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摘要：在我国快速发展的过程中，高温超导技术的发展，高温超导电缆已经在输电系统中有了实际应用。与传统电缆相比，高温超导电缆具有传输容量大、损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、节约资源、环境友好等优势，有望在未来电网发展中发挥重要作用。本文介绍了高温超导电缆的结构及特点、基本设计原理、传输电流与导体层电流分布及交流损耗等技术问题，并对高温超导电缆在交流和直流输电系统中的应用以及目前世界各国对高温超导电缆的研究及成果做了介绍。
关键词：高温超导电缆；现状；发展
引言
随着我国经济的快速发展，用电量在不断增长，对电网传输容量需求也日益增长。高温超导材料在液氮温度的传输电流密度比铜导体高至少两个量级，且采用无污染和火灾隐患的液氮作为冷却介质，因此高温超导电缆在提升电网输电能力，在现有电力系统升级和新电力系统建设中都具有重要应用前景。目前，国际上对高温超导交流电缆的研究已取得了很大的进展，技术较成熟，相继建成多条超导电缆示范工程。高温超导直流电缆起步较晚，所以目前国内外的直流电缆工程不多，但由于新能源的大量引入，高温超导直流电缆得到了越来越多的重视，各国也纷纷开展了对高温超导直流电缆的研究。本文简要介绍近十几年来国内外有关高温超导电缆研究和开发的进展情况，并对其未来发展趋势和关键技术进行简单介绍。
1高温超导电缆的原理结构
高温超导电缆与传统的普通电缆相比有比较大的差异，其主要结构包括：内支撑芯、电缆导体、绝热层、电气绝缘层、电缆屏蔽层和保护层。1）内支撑芯：通常为罩有密致金属网的金属波纹管，或一束铜绞线。内支撑芯的功能是作为超导带材排绕的基准支撑物。2）电缆导体：由高温超导带材绕制而成，一般为多层。3）绝热层：通常由同轴双层金属波纹管套制，两层波纹管间抽成真空并嵌有多层防辐射金属箔。绝热层的主要功能是实现电缆超导导体与外部环境的绝热，保证超导导体在低温环境下能够安全运行。4）电气绝缘层：高温超导电缆按绝缘层类型的不同可以分成热绝缘和冷绝缘两种，热绝缘超导电缆的电气绝缘层的结构和材料与常规电缆的电气绝缘层相同，位于绝热层外部；冷绝缘超导电缆的电气绝缘层浸泡在液氮的低温环境下。5）电缆屏蔽层和保护层：电缆屏蔽层和保护层的功能是电磁屏蔽、短路保护及物理、化学、环境保护等。
2发展现状
目前国内开展的直流超导电缆工程相对较少，只在河南中孚电解铝厂建有一条示范工程。2009年起，中国科学院电工所与河南中孚电解铝厂股份有限公司合作研制直流超导电缆，该电缆380m长、单相、电压/电流为1.3kV/10kA。电缆一端连接变电站的整流器，另一端连接电解铝厂的母线。2015年开始进行中低压、大电流直流高温超导电缆关键技术的研究。提出了一种新型的自磁屏蔽型高温超导直流电缆结构，旨在消除各层超导带材临界电流的衰减，进而提高直流电缆的电流容量。第一种自屏蔽电缆结构如图24所示，在此种结构的直流电缆中，相邻层的电流方向相反，能有效降低各层带材的磁场。例如，由于第1层与第2层的电流方向相反，它们产生的磁场在第3层处将相互抵消，这样，第3层带材的临界电流将不会受到第1、2层的影响。应用此结构，电缆各层无磁场影响，临界电流几乎等于自场临界电流，超导线利用率高，临界电流几乎无退化，且可以获得任意大的运行电流结构，无电磁泄露。另外，为减少电缆端部带材与电流引线的各层连接数目，降低接触电阻，按照相同思路，同时提出了另外一种结构。两种自屏蔽型结构电缆将有效地提高电缆的载流容量，无电磁辐射、无信息泄露的自磁屏蔽型低压大电流高温超导直流电缆在高保密要求、高稳定性要求的互联网数据中心、军用舰船上等低压大电流输电场合有着重要的应用。
3发展趋势
经过近20年发展，国际上对高温超导交流电缆的研究已取得了很大的进展，技术相对较为成熟，相继建成多条示范工程，国际上几组典型实验运行的高温超导电缆参数情况如图所示），交流高温超导电缆和常规电缆输送容量和电压等级的比较如图所示。对于交流高温超导电缆，冷绝缘结构是其实用结构。但是，电压等级不宜超过340kV，原因之一是电压等级太高，绝缘占据空间大，不能充分体现超导电缆高载流密度特性；原因之二是介质损耗太高，冷却费用大幅度增加，运行不经济。未来交流高温超导电缆技术主要是在220kV及以下电压等级，其传输容量比常规345kV交联聚乙烯电缆还高。此外，虽然国内也有几组超导电缆试验运行，但是长度都在100m及以下，且未见开发具有中间连接装置的超导电缆研发报道。电缆终端、套管、中间连接装置等附件也是未来超导电缆实用化研发的重要部件。
4主要关键技术
虽然超导电缆原理简单、技术比较成熟，但是无论是交流还是直流超导电缆，在千米级长度、高电压等级超导电缆规模应用方面以下关键技术有待解决和进一步优化：（1）超导电缆中间连接关键技术：超导电缆连接技术、连接处绝缘应力锥技术，实现长距离超导电缆连接、满足电气性能要求。（2）低漏热超导电缆低温容器（电缆杜瓦管）及其连接技术，实现长距离超导电缆应用。（3）电缆终端连接技术：电缆导体与电流引线的连接、应力锥设计及制造工艺，达到结构紧凑、可拆卸、易维护目的。（4）套管技术：110kV电压等级及以上，具有高温度梯度的高压套管关键技术。（5）低漏热直流电流引线技术：采用帕尔帖电流引线，大幅度降低直流漏热的电流引线技术。（6）低温绝缘技术：高压低温绝缘设计及绝缘配合。（7）超导电缆与电力系统中现有电力装置的匹配协调运行问题。（8）高压110kV及以上绝缘试验测量系统。（9）低温制冷技术：高效率、长时间免维护低温制冷系统。
结语
本文介绍国内外有关高温超导交流电缆和直流电缆的研发现状。经过近20年的发展，冷绝缘高温超导电缆技术是高压电力电缆的主流技术。对于交流高温超导电缆，技术比较成熟，国内超导电缆技术水平处于国际先进行列。但是，国内示范运行的交流超导电缆电压等级均在35kV及以下、长度在百米以下、无中间连接，有待于进行110kV及以上电压等级和带有中间接头的长度超过百米的高温超导电缆技术的研发。高温超导直流电缆起步较晚，但是发展很快。近年国际上相继开展高温超导直流电缆的研发，不久将示范运行。国内低电压等级直流超导电缆方面虽有示范运行，缺乏高电压等级直流电缆示范工程。由于新能源的大量引入，高温超导直流电缆得到了越来越多的重视，各国也纷纷开展了对高温超导直流电缆的研究。国内在直流高电压等级高温超导电力电缆方面也应进行研发工作。
参考文献：
[1]赵臻，邱捷，王曙鸿.高温超导交流电缆电流分布及结构优化的研究［J］．西安交通大学学报，2004，4（4）：352－356．
[2]信赢，龚伟志，张敬因.影响多层交流超导电缆电流分布不可忽略的因素－邻近效应［J］．中国科学：技术科学，2010，7（7）：786－793．
[3]唐跃进，任丽，石晶.超导电力基础［M］．北京：中国电力出版社，2012．
[4]张俊莲，金建勋.高温超导电缆模型［J］．中国线缆，2007，（50）：11－14．
论文作者:辛国骥
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/13
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