超导输电系统及其在电网中的应用

超导输电系统及其在电网中的应用

张雪焱，杨波

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 广东省广州市 510663

摘要：当前城市中心区配电网越来越难以满足日益增长的电力负荷及高质量供电的要求，亟需研究新技术的应用以解决问题。本文介绍了超导输电系统的构成、特点及其在电网中的应用。高效率、低损耗和大容量电力输送的超导输电系统将为城市配电网所面临的挑战提供一种可行的解决方案。

关键词：超导电缆；超导输电系统；电网

配电网在整体电网系统中是很关键的一环，它直接面对客户，是确保“有效实施，有效使用”电力的关键部分，并且是服务于大众的重要基础设施^[1]。近年来，城市居民对架空线路电磁效应和视觉污染的耐受性普遍降低，供配电线路进入地面是必然趋势为满足城市中心区域高供电可靠性、高电能质量、高负荷密度的电力需求，为了能够满足城市高供电的可靠稳定性、高质量、高负荷密度的用电需求，采用传统技术的增加回路扩容、环网入地等工程的施工成本日趋昂贵，甚至根本不可行，这是大城市配电网面临的一个突出矛盾。因此，需要依托科技水平的进步，考虑采用新型、高效、大容量的电能传输方式，其中超导输电技术有望为城市配电网所面临的挑战提供一些可行的解决方案。

一、超导输电系统的构成

1.1高温超导材料

用于超导电缆的高温超导材料需制造为扁条型，同时满足电气性能要求。目前，有两种高温超导材料被用作超导电缆的带材。第一代带材是主要是铋系高温超导材料的多芯带材，由数十根含有铋系高温超导材料的超导芯棒的银管组合后再加上外套银管，经多次拉拔达到所需的截面后再通过压轧制成扁平的带状。第二代带材是一种在金属基底上具有外延织构的稀土薄膜高温导体。该材料先涂有有利于晶体结构延伸的化学稳定层，然后在高温和特定条件下下晶格取向一致镀上高温超导材料，然后再涂上一层铜保护层。在工程应用中，这两代带材在世界范围内均有应用于实际电网中的超导电缆示范工程，且从各个示范工程的运行情况看两种超导带材均能满足超导电缆安全稳定运行的要求。

1.2超导电缆

超导电缆的结构，与常规电缆的结构有很大不同。从内部到外部的基本结构如下：

（1）内部支撑核心。它通常是覆盖有致密金属网的波纹金属管，其功能是作为要布置的超导带的参考支撑。

（2）电缆导体。它是由高温超导带制成的，通常是多层的。

（3）绝热层。它通常由双层同轴金属波纹管套制，两层波纹管被抽成真空并嵌入抗辐射金属箔。隔热层的功能是将电缆的超导导体与外部环境隔离，并确保超导电缆的导体在低温环境中安全运行。

（4）电气绝缘层。目前绝大多数示范工程的超导电缆均采用冷绝缘方式，也就是电气绝缘层浸泡在液氮的低温环境下，一般使用PPLP（聚丙烯纸）或Cryoflex（美国南线公司开发的一种绝缘材料）作为绝缘材料。

（5）电缆屏蔽层和外部保护层。超导电缆的屏蔽层和护套的功能与常规电力电缆类似，即电磁屏蔽，短路保护以及物理和化学保护。超导电缆的外套与常规电力电缆的外套相同；具有部分结构的超导交流电缆的屏蔽层与常规电力电缆的屏蔽层不同，并且需要超导材料。

1.3超导电缆终端及接头

超导电缆终端是连接超导体与常规导体的的中介，其需完成的主要功能有：连接低阻值的超导体与常规导体、提供从超导电缆内部的低温环境到外部环境温度所需的温度变化梯度、实现从大气压力和低温真空之间的压力过渡。

超导电缆末端的主要组件包括电流导体，终端恒温器，电绝缘和液氮通道。电力电缆的功能是在电缆主体和外部电路之间建立电连接，以形成电流路径。端子恒温器的功能是将端子的内部与外部绝热隔离，并确保端子内部的低温环境。电绝缘的功能是防止在端子头中发生击穿断头。液氮通道是液氮进入和离开电缆主体的通道，并且是超导电缆整个冷却循环的节点。

1.4超导电缆冷却装置

超导电缆冷却装置采用机械冷却并使用液氮的不间断循环，以确保超导导体始终处于相对稳定且均匀的低温环境中。完整的超导电缆循环冷却系统包括冷却器，液氮泵和支撑绝缘容器，液氮储罐，绝缘管，阀门，各种传感器和仪器。在该系统中，液氮将热量损失产生的热量去除并在通过电缆主体时泄漏，并且液氮在通过带有氮气泵的泵箱时会获得循环所需的动能。在液氮连续循环的过程中，热量从电缆传递到过冷箱，并且这部分热量被制冷机除去，因此电缆导体在稳定的低温环境中运行。

1.5超导电缆监控与保护装置

超导电缆监控与保护装置用于保障超导电缆在电网中的安全运行。与常规电缆输电线路相比，超导电缆额外配有循环制冷系统，以保证电缆运行于超导状态，因此需要相应配置超导电缆监控系统。在继电保护方面，与常规线路保护方案的主要不同点在于需要考虑超导电缆的失超保护^[2]。

二、超导输电系统的特点

（1）输送容量大。在超导电缆中，将没有电阻和高临界电流密度的高温超导线用作导体，这大大提高了电流和功率传输能力。具有隔热绝缘性能的超导电缆的传输能力至少是传统电缆的传输能力的5至8倍。例如，传统的10 kV单根电缆的传输容量约为5〜8 MVA，而10 kV超导电缆的传输容量约为25〜40 MVA。

（2）输送电源电压低。在相同的传输容量需求下，超导电缆的传输电压可以降低约一个水平，从而可以减少对高压电气绝缘器件和变压器的需求，从系统角度看高压设备并大大减少在高压设备开支。例如，常规的110 kV单回路AC电缆的传输容量约为60 MVA，而10 kV超导电缆的传输容量约为40 MVA。因此，可以使用10 kV超导电缆代替常规的110 kV AC电缆。

（3）结构紧凑。超导电缆传输高电流密度。在相同大小的电缆沟中，十轮常规的10kV电缆可以传输大约80MVA，而相同的传输容量仅需要两轮10kV的超导电缆。从电缆安装和安全的空间有限的角度来看，在需要扩展的城市配电网络中使用超导电缆可以利用现有的地下电缆沟，这不仅增加了传输功率，而且这也节省了土建成本。

三、超导输电系统的应用

由于超导电缆技术在多方面的优越性，其在输配电系统中的应用在近十几年来获得了越来越多的研究。国外最早出现的项目是美国哥伦布（Columbus）超导电缆示范工程。超导线路全长200m，按两段电缆设计，电缆采用冷绝缘三相同轴的结构，超导带材为BI-2223。该项目2006年8月完成系统安装并挂网运行。其它国外项目还有美国奥尔巴尼（Albany）示范工程、美国长岛（Long Island）超导电缆示范工程、日本横滨（Yokohama）超导电缆示范工程、韩国济州岛（Jeju）超导电缆示范工程、德国埃森（Essen）超导电缆示范工程等^[3]。

在国内，2004年4月19日，我国第一组、世界第三组并网运行的高温超导电缆，在昆明普吉变电站投入运行。该项目线路长度为33.5m，额定电压为35kV，额定电流为2kA，导体采用液氮循环冷却。其它已完成的项目主要有甘肃白银项目、河南中孚项目、上海宝钢项目等。目前上海和深圳等地正在开展长距离超导输电系统的研究及示范项目建设。

结语：

高温超导电缆具有许多优点，例如线损耗低，传输容量大和通道小，为电网提供了一种高效，紧凑，可靠和环保的电力传输方法。考虑到电力需求的持续增长以及某些地区地下输配电走廊的饱和等诸多因素，可以同时实现高效率，低损耗和大容量输电的超导输电技术将提供应对城市配电网络所面临挑战的可行解决方案。

[1]天津市天宏伟业科技有限公司课题组.配电网建设发展趋势分析[J].电子世界,2020(9):72-73.

[2]黄金朋，张哲，汪伟等.基于分布式光纤测温技术的超导电缆局部失超检测和保护方法[J].电力系统保护与控制,2020(14):76-84.

[3]丘明.超导输电技术在电网中的应用[J].电工电能新技术,2017(10):55-61.