V01．23 第23卷第2期 电气电子教学学报 No．2 0FEEEE o JOURNAL OO1 2O 1年4月 Apr．2 高温超导电缆发展的概况 冯 勇 屠德民 (西安交通大学电气工程学院西安：71007) 摘要首先讨论了超导体的基本概念、性能和种类，介绍了超导材料研究的进展情况、超导电缆的设计方案、结构和特性参数，并与普通电缆 做了比较；最后报道了高温超导线材和导体的结构和特性参数。 关键词高温超导材料性能电缆结构经济分析 志现象，以后每隔3年超导材料的临界温度提高 O引言 人们已怪低温超导电缆作了大量的研究工 作[¨。由于价格太贵，证明这种电缆不可能商业化。 自从1986年发现高温超导体以来，超导电缆再次激 发了人们的兴趣[2I。高温超导材料的临界温度在90 ～120K之间，液氮冷却就能使它们进入超导态。美度高于液氮温度的钇一钡一铜一氧体系的高温超导 国第一条实用高温超导电缆将于2000年1月投入 体，高温超导体的发现，使超导电力器件的制冷系统 使用，为二个电线电缆工厂和～个机械车间提供电 大大简化。 力供应c31。法国和意大利两家大公司于1997年签约 联合研究超导电缆，设计制造电压90kV和225kV， 容量达几千兆伏安，长度几公里的两根高温超导电 缆，作为城市供电啪。欧洲超导电力电缆课题正在执 行中，研制电压为25kv(峰值)、电流为2kA／5kA (峰值)的两种超导电缆。电缆的损耗只有普通电缆 的1／7，电缆截面积只有普通电缆的1／4[副。 超导电缆除可以输送特大功率的电能之外，还 有其他一些优点：(1)超导电缆的临界长度可达到几 百英里；(2)超导电缆系统在短时期内可耐受用户的 短路电流，无需拉闸、切断其他正常负载的电流；(3) 系统允许过载的周期较长；(4)电缆载流量与土壤等 敷设条件无关。 由于高温超导电缆的价格已经可以与普通电缆 相竞争，一旦这种电缆商业化，将对现有的电缆工业 图1超导新材料的临界温度与年份的关系 超导体的临界温度不仅决定于超导材料，还决 造成严重的冲击，因此我们必须及时掌握高温超导 定于磁场，图2示出不同磁场下，钇一钡一铜一氧体 电缆研究的世界动态。 1超导材料及其基本性能 场的增加，超导态移向更低的温度。众所皆知，当导 体中通过电流时，电流也产生磁场，因此超导现象只 1911年Onnes在4K温度下首先发现汞有超 收稿日期：2001年2月26日 2 电气电子教学学报 2001年4月 性能和I型材料相似，但在％到如之间，Ⅱ型材 料允许磁场穿透到导体内部，超过如，超导现象消 失。在磁场％和日＆之间，这部分能量损耗是十分 E 大的。为了消除或降低磁场的影响，应把多股超导线 暑 雹 世 按特殊的方式绞合在一起。图4(c)是Ⅱ型超导体的 磁滞曲线，在低磁场区内，磁化曲线是一条直线，与 ‘¨ ，I i●● ql 区内，磁化曲线呈近似的平行四边形。 温度(K) 图2在不同磁场下，YBC0材料的电阻与温度的关系 能存在于电流、磁场和温度的一定界限之内，如图3 2高温超导电力电缆系统的初步分析 所示‘ll。 电流 级超导权威对高温超导电力电缆的应用作了初步分 析，评估了高温超导的实际的和潜在的能力，确定了 这种电缆应用的条件和范围，在这些范围内高温超 导电缆将与普通电缆展开竞赛。高温超导电缆应用 的最重要原因是它能改善现有地下电网的特性，在 1萨／ 都市配电网络中可免除中间电压的变换，增加传输 图3电流、磁场和温度三维空间中超导的边界 图3中k、风和孔分别称为临界电流、临界 高温超导电缆系统作了详细的技术和经济研究分 磁场和临界温度，超过此边界，超导现象即行消失而 变成_般导体。 有大幅度降价和降低损耗的潜在能力。 高温超导电缆有两种方案：(1)低温电介质(绝 温电介质设计中有一层电气绝缘(在高温超导多股 日一Ⅳ‘ 线上的超导屏蔽层)和在每一相上或者整个三相上 lal I型 的总隔热层，在低温电介质设计中绝缘必须在液氮 温度下工作，对制造电缆增加了复杂性；在室温电介 质设计中，热绝缘加在多股高温超导体上，然后是普 通的电气绝缘、屏蔽和护层，除导体用高温超导体和 热绝缘外，室温电介质设计几乎与普通电力电缆的 设计一样。 1)低温电介质(绝缘)设计方案 图4 I型和Ⅱ型超导体的特性 220kV高温超导同轴电缆的结构和参数[6。 超导合金根据它们在外磁场中的行为可分为I 表l 1∞OMVA，2∞l【V高温超导电缆的基本设计数据 型和I型两种类型，图4示出两类超导体的理想磁 普通电缆 高温超导电缆 化曲线(a)知：I型超导体的电流沿着超导 功率 1000MV^ 1000MVA 体的表面流动，磁场不能穿透到导体中，在不超过 直径 D一130咖(每相) 外径0D=190mm 凰的磁场内，磁化曲线是可逆的；超过凰，超导现 电压 400kV 220kV 象消失。由图4(b)知：直至磁场强度凰，Ⅱ型材料 损耗 110W／(kmMVA)58W／(kmMVA) 第23卷第2期 冯勇屠德民：高温超导电缆发展的概况 3 日本研制高温超导电缆强调代替都市中普通 上。高温超导电缆的特性参数列于表2所示。 275kv电缆，增加传输功率，免除变压环节，用 66kV高温超导电缆传输600～1000MVA电力。 护层 图6高温超导单芯电力电缆的概念性设计 (室温电介质设计概念) 管道 高球盟会网页入口温超导电缆与普通电缆的比较示于表3中。 图5高温超导同轴电缆的结构 高温超导电缆系统与普通电缆系统的价格(包括敷 2)室温电介质(绝缘)设计方案 设，附件，开关，保护设备和制冷机等)分别是 72．7nlill 450MVk DKK和70．4rmU 132kv、24KA高温超导电缆的设 计，这条高温超导电缆是为连接两个变电站而设计 位)，超导带的价格占整个电缆价格的1／5。 表3高温超导电缆系统和普通电缆系统的比较 的全长4050m，如果采用普通电缆要用两组三相平 项目 高温超导 ⅪLPE—A1 行的XLPE铝芯电缆组成，共6根，每根电缆的导 体截面积为2000mmz[引。 导体截面积 50m22×2000Im2 表2—根朽oMVA，132kV，高沮超导电缆的各种特性参数 电缆外径 116蚴 2×107mm 导体横截面 50I啪2 电缆重量 8．她，m 超导带的层数 138层／相 等效串联电阻 1．1mQ／km1猢／km 冷却通道外径 22脯 等效串联电抗 580弘F／km28铆矾m 外径 70mm 等效串联电容 0．4庙‘／km O．52弘F／l【m 绝缘外径 103mm 包括附件和敷设等的系缆价 72．7rIlillDKK70．4niUDKK 4．7mmDKK7．9millDKK losses) 单芯电缆外径 116mm 投资损耗(capitali恐d 单芯电缆之间的中心距离 186胁 高温超导电缆的价格与系统标称功率的关系比 单芯电缆重量 8．5kg／m 普通电缆的关系小，因此随着传输功率的增加，高温 液氮流量(进／回) o．26kg／mo．13kg／m 超导电缆系统的相对价格可以下降。 在24l(A下液氮的热负载(进／回)1．OW／mO．94W／m 3损耗和节能 压力降(进／回) 10巴3巴 在2KA下进口温度(进／回) 68．5K65K 在2KA下出口温度(进／回) 76．5K80K 从环境温度到规定值的冷却时间 9小时 制冷讥的标准功率 2×6．1kW 高温超导电缆系统由三个单芯电缆组成，每一 (空载)。至于高温超导电缆在空载下有较高损耗是 芯电缆的结构如图6所示。每芯电缆导体由多股Bi 因为通过热绝缘发生电漏的缘故。 一2223A．g包带绕包在柔性的骨加相组成，作为冷 4高温超导线材 却的液氮在导体的中间流动，在三相(芯)之间循环 (一路进口管，两种回流管)。热绝缘位于两波纹不锈 高温超导材料的最新突破促使实用线材的发 钢管之间，由上等隔热材料做成，其他部分与普通电 展，确信高温超导在电力传输方面的应用是可行的， 缆相似，用普通的聚乙烯绝缘，绕包铜丝的铠装，聚 乙烯护层，整个电缆是柔性结构，可以绕在电缆盘 现高温超导态。 4 电气电子教学学报 2001年4月 现今高温超导带生产的最先进工艺是管中粉末 加工法，以银包Bi一2223导线为例说明这种加工方 法，把Bi。．。Pb。．。sr：Ca。．。cu。O；超导材料的粉末，用 冷等压法压入银管中，用挤压和拉伸法加工成丝，把 55根丝束在一起再拉伸，辗压成厚度o．25mm、宽 度3．5I砌的带子，经中间退火和周期的热机械加 工，使Bi一2223带具有特殊结构的组织[sI。 图9高温超导电缆导体 以及具有同轴超导磁屏蔽的三相高温超导电缆等课 图8由55根丝组成的Bi一2223带的横截面图 由图8示出这种高温度超导带的微显图图可 知，丝与丝之间几乎没有交叉生长，可是丝的几何尺 寸在不同位置上是不同的，中心丝的厚度为10弘m、 1300A下导体的交流损耗不到1W／m。 宽度为500pm，而最外层丝的厚度为22弘m、宽度为 参·考文献 275弘m。表4中列出不同长度的Bi一2223多丝带在 1 Cable 77K温度下的临界电流密度。从表可见，在短试样 R．Bartnik∞，K．D-蹦vastave．Po骶r fordEdu∞tio舱lPr鹤s。1987 上，临界电流密度高达33kA／cm2，此时，位于中间 2 Ne】(t G．、，idali．SupercoIldut试ty：11le 超导丝中的电流达到80kA／cm2，在长试样(400m) Uri、，e

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