張喜澤 宗曦華 黃逸佳

1.上海國際超導(dǎo)科技有限公司（南方電網(wǎng)電力超導(dǎo)聯(lián)合實驗室）

2.上海電纜研究所有限公司

0 引言

高溫超導(dǎo)技術(shù)作為具有戰(zhàn)略意義的前沿引領(lǐng)技術(shù)，隨著城市化和工業(yè)化的飛速發(fā)展，在電力、能源、交通、醫(yī)療、國防等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。尤其在電力領(lǐng)域，高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)具有體積小、載流量大、損耗低、系統(tǒng)可靠性高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點[1,2]，被譽(yù)為21 世紀(jì)電力行業(yè)的一場革命，是21世紀(jì)最具潛力的電工技術(shù)。

上海電網(wǎng)是華東地區(qū)乃至全國負(fù)荷密度最高的負(fù)荷中心，上海市高壓輸電裝置用隧道已經(jīng)相當(dāng)擁擠，若要進(jìn)一步擴(kuò)容，則需要進(jìn)行挖掘新的電纜用隧道和架設(shè)新的輸電系統(tǒng)，不僅造價成本高昂，而且需占用大量空間。高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)為上述問題的改善提供了絕佳的解決方案[3]。從目前的技術(shù)而言，一根超導(dǎo)電纜可替代相同電壓等級的4-6根傳統(tǒng)電纜，且其體積較傳統(tǒng)電纜小，其敷設(shè)可用電纜溝、排管等方式代替成本高昂的隧道敷設(shè)，總造價可大幅降低[4]。此外，電纜電壓等級可降低1～2 個等級，安裝成本也隨之降低。高溫超導(dǎo)電纜在輸電時基本沒有電磁輻射，對環(huán)境友好，無污染，可緩解人們對變電站、變壓器、輸變電線路等電力基礎(chǔ)設(shè)施的抵觸心理，降低工程時間成本和實施難度。

1 高溫超導(dǎo)電纜研究現(xiàn)狀

在全球范圍內(nèi)，較長距離高溫超導(dǎo)電纜的研究開發(fā)方興未艾，高溫超導(dǎo)電纜的實用化、商用化進(jìn)程正在加速，已有多組長距離高溫超導(dǎo)電纜并網(wǎng)運(yùn)行，主要集中在美國、日本、韓國、德國。目前已投運(yùn)的最長高溫超導(dǎo)電纜位于德國（10 kV)[5]以及韓國(23 kV)[6]，長度均為1 km。隨著全球越來越關(guān)注高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)的發(fā)展，包括美國、韓國、日本、德國、荷蘭、丹麥等國家正在計劃開展超導(dǎo)電纜大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用[7-22]。

相較于國外，國內(nèi)超導(dǎo)電纜的研究與國際上同步發(fā)展。2004 年，中國科學(xué)院電工研究所與甘肅長通電纜公司等合作研制成功75 m 長、10.5 kV/1.5 kA 室溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜，先后安裝在甘肅長通電纜公司和白銀超導(dǎo)變電站。2004 年，北京云電英納超導(dǎo)電纜公司研制成三相交流、33.5 m 長、35 kV/2 kA 的室溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜，并在昆明普吉變電站投入運(yùn)行[1]。2013年，上海電纜研究所有限公司牽頭建成的國內(nèi)首套50 m，35 kV低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜在寶山鋼鐵股份有限公司掛網(wǎng)運(yùn)行[23,24]。

2 國產(chǎn)化公里級超導(dǎo)電纜示范工程項目概況

為進(jìn)一步驗證超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，上海市立項“國產(chǎn)化公里級超導(dǎo)電纜示范工程”項目（以下簡稱公里級項目）。項目用超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的規(guī)格見表1。結(jié)構(gòu)采用三相同芯結(jié)構(gòu)，總長度約為1.2 km，額定電壓35 kV，額定電流2.2 kA，采用國產(chǎn)化二代高溫超導(dǎo)材料及成纜技術(shù)，敷設(shè)方式采用排管敷設(shè)，兩套中間接頭，兩套戶外終端。

表1 國產(chǎn)化公里級超導(dǎo)電纜示范工程項目規(guī)格

3 項目用超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計及30 m樣纜制造

參照表1，在超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要考慮以下因素：

1)發(fā)生短路故障時，需保證內(nèi)部支撐物有足夠的通流截面，同時具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

2)超導(dǎo)導(dǎo)體層及屏蔽層的帶材用量，需滿足工程用電容量，并保留一定裕度；

3)電絕緣層需滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具有一定的抗沖擊能力，并保留一定裕度；

4)真空絕熱管既要保證電纜正常運(yùn)行時液氮的通流面積，又要保證真空度能夠維持較長時間，且后期便于維護(hù)。

基于以上考慮因素，初步確定了超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，見表2。

表2 項目用超導(dǎo)電纜初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

根據(jù)方案，成功完成了30 m 三相同芯超導(dǎo)電纜的試制，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 30 m高溫超導(dǎo)電纜樣纜結(jié)構(gòu)圖

4 三相同芯超導(dǎo)電纜系統(tǒng)電氣性能研究

4.1 型式試驗30 m超導(dǎo)電纜系統(tǒng)樣機(jī)安裝

為驗證超導(dǎo)電纜、中間接頭及終端的設(shè)計是否滿足要求，將30 m超導(dǎo)電纜樣纜（分為兩段）、中間接頭以及終端組裝為一套超導(dǎo)電纜系統(tǒng)樣機(jī)，實物圖見圖2。

圖2 型式試驗30 m超導(dǎo)電纜系統(tǒng)樣機(jī)

4.2 型式試驗

根據(jù)用戶需求，對組裝完成的30 m 超導(dǎo)電纜系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行型式試驗，旨在為工程現(xiàn)場的安裝及通電提供可靠的數(shù)據(jù)。型式試驗-電氣試驗項目見表3。

4.2.1 試驗前期準(zhǔn)備

在超導(dǎo)電纜系統(tǒng)裝配完畢后需將溫度降至其正常運(yùn)行的溫度范圍內(nèi)，即67～77 K之間。系統(tǒng)冷卻過程分為氮氣置換、冷氣吹洗、液氮注入、液氮循環(huán)制冷4個步驟。

1)氮氣置換

將干燥的熱氮氣通至超導(dǎo)電纜系統(tǒng)中，然后對系統(tǒng)進(jìn)行抽空。當(dāng)系統(tǒng)真空度下降值帕級別時，再通入干燥的熱氮氣，隨后再進(jìn)行抽空操作，循環(huán)多次。

2)冷氣吹洗

待氮氣置換完成后，即可用冷氮氣對系統(tǒng)進(jìn)行逐步降溫。

3)液氮注入：當(dāng)系統(tǒng)溫度降至130 K以下，即可注入液氮，使系統(tǒng)溫度降至77 K。

表3 型式試驗-電氣性能試驗項目

4)液氮循環(huán)制冷：將系統(tǒng)液位加至指定液位，開啟制冷機(jī)和液氮泵，使系統(tǒng)中的液氮開始循環(huán)。與此同時，對系統(tǒng)內(nèi)容器進(jìn)行加壓，當(dāng)系統(tǒng)的溫度和壓力達(dá)到試驗所需的溫度范圍（68～77 K）和壓力范圍（0.5～0.6 MPa）時，即可進(jìn)行試驗。

4.2.2 電壓負(fù)荷循環(huán)試驗

電壓負(fù)荷循環(huán)試驗是驗證電纜、終端及接頭的必備實驗，主要驗證系統(tǒng)的帶載運(yùn)行能力及絕緣的耐電壓能力。試驗中，對整個超導(dǎo)電纜系統(tǒng)樣機(jī)施加42 kV電壓及2.2 kA電流8 h，停止16 h，以此24 h為一個循環(huán)。循環(huán)共進(jìn)行20次，即持續(xù)20 d。

試驗結(jié)果表明，電壓負(fù)荷循環(huán)試驗過程中系統(tǒng)無異常，證明超導(dǎo)電纜、終端及接頭的設(shè)計滿足容量及耐電壓的要求。

4.2.3 局部放電試驗

為驗證生產(chǎn)中是否造成缺陷，對超導(dǎo)電纜A、B、C 三相及中間接頭進(jìn)行局部放電試驗。按照試驗標(biāo)準(zhǔn)，需在36.33 kV 的電壓下，靈敏度等于或優(yōu)于5 pC下，無可檢測到的放電。

試驗結(jié)果表明，在36.33 kV 下，A、B、C 三相及中間接頭在靈敏度為3.8 pC 的情況下，無可檢測到的放電，見圖3 所示。由此表明，各相超導(dǎo)電纜及中間接頭的絕緣設(shè)計滿足要求，生產(chǎn)過程中未造成缺陷。

4.2.4 介質(zhì)損耗試驗

為判斷超導(dǎo)電纜絕緣的性能，對超導(dǎo)電纜的A、B、C 三相進(jìn)行介質(zhì)損耗試驗。通過測量每相電纜的損耗角tan δ，計算得到每相電纜的介質(zhì)損耗。采用西林電橋法進(jìn)行測試。

結(jié)果表明，在21 kV的電壓下，A、B、C三相的損耗角tan δ分別為1.8×10-3、1.4×10-3、1.1×10-3。

4.2.5 雷電沖擊電壓試驗及工頻電壓試驗

為驗證超導(dǎo)電纜、中間接頭及終端的絕緣抗沖擊性能，對超導(dǎo)電纜系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了雷電沖擊電壓試驗。按照標(biāo)準(zhǔn)，雷電沖擊電壓為±200 kV，沖擊電壓根據(jù)GB/T 3048.13-2007的步驟施加。

試驗波形見圖4 所示。由圖4 可知，A、B、C 三相超導(dǎo)電纜及中間接頭和終端在經(jīng)過正負(fù)10 次電壓沖擊后，沖擊電壓波形無變化，各相均未發(fā)生擊穿。這表明超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的絕緣設(shè)計滿足抗沖擊的要求。

圖3 局部放電試驗結(jié)果圖

圖4-1 A相超導(dǎo)電纜雷電沖擊電壓試驗結(jié)果圖

圖4-2 B相超導(dǎo)電纜雷電沖擊電壓試驗結(jié)果圖

圖4-3 C相超導(dǎo)電纜雷電沖擊電壓試驗結(jié)果圖

為驗證超導(dǎo)電纜、中間接頭和終端的絕緣層在經(jīng)過雷電沖擊電壓后，性能是否退化，對超導(dǎo)電纜系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行雷電沖擊電壓后的工頻耐壓實驗，對系統(tǒng)施加電壓至52 kV，并保持30 min。

試驗結(jié)果表明，超導(dǎo)電纜、中間接頭和終端均未發(fā)生擊穿。證明超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的絕緣層在經(jīng)過雷電沖擊電壓后性能未退化，設(shè)計滿足要求。

5 總結(jié)

根據(jù)多年的超導(dǎo)電纜全壽命周期研究成果及工程經(jīng)驗，結(jié)合公里級項目的特點及要求，完成了三相同芯超導(dǎo)電纜、中間接頭以及終端的設(shè)計及制造。對30 m超導(dǎo)電纜系統(tǒng)樣機(jī)的電氣性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，三相同芯超導(dǎo)電纜、中間接頭及終端的設(shè)計滿足標(biāo)準(zhǔn)及用戶的要求，具備批量投產(chǎn)及入網(wǎng)的條件。