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超導電纜的應用已離我們不遠了
超導電纜的應用已離我們不遠了
從1911年荷蘭物理學家昂尼斯(1853～1926)發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象至今，超導經(jīng)歷了近百年的發(fā)展，已逐漸成熟，先進的技術(shù)特色將使其逐漸滲入到各行各業(yè)。在電纜行業(yè)，隨著超導技術(shù)的應用，超導電纜也應運而生，到目前為止超導電纜已經(jīng)完成了從技術(shù)成果到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化，而且實用優(yōu)勢明顯，這意味著超導電纜將改變傳統(tǒng)的電力運行。
一、超導電纜簡介
超導體有高溫超導體與低溫超導體之分，人們將銅基氧化物類超導體叫做高溫超導體，把在這以前發(fā)現(xiàn)的超導體稱為低溫超導體。（要說明的是，即使是高溫超導體，所需要的工作溫度的也需要低于攝氏零下190°）高溫超導電纜按傳輸?shù)碾娏π问?，可分為交流和直流兩種；按其結(jié)構(gòu)特點來劃分，根據(jù)電氣絕緣材料運行溫度的不同，分為熱絕緣或室溫絕緣超導電纜（WD）和冷絕緣超導電纜（CD）。
熱絕緣超導電纜的電氣絕緣層與常規(guī)電力電纜的絕緣層類似，工作在常溫下。
熱絕緣超導電纜的基本結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外，依次為：
(1)管狀支撐物（一般為波紋管，內(nèi)通液氮）
(2)超導導體層（為超導帶材分層繞制）
(3)熱絕緣層（為真空隔熱套件）、
(4)常規(guī)電氣絕緣層（工作在常溫下）
(5)電纜屏蔽層和護層（與常規(guī)電力電纜類似）
冷絕緣超導電纜的電氣絕緣層工作在液氮的低溫環(huán)境下，對絕緣材料的要求更高（圖2）。當然，也可依照常規(guī)電力電纜的分類，分為單相電纜和多相電纜。
冷絕緣超導電纜的基本結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外，依次為：
(1)管狀支撐物（內(nèi)通液氮）；
(2)超導導體層（為電纜載流導體）；
(3)電氣絕緣層（工作在液氮低溫環(huán)境下）；
(4)超導屏蔽層（為超導帶材繞制）；
(5)液氮回流層（與管狀支撐物內(nèi)的液氮構(gòu)成回流循環(huán)）；
(6)熱絕緣層（為真空隔熱套件）；
(7)常規(guī)電纜屏蔽層和護層。
終端是高溫超導電纜結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，是HTS電纜和外部其他電器設(shè)備之間相互連接的端口，也是電纜冷卻介質(zhì)和制冷設(shè)備的連接端口，擔負著溫度和電勢的過渡。終端的結(jié)構(gòu)是和電纜的結(jié)構(gòu)相配套的，冷絕緣結(jié)構(gòu)的電纜，由于多了一層超導屏蔽層和液氮回流層，結(jié)構(gòu)較復雜，但基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。
電纜本體的超導導體層和常規(guī)金屬在液氮環(huán)境下連接（SC～NC接頭），再由常規(guī)金屬（電流頭）從液氮溫度引出過渡到常溫，電流頭的尺寸經(jīng)過專門設(shè)計，以求溫度過渡均勻和整體導熱最小。終端的熱絕緣結(jié)構(gòu)將盡量降低熱漏；電氣絕緣保證了電流頭的絕緣強度和液氮從地電位（制冷系統(tǒng)）到高電位（電纜終端）的過渡。
二、超導電纜現(xiàn)狀
我國首組超導電纜是由北京云電英納超導電纜有限公司牽頭研發(fā)，西部電力部門與東部發(fā)達地區(qū)大學、科研院所、企業(yè)聯(lián)合，采用國產(chǎn)新材料、新技術(shù)共同研制和實現(xiàn)應用的國家重大科技項目。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(jīng)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(wǎng)運行中已正常供電44555000千瓦時。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(wǎng)運行的國家，而且掛網(wǎng)運行以來容量為121兆瓦，而美國南線超導電纜容量為26兆瓦，丹麥超導電纜容量為104兆瓦。不久日前，在甘肅長通電纜科技股份有限公司又傳出喜訊，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(shù)研究所聯(lián)合研究開發(fā)的國家十五"863"重大項目----75米、10.5千伏/1.5千安三相交流高溫超導電纜順利完成系統(tǒng)集成，通過了系統(tǒng)檢測和調(diào)試，即將投入并網(wǎng)試驗運行。這些都標志著我國高溫超導電纜技術(shù)從成果到產(chǎn)業(yè)化取得了新的重大突破，而且已經(jīng)走在了世界的前沿。
三、超導電纜較常規(guī)電纜的優(yōu)越性
一是損耗低、節(jié)省能源：超導電纜采用在液氮汽化溫度下（約－196℃）無電阻傳輸大電流，導體損耗不足常規(guī)電纜的十分之一，加上制冷的能量損耗，其運行總損耗也僅為常規(guī)電纜的50％至60％。
二是容量大：同樣截面的超導電纜的電流輸送能力是常規(guī)電纜的3至5倍。
三是節(jié)約材料：具有同樣傳輸能力的超導電纜與常規(guī)電纜相比，使用較少的金屬和絕緣材料。
四是無污染：超導電纜沒有造成環(huán)境污染的可能性，而充油常規(guī)電纜則存在著漏油污染環(huán)境的危險。
另外，超導電纜還具有低噪音的特性。
四、超導電纜制造及成本及與常規(guī)電纜的比較
目前，在我國制造等級為35～110kV,1～10kA的超導電纜的成本（不包括研發(fā)，部分材料進口）約為人民幣1.5 ～2萬元/千安·米，在形成批量生產(chǎn)并材料實現(xiàn)完全國產(chǎn)化后，可降低為0.8～1.0萬元/千安·米，目前交聯(lián)聚乙烯常規(guī)電纜的價格約為0.06～0.08萬元/千安·米。
超導電纜的運行需要配套制冷系統(tǒng)，在運行時制冷系統(tǒng)需要消耗一部分電能，但所消耗的能量遠小于由于使用超導電纜而節(jié)約的網(wǎng)路線損。另外，使用超導電纜可降低對超高壓線路的依賴，能大大減少用在超高壓線路附件上的昂貴的費用。下面是丹麥NKT公司給出的以4km長、450MVA傳輸容量、132kV電壓等級為例的超導電纜與常規(guī)鋁電纜的一些基本參數(shù)和成本的比較：
電纜形式 單位 HTS電纜 XLPE～AL電纜
導體截面積 mm2 50 2×2,000
電纜外徑 mm 116 2×107
電纜重量 kg/m 8.5 2×12.4
等效電阻 mΩ/km 1.1 12
電纜系統(tǒng)(包括輔助設(shè)備和安裝成本)估計成本 MUSD 9.68 9.37
五、超導電纜應用的經(jīng)濟效益和社會效益
我國裝機總?cè)萘恳淹黄?.5萬億kW,僅次于美國，但在總量和均量上電力資源存在嚴重的不平衡，給電力工業(yè)發(fā)展留有巨大的空間。我國西南地區(qū)水能資源豐富，可開發(fā)容量達 250 GW，占全國可開發(fā)容量 71.2％。全國規(guī)劃12個大水電基地，7個在西南。但我國工業(yè)集中在華東、華北、東北地區(qū)，因此西電東送是我國輸電的基本格局，輸電距離達1000km以上，我國最大的金沙江水電基地若送電至華東、華中、華南，輸電距離長達1500～2500km。
目前遠程大容量電力輸送一般采用架空鋁裸線，大城市的輸電一般采用地下電纜，導體為銅線或鋁線。使用這些傳統(tǒng)的電線或電纜，電能在輸送過程中要損失5～10%，損秏主要來源于導線的電阻，而且與輸送電流的平方成正比。為了減少電能在輸送過程中的損失，在長距離輸電時要盡量提高電壓，而超高壓線路對輸電塔的絕緣瓷瓶和對空間使用有很苛刻的要求，尤其是對線路終端附件的材料和制作技術(shù)要求更高，而目前我國使用的超高壓線路終端附件都需要進口，這些都大大地提高了超高壓線路的建設(shè)成本。若采用高溫超導電纜進行輸電，電壓不用升高，超高壓輸電的技術(shù)難題就不復存在。超導電纜的交流阻抗僅為常規(guī)電纜的十分之一，所以可以減少電網(wǎng)線損50%左右，帶來很高的經(jīng)濟效益。另外，使用超導電纜還可以節(jié)約輸電系統(tǒng)的占地面積和空間，節(jié)省大量寶貴的土地資源，并保護了生態(tài)環(huán)境。從長遠來講，超導電纜的應用還使長距離直流輸電技術(shù)變得容易和經(jīng)濟。用于直流輸電，超導電纜會使電網(wǎng)線損降低70%以上，顯示出更好的經(jīng)濟效益。
1999年世界有關(guān)機構(gòu)預測，2020年高溫超導電纜將取代80％的城市傳統(tǒng)地下電纜，世界市場超導電纜銷售額將達300億美元，而據(jù)亨通第五屆戰(zhàn)略研討會資料所述，2004年國內(nèi)電力電纜的市場容量也才不過2000多億人民幣，由此可見，超導電纜隨著超導技術(shù)的發(fā)展將成為電纜行業(yè)的發(fā)展趨勢，而且有著很大的市場前景。我們要等技術(shù)成熟普遍應用后跟上，還是要早點參與研究開發(fā)搶先占領(lǐng)市場呢！
