高溫超導電纜在大都市電網的應用前景

李紅雷，林 一，黃興德

(1. 國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2. 華東電力試驗研究院有限公司，上海 200437)

高溫超導電纜在大都市電網的應用前景

李紅雷1,2，林 一1,2，黃興德1，2

(1. 國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2. 華東電力試驗研究院有限公司，上海 200437)

闡述了超導電力電纜的特點。分析了韓國、德國最新的超導電纜工程，以及上海寶鋼示范工程。提出了超導電纜商業化運行的建議：超導電力電纜系統應大容量設計，并采用LCC模型進行經濟性評估。

高溫超導電纜；電力電纜；電網

超導電力電纜的發展經歷了交/直流低溫超導電纜、熱絕緣交流高溫超導(HTS)電纜、冷絕緣交流高溫超導電纜和冷絕緣直流高溫超導電纜等研發和應用階段。國內外相繼有一些超導電纜工程投入運行。從技術水平和應用情況看，超導電纜本體技術基本成熟，進入試驗示范和商業化運行階段。國內有多個城市正在積極調研和選址，準備立項公里級超導電纜工程，預計幾年內國內外會在公里級超導電纜的示范應用方面取得突破[1-3]。本文介紹超導電纜的技術特點，分析國內外最新的典型工程，提出超導電纜在都市電網實現商業化運行的思路。

1 高溫超導電纜的技術特點

在1911年發現超導現象以后，人們立即希望可以用它傳輸電磁能量，但只是在20世紀60年代末發現了臨界溫度約為18K的金屬互化物Nb3Sn以后，這方面的工作才真正開始。隨著臨界溫度高于77 K的高溫超導線材的出現，高溫超導電纜成為超導電纜發展的主流[4]。高溫超導電纜具有如下技術特點。

(1)容量大。超導電纜使用無阻和高臨界電流密度的高溫超導線材作導體，極大的提高了電流/能量傳輸能力。例如，35 kV的熱絕緣高溫超導電纜每相可以達到2.5～3.0 kA，在重量、尺寸、電壓等級等相同的情況下，熱絕緣高溫超導電纜的輸送容量是常規電纜的3～5倍；這是由低溫封套和屏蔽層的渦流損耗所限制的，如果低溫保持器由非金屬材料制造，電流傳輸能力將可以進一步提高。冷絕緣高溫超導電纜的電流傳輸能力要大一些，可以達到每相8 kA；直流超導電纜可以達到15 kA甚至更高。

(2)損耗低。超導材料在進入超導狀態時，其直流電阻幾乎為零。但對交流電纜來說，超導體中仍會有磁滯渦流損耗，但其值比常規電纜要小得多，即使計及低溫冷卻所需的電力，其電力損耗仍比常規電纜要小。高溫超導電纜的導體損耗不足常規電纜的1/10，加上制冷的能量損耗，其運行總損耗比常規電纜下降50%～60%。

(3)結構緊湊、對環境影響小。超導電纜的內部冷卻方式也有利于降低對電纜安裝地點和土壤的要求。超導電纜的磁場集中在電纜內部，電纜外沒有磁場，減少了電磁污染；安裝處土壤不會被油性物質污染；無火災危險。能夠在不增大電纜尺寸和不增大損耗的條件下增加傳輸功率，可明顯地節約占地面積和空間，節省寶貴的土地資源。

高溫超導電纜的主要特性是傳輸損耗極小和傳輸電流密度大，具有體積小、重量輕、損耗低和傳輸容量大的優點，可以實現低損耗、高效率、大容量輸電。高溫超導電纜將首先應用于短距離傳輸電力的場合，例如發電機到變壓器、變電中心到變電站及特大型工業用戶等都具有應用前景。

由此可見，高溫超導電纜可以改變傳統輸電方式，采用低電壓大電流傳輸電能。超導電纜必須在低溫環境下運行，而在失超時，超導材料變為巨大電阻體，類似于超導限流器，發生火警和短路事故的概率小。

2 國內外典型超導電纜工程

早期超導技術被美、日、歐的頂尖實驗室壟斷，美國、日本、德國、荷蘭和丹麥等國先后做過在實驗室環境運行的超導電纜，積累各類數據，并對超導帶材和整體系統設計加以完善。在過去的十幾年中，國際上對高溫超導電纜的研究和應用，取得很大進展，相繼有多組高溫超導電纜掛網實驗運行。技術領先的國家包括美國、日本、德國和韓國。相對于發達國家，中國的超導電纜技術研究起步較晚，但發展很快，相繼有數組高溫超導電纜掛網示范運行，為超導電力應用技術的發展奠定了良好的技術基礎。下面介紹幾個典型工程。

2.1 韓國超導電纜項目

韓國自2009年開始，在超導電纜技術領域發展迅速。韓國電力公司與韓國LS電纜公司合作，采用美國超導公司生產的第二代超導帶材，2011年在首爾附近Icheon變電站內，投運交流22.9 kV、傳輸容量50 MVA、長度500 m的超導電纜，至今穩定運行。2014年在濟州島超導中心投運直流80 kV、傳輸容量500 MVA、長度500 m的超導電纜。

韓國超導電纜工程采用項目制，在安裝調試階段開展各類試驗，充分檢測超導電纜的功能特性，每個示范項目并網前，均有短樣超導電纜系統在試驗場長期試驗，考驗穩定性和可靠性，積累經驗和數據。在項目驗收試驗時，采用特制電源持續做幾周大電流試驗，掛網后即為線路的負載。以Icheon站超導電纜為例，其額定電流1 250 A，一端接到變電站低壓側，另一端接傳統電纜送站外用戶，驗收時采用3 500 A直流電源和獨立的三相電源做大電流試驗，掛網后的正常線路負載是600～800 A。

韓國在超導電纜敷設方面，考慮到經濟性和電纜長期適用場景，第一個Icheon站超導電纜項目，采用排管敷設。在濟州島超導中心的交直流超導電纜，均采用站界內敞開式布置，為了檢測機械特性及環境影響因素，設計了多種敷設方式，例如下沉和轉角等。

韓國超導電纜專家在開展示范項目的同時，積極參與國際大電網會議(CIGRE)的專門工作組，與另外8個國家的電纜專家共同編寫《超導電纜檢測導則》，并在示范項目實施過程中，遵循該技術報告的相關規定開展測試。

2.2 德國超導電纜項目

德國超導電纜位于西部城市埃森市中心，連接Herkules和Dellbrügge兩個變電站，該工程采用10 kV電纜，包括2組電纜終端、一組中間接頭，長度1 km，傳輸容量40 MVA，是普通10 kV電纜傳輸容量的5倍，相當于110 kV電纜的傳輸容量。

項目的完成單位包括德國能源企業RWE公司、電纜制造公司法國Nexans和德國卡爾斯魯爾技術研究院(KIT)。其中RWE公司負責制定配電網中的超導電纜系統技術規范，確定連接兩個變電站間的超導電纜系統的現場試驗。Nexans公司負責超導電纜(采用日本住友的第一代超導帶材)開發及全部部件的型式試驗，以及超導電纜系統及超導限流器的制造。德國KIT研究院負責超導系統試驗和評價，以及超導電纜交流損耗測量和模擬計算。

該工程的商業化運行較為成功，有2個特點：

(1)容量大。10 kV電纜可以傳送110 kV電纜的容量，節省了110 kV電纜和兩端各1臺110 kV/10 kV變壓器，節省了變電站面積和變壓器投資。德國超導電纜電氣連接圖如圖1所示。

(2)資源重復利用。利用附近的一個工廠生產中所廢棄的液氮，作為超導電纜運行的制冷劑，降低了運行成本。

圖1 德國超導電纜電氣連接圖

韓國的超導電纜項目，側重于不同電壓等級和交直流電纜的性能測試；德國的超導電纜項目，側重于在10 kV配網側應用超導電纜突破輸電容量的瓶頸。各自示范項目從啟動到投運，都歷經4年多時間。

2.3 上海寶鋼超導電纜示范工程

該項目由上海電纜研究所牽頭，寶山鋼鐵股份有限公司、上海三原電纜附件有限公司、上海電力設計院有限公司等多家單位合作完成。超導電纜系統額定容量為120 MVA，電壓35 kV，長度為50 m。超導電纜采用二代超導帶材，是國內首條35 kV冷絕緣超導電纜工程，多項技術指標處于世界領先水平。從2013年開始帶負載運行，目前已連續穩定運行3年，未發生超導電纜系統及設備故障。和韓國、德國的工程相比，寶鋼工程的突出特點是，利用鋼鐵企業電弧爐這種沖擊很大的負荷，對超導電纜進行長期的、高達2 000 A的沖擊電流考驗。在示范工程實施前，該供電線路由5回35 kV電纜供電，現在用超導電纜，僅1回電纜就可以滿足容量要求，體現了實用化優勢。該超導電纜系統配備制冷機8臺(每臺500 W)，通常有2～3臺冗余備用，因此，制冷系統閥門和墊圈等輔件更換可在不影響超導電纜運行的情況下進行。

3 都市電網超導電纜商業化運行的思考

借鑒國外的商業化運行經驗，在國內開展超導電力電纜的應用，不應為了超導而超導，而要因地制宜，從需求出發，從已有的資源出發，首先分析城市電網眾多的電纜線路，根據電纜供電的迫切需求和瓶頸，以及超導電纜突出的技術優勢，找到二者的契合點，有望實現商業化運行。

大都市電網用電負荷大，地下空間擁擠，變電站選址困難，電網改造費用極高，有的場合甚至根本無法擴建改造；超導電纜為此提供了絕佳的解決方案。與常規大截面銅芯電纜相比，超導電纜不僅體積小，而且由于輸送電流大，可以降低變電站的電壓等級，大大減少變電站的面積。采用10 kV超導電纜可替代常規的110 kV電纜輸送電力，采用35 kV超導電纜可替代常規的220 kV電纜輸送電力。降低線路及變電站的電壓等級，大大減少了建設變電站對土地資源的需求。綜合土建安裝成本較低，而土建安裝成本一直都在電纜項目成本中占很大的一部分。

本文認為，都市電網超導電纜商業化運行需要具備以下條件：

(1)超導電力電纜系統只有基于大容量的設計，才可能實現商業化推廣；不能僅考慮電流的大小或電壓等級的高低。

(2)單看電纜本身的造價，目前超導電纜遠高于常規電纜。采用LCC模型來引導超導電纜的研發、設計和工程論證，是解決超導電纜商業化，實現超導電纜經濟性和長期可靠性的必由之路。從近年的研發情況看，雖然在電纜的造價上短時期內超導電纜還要遠高于常規電纜, 但在輸電網路的建設總成本方面使用超導電纜與使用常規電纜的差距會越來越小。

[1]ZHOU N, WU J, ZHANG P, et al. A nickel coating removal process for ITER superconducting cables[J]. Plasma Science and Technology, 2014, 16(5)：45-49.

[2]王醒東.商用二代高溫超導帶材概況[J].電工材料，2015(5)：23-26.

WANG Xingdong. Commercial development general situation of second generation of high temperature superconducting tape[J]．Electrical Engineering Materials，2015(5)：23-26.

[3]應啟良，黃崇祺，魏東.高溫超導電纜在城市地下輸電系統應用的可行性研究[J]. 低溫物理學報，2003，25(5)：3-13.

YING Qiliamg, HUANG Chongqi, WEI Dong. Feasibility study on the application of high temperature superconducting cables in the urban power transmission system[J]. Electric Wire & Cable，2003，25(5)：3-13.

[4]魏東，宗曦華，徐操，等.35 kV 2 000 A低溫絕緣高溫超導電力電纜示范工程[J]. 電線電纜，2015，37(1)：1-3.

WEI Dong, ZONG Xihua, XU Cao, et al. Demonstration project of 35 kV 2000 A cold dielectric high temperature superconductive power cable system[J].Wire & Cable,2015，37(1)：1-3.

(本文編輯：楊林青)

Application of High Temperature Superconducting Cable in the Metropolitan Power Grid

LI Honglei1,2, LIN Yi1,2，HUANG Xingde1,2

(1. State Grid Electric Power Research Institute, SMEPC, Shanghai 200437, China;2.East China Electric Power Test & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200437, China)

This paper expounds the characteristics of superconducting power cables. The application of the latest superconducting cable in South Korea, Germany, and the Shanghai Baosteel demonstration project are analyzed. It also puts forward the suggestion of the commercial operation of superconducting cable: the large-capacity design of superconducting power cable system, and the economical evaluation of the LCC model.

high temperature superconducting cable; power cable; power grid

10.11973/dlyny201703009

李紅雷(1970—)，男，博士，高級工程師，從事電力設備試驗與評價工作。

TM726.4

A

2095-1256(2017)03-0255-03

2017-04-28