20： Electric Cables共同委托CIGRE進(jìn)行前期準(zhǔn)備，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍在起草階段；僅有日本Furukawa和韓國LS cable公司頒布了電纜部分性能測試的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

(3)近期超導(dǎo)輸電技術(shù)的應(yīng)用方式及電纜技術(shù)條件的明晰。大容量超導(dǎo)輸電技術(shù)近期適用場合和技術(shù)條件尚未明確：現(xiàn)有國內(nèi)外超導(dǎo)輸電示范工程一般為常規(guī)電網(wǎng)的替換或用做通流母排，均未長時間、滿負(fù)荷運(yùn)行；整體上尚未有基于超導(dǎo)輸電特征的電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)。

(4)與其配套換流及變電技術(shù)的研究。涉及與超導(dǎo)電纜容量匹配的高載流/大容量換/變流站一次設(shè)備及考慮電纜特性的監(jiān)控、繼保等二次設(shè)備，包括站內(nèi)規(guī)劃、環(huán)境評估、高載流變壓或換流器設(shè)計等。

(5)電纜及線路運(yùn)行穩(wěn)定性與繼保體系的形成?；诔瑢?dǎo)電纜故障過程中各外特性參數(shù)變化規(guī)律掌握不足，需要提出故障機(jī)理及測尋方法、特性分析與閾值整定以及超導(dǎo)線路的實用化保護(hù)策略；掌握低溫、高壓、真空環(huán)境下的干擾抑制、信號識別和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，獲得與傳統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的匹配與配置方法；建立含超導(dǎo)設(shè)備電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、優(yōu)化控制和安全保障理論，以確保運(yùn)行高效、可靠。

(6)電纜鋪設(shè)、線路建設(shè)與運(yùn)維技術(shù)的深入研究。建成的超導(dǎo)輸電試驗示范工程數(shù)量少，運(yùn)行年限相對較短，工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗缺乏，線路接入、運(yùn)行技術(shù)和過程施工與質(zhì)量管控技術(shù)缺乏，技術(shù)積累與規(guī)?；瘧?yīng)用的需求存在一定差距。

8 結(jié)論

超導(dǎo)輸電技術(shù)在提高線路輸送能力、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、降低網(wǎng)損、減少設(shè)備用地等方面有著明顯優(yōu)勢。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，高溫超導(dǎo)電纜本體技術(shù)基本成熟,超導(dǎo)輸電應(yīng)用已進(jìn)入試驗示范和商業(yè)化運(yùn)行階段,其中德國埃森AmpaCity項目為超導(dǎo)輸電技術(shù)的應(yīng)用方式提供了良好啟示?？梢灶A(yù)見，未來20～30年超導(dǎo)輸電技術(shù)將逐步走向規(guī)?；瘧?yīng)用，勢必改變傳統(tǒng)電力輸送格局。目前，國內(nèi)外研發(fā)交、直流兼顧，從中低壓配網(wǎng)應(yīng)用入手，嘗試采用新材料和能源混輸。若將實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用還須進(jìn)一步提高超導(dǎo)輸電經(jīng)濟(jì)性，提升電纜及附件實用化性能，建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，明晰應(yīng)用條件并豐富基建運(yùn)維經(jīng)驗。

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Applicationsofsuperconductingpowertransmissioninpowergrid

QIU Ming

(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

The technology of superconducting power transmission has obvious advantages in terms of enhancing the transmission capacity, optimizing the grid structure, decreasing the losses and saving the land resources. The latest progress on high-Tcsuperconducting power cable and typical engineering examples of superconducting power transmission were reviewed in the paper. The trend of the technological development itself was summarized by analyzing the activities in the world. Potential applications in power grid were discussed by considering its technological and economic feasibility. The key points of R&D on superconducting power transmission were suggested for large-scale applications in the future.

superconducting power cable; power transmission; engineering application; economical feasibility; reliability

10.12067/ATEEE1707030

1003-3076(2017)10-0055-08

TM725

2017-07-10

國家電網(wǎng)公司科技項目(DGB17201400202)

丘 明(1970-), 男, 新疆籍, 教授級高級工程師， 博士， 研究方向為超導(dǎo)電力、 電工裝備及新材料應(yīng)用技術(shù)。