超导电缆的发展情况什么是超导电缆超导电缆是利用超导在其临界温度下成为超导态、电阻消失、损耗极微、电流密度高、能承载大电流的特点而设计制造的。其传输容量远远超过充油电缆，亦大于低温电缆，可达10000MVA以上，是正在大力研究发展中的一种新型电缆。由于超导体的临界温度一般在20K以下，故超导电缆一般在4.2K的液氦中运行。超导电缆的结构有刚性和可挠性两种形式，缆芯分单芯和三芯。设计时须充分考虑其组成材料的膨胀系数，以免电缆因热胀冷缩产生过大内应力而受损。超导电缆是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径，由于它的潜在优势如此诱人，所以各国科技工作者为此正在进行大量的研制工作。发展过程中遇到的问题超导体发展过程中，材料是生产一切物资的根本, 新材料则是其他产业振兴与发展的前提。 因此, 解决能源问题势必要大力发展新材料事业。 在众多的新材料中, 高温超导材料是 不可小觑的一种力量。 它以节能、 环保、 可替代多种材料而一枝独秀。 可喜的是, 中国是继美国、 丹麦之后, 世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。 目前, 我国电力、 通信、 国防、 医疗等方面的发展关键技术问题众多, 急需利用超导技 术解决。 同时我国工业发展对电能需求量日益增长。 而电力资源和负荷分布不均, 因此长距离、 低损耗的输电技术十分迫切。 据韩教授统计, 假如能建立起一个全 国性的电力网,由于无电阻,电力网中就无损耗,那么将节省 10%左右因输送而 造成的电力损耗。 另外, 电力工业发展的需求越来越大, 市场发展对供电质量和 可靠性的要求越来越高, 常规电力技术已越来越不能满足需要, 因此发展超导材 料势在必行。超导材料有着广阔的应用前景, 但要用超导材料来改进现有的科技工程又决 非易事。 科学家和工程师们所遇到的困难是如何使超导材料实用化, 即提高临界 转变温度、 临界电流密度和改良其加工性能, 制造出理想的超导材料。 目前面临 的主要问题如下:1提高临界电流密度，目前, 高温超导材料的最突出的问题是在外加磁场下, 临界电流密度偏低。 超导薄膜,一般是在弱磁场中工作, J c 值 (~l06A /era )基本可满足电子器件的 要求。但体材和线 (带 ) 材的 J c 值还远未达到实用化所要求的水平, 特别是在有 外加磁场时, J c 急剧下降。科学家对影响 J c 的原因和解决办法进行了大量研究。 许多科学家都认为,影响 J c 的主要原因是:(1)晶界间的弱连结; (2) 晶粒中的 磁力线弱连结，造成弱连结的原因及弱连结的性质尚不十分清楚。 一般认为是由于生成的晶 体结构不佳、 在晶界处存在位错、 晶界处化学成份的改变及结晶的细微裂纹等原 因使通道上的电流受阻。解决的方法是使结晶沿 a — b 导电层 (CuO2层 ) 的方向择 优生长, 采用长时问退火、 熔融织构法或定向凝固法等制备大平行板式结晶。 这 种排成直线的多晶消除了在电流方向上的弱连结,解决了各向异性的问题3磁力线运动，增强磁通钉扎力可解决磁力线运动问题。 一般来说, 有效的磁通钉扎需要有 足够的钉扎中心 , 其尺寸要与超导相干长度相匹配。增强磁通钉扎力的方法有中 子辐照、相分解、引入弥散相、化学掺杂等 , 其作用都是引入钉扎中心。实验证 明 , 中子或质子辐照后, J c 可提高几十倍到近百倍实际上 , 很难把弱连接和磁通蠕 动完垒割裂开来, 对于超导实用化来说, 都是迫切需要解决的问题。4 制备长线球盟会官方网站材，在实际应用中, 超导线材占有很大比重, 困此, 制备性能满足要求的高温超 导线 (带 ) 材是重点研究课题之。陶瓷超导物质的脆性是其固有的特性 , 但也不是不可克服的。现在常用办法 是将高温超导粉末装入有廷性的金属套管中 , 然后进行多道次拉拔。一般可采用 铜或银包套 , 阻银包套为最佳。因为高温超导化合物对氧含最十分敏感,在氧气 氛下拉拔, 氧气要通过金属包套渗透到高温超导化合物内部。 银的透气性较好 , 又有好的延展性 , 所现在多使用银套管 (或称银鞘珐 ) 为了增加韧性 , 也可以往超 导粉末中掺人一定量的金属粉末 (如银粉 ) 。有许多方法可制各线材 , 如溶胶一凝 胶法、纺丝法、芯线涤布法、真空镀膜法、溅射法、化学气相沉积法等等。所有 方法制得的线 l 材长度都达不到实用化的水平。随着长度的增加 , 高温超导的 J c 降低。 同时应该看到 , 线材的长度不是孤立的 问题,它与高温超导材料的合成、加工、连接等多种因素密切相关。5经济效益，高温超导材料研究刚刚起步, 经济效益尚未提到议事日程, 而对于实用化 来说,经济效益是必须考虑的问题 近两年超导材料的制备成本已显著下降,例 如, 钇系超导薄膜 1989年的售价是 1000~3000美元 /片, 现在降到 350美元 /片; 铊 系超导薄膜的价格从 2950美元 /cm 2下降到 1000美元 /cm2, 随之薄膜器件的价格 也降低了。 总的看来, 高温超导材料仍处于实验室研究阶段 , 生产技术很不成熟 , 目前技术改进的着眼点是提高性能指标, 而对经济效益的追求是更远一些的目标。超导电缆的发展过程高温超导电缆的发展历史20世纪初,荷兰低温物理学家卡麦林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)发现了超导现象并发现了汞、铟、锡和铅等金属超导体,超导体在超导状态下可以无电阻地传输电流。这一特性使人们在发现超导现象后立即想到利用超导体来制做传输电流的导线,这样可以避免由电阻产生的热损耗。但是不久后人们就发现用这些金属超导体制做的导线只能在传输很小的电流时才具有零电阻特性,当电流增大时又恢复了一般导体的电阻特性,这导致了利用超导体制做导线无电阻地传输具有实用意义的电流的做法以失败而告终。到了20世纪60年代,随着一些可以传输较大电流而仍能保持零电阻特性合金超导体的发现,人们利用超导体无电阻地传输电流的愿望才成为可能。20世纪六七十年代,人们开始尝试利用铌合金导线制做超导电缆。铌合金导线℃时才处于超导状态,所以需要液氦作为冷却剂,液氦的价格很高,这就使该类超导电缆丧失了工业化应用的可行性。20世纪80年代末,人们发现了超导转变温度在液氮气化温度(约-196℃)以上的铜基氧化物超导材料。因铜基氧化物超导材料的超导转变温度大大高于以前发现的元素或合金超导材料的超导转变温度,所以人们习惯将其称为高温超导材料。使用高温超导材料制做超导电缆,就可以在价格低廉的液氮冷却下无电阻地传送电能。高温超导电缆的出现使超导技术在电力电缆方面的工业应用接近于现实。目前市场上可以得到的用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套的铋系高温超导材料它的超导临界转变温度在-165℃左右。在处于液氮气化温度时,在每平方厘米的截面上可无电阻地通过8000～12000A的电流。目前世界上最大的生产厂家是美国超导公司(AmericanSuperconductor)其生产能力和产品技术指标都处于领先地位。我国的北京英纳超导技术有限公司的生产能力和产品技术指标也处于世界前列。多芯带材的市场价格是150～200美元kA·m。高温超导电缆的基本结构高温超导电缆的基本结构与常规电缆有很大差异,其从内到外依次为:1.内支撑管。通常为罩有密致金属网的金属波纹管,以此做为超导带材排绕的基准支撑物,同时也用做液氮冷却循环管道;2.电缆导体。由铋系高温超导带材绕制而成,一般为多层;3.热绝缘层。通常由同轴双层金属波纹管套制,两层波纹管间抽真空并嵌有多层防辐射金属箔,其功能是使电缆超导导体与外部环境实现热绝缘,以保证超导导体安全运行的低温环境。4.电绝缘层。电绝缘层置于热绝缘层外面的,因其处于环境温度下,故习惯上被称为常温绝缘超导电缆(或热绝缘超导电缆),常温绝缘超导电缆的电绝缘层由常规电缆绝缘材料制作。电绝缘层置于热绝缘层里面的,在电缆处于运行状态时处于低温环境,故被称为冷绝缘超导电缆,这类电缆的电绝缘层需要用适合于低温环境的电气绝缘材料制造。5.电缆屏蔽层和护层。电缆屏蔽层和护层的功能与常规电力电缆类似,即电磁屏蔽、短路保护及物理、化学、环境防护等。常温绝缘超导电缆屏蔽层和护层的制作材料与常规电缆类似,冷绝缘超导电缆的屏蔽层可以用超导材料制作,护层与常规电缆相同。除上述主要元件外,高温超导电缆的结构中还可能包括一些辅助元件,例如电缆导体层间绝缘膜、约束电缆各部分相对位置的包层和调距压条等。高温超导电缆的运行条件与常规电缆有很大差异,与之配套的附件也与常规电缆的附件有很大区别。高温超导电缆的附件由两部分组成,即制冷系统和电缆终端。制冷系统。超导电缆需要低温的工作环境(一般为液氮温区),所以必须配备相应的制冷系统。制冷系统通常由制冷机组、液氮泵、绝热管道、水冷却装置和液氮储罐等部分组成。电缆终端。电缆终端是超导电缆和外部其他电气设备之间相互连接的端口,也是电缆冷却介质和制冷设备的连接端口。除类似于常规电缆终端担负电气安全连通的作用之外,还要保证实现温度的过渡。终端的结构和电缆的结构相配套,常温绝缘超导电缆与冷绝缘超导电缆的终端在结构上有很大区别。常规电缆运行时的主要损耗是产生焦耳热所带来的能量损耗(=I2R)。因超导电缆工作时导体的电阻为零,所以高温超导电缆在运行时基本没有焦耳热产生,这与常规电缆有很大差异,但交流输电时的磁滞损耗(简称交流损耗)及绝缘材料的介质损耗仍然存在。在计算超导电缆的运行损耗时,还必须考虑为其配套的制冷系统所消耗的能量。一般来讲,在液氮温区电缆产生1W的损耗需要消耗15W左右的制冷能量。综合起来考虑,在传输相同容量的电能时,高温超导电缆的运行损耗约为常规电缆的50%～60%。三、各国高温超导电缆项目的运行情况高温超导电缆技术的发展已有十余年的历史,参与高温超导电缆技术研究的国家主要有美国、日本、丹麦、德国、中国和韩国。1992年在美国能源部的支持下,Pirelli公司北美分部开始对高温超导电缆技术进行研究和开发,从而使美国成为最早发展高温超导电缆技术的国家。由于政府和大公司的高度重视与参与,凭借强大的人才、科技、资本和组织管理优势,使其高温超导电缆的研究开发工作一直走在世界前列。1999年底,由Southwire公司牵头研制的30m、3相、12.5kV1250A冷绝缘高温超导电缆并网运行,标志着高温超导电缆技术趋于成熟。到目前为止,这组电缆系统已连续运行了4年多,没有发生影响运行的技术问题。2001年Pirelli公司北美分部制造了一组120m、3相、24kV2400A常温绝缘高温超导电缆,但在铺设安装时操作失误,使其中两根电缆的绝热部分遭到严重损坏,已无法并网运行,在超导电缆技术发展史上记上了一笔沉痛的教训。早在20世纪90年代美国能源部就认为超导电力技术是21世纪电力工业惟一的高技术储备。 近来,美国能源部提出了2030美国国家电网的设想。在这个设想中,到2030年,美国将使用超导电缆建成国家电网的骨干网架。美国联邦政府和一些州政府对发展超导电缆技术在政策、资金上给予积极有力的支持。目前,美国有3个更大规模的高温超导电缆工程正在进行中。它们分别是由Southwire公司牵头的俄亥俄州哥伦布市1000英尺超导电缆系统、由AmericanSuperconductor公司牵头的纽约州长岛地区2000英尺超导电缆系统,法国Nexans公司参与了该项目,由IGC公司牵头的纽约州奥伯尼市350m超导电缆系统及日本住友电气公司是该项目的合作者。日本新能源开发机构认为,发展高温超导技术是在21世纪国际高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。在日本政府组织的新能源机构的协调下,有多家大公司、院校和科研院所从事高温超导电缆的开发研制,如东京电力公司、古河电工、住友电气和富士公司等。在有关研发项目中,政府机构都有相当大的资金支持。他们在已完成的高温超导电缆导体和模型电缆研制和试验基础上,将主要工作集中在低损耗HTS线材及电缆结构,低温电气绝缘、热绝缘、制冷系统、终端和接头技术等方面。2002年住友电气和东京电力公司合作完成了一组100m、3相、66kV1kA熏3芯平行轴电缆系统,并在东京电力实验场完成了测试。目前,古河电工与日本电力工业中心研究所等合作完成了一组500m、单相、77kV1kA超导电缆系统,并已开始一系列的低温测试。在丹麦能源部的组织下,由NKT公司牵头,DTU、Ris国家实验室、DEFU、EltraElkraft公司和哥本哈根能源公司等积极进行高温超导电缆的研发。政府通过减免有关公司部分所得税的方式,对相关项目给予支持。2001年5月28日,丹麦NKT公司宣布,其30m长,30kV2kA热绝缘结构实用化高温超导电缆顺利实现挂网运行。此项目的根本目的是在实际使用的电网中演示高温超导电缆系统的性能,收集高温超导电缆系统安装运行的经验数据。德国Siemens公司一直密切关注着高温超导电缆的研究开发。该公司技术部和能源输送部合作,于1996年3月开始试制第一个10m电缆样品,之后研制了多个超导电缆样品。为了400MVA超导电缆研制和超导电缆工业化生产的前期验证需要,又制造了一条50m长单芯电缆导体。1998年,Siemens公司能源输送部被意大利Pirelli公司并购,其电缆研究工作目前仍在继续,开发了110kV400MVA冷绝缘单相交流电力模型电缆系统,在1999年完成电缆终端的低温和高压试验后,整个110kV400MVA冷绝缘高温超导单相交流电缆模型系统将进行长期综合性能试验。韩国在超导电缆技术开发方面虽然起步较晚,但是其政府于2001年制定了超导技术电力应用的10年规划,其中超导电缆技术的研究和推动占据了重要的位置。在政府的支持下,LG电缆公司投入了大量的人力、物力、财力参与了超导电缆技术的研发。今年其30m、3相、22.9kV1.25kA超导电缆系统将完成制造并投入测试。从20世纪90年代中期开始,我国开始高温超导电缆技术的研究,但无论从投入的资金,还是从阶段性成果的水平看,与美国、日本等发达工业国家相比都有很大差距。我国高温超导电缆技术的早期研究工作主要在中科院电工研究所进行。1998年底电工所研制了1m、1kA级Bi系高温超导电缆导体模型。2000年12月1日,完成了6m、2kA级高温超导电力电缆导体模型的研制,电缆的临界电流达到2480A。2001年9月,北京云电英纳超导电缆公司启动了我国第一组实用30m、3相、35kV2kA超导电缆项目。这个项目由云南电力集团公司投资,并得到北京市、云南省和国家科技部“863”计划的大力支持。这组目前已在昆明普吉变电站并网试运行的超导电缆系统是世界上第三组并网运行的高温超导电缆系统,在重要性能指标方面优于目前已经投运的美国Southwire公司和丹麦NKT公司的两组电缆系统。这个项目的完成大大缩小了我国与发达工业国家在高温超导电缆技术上的差距。四、高温超导电缆的应用前景与常规电缆相比,高温超导电缆具有以下几方面优势:1.损耗低。高温超导电缆的导体损耗不足常规电缆的110,加上制冷的能量损耗,其运行总损耗也仅为常规电缆的50%～60%;2.容量大、体积小。同样截面的高温超导电缆的电流输送能力是常规电缆的3～5倍;3.无污染。高温超导电缆没有造成环境污染的可能性,而充油常规电缆存在着漏油污染环境的危险。另外,高温超导电缆也具有使用超导电缆还可以节约输电系统的占地面积和空间,节省大量宝贵的土地资源,并保护了生态环境。做为21世纪电力输送的新材料,超导电缆在我国有着巨大的市场需求,我国将成为全球最大的超导电缆市场。从国家的长远经济战略考虑,我国现在就应加大发展超导电缆技术的推动力度,掌握制造和运行超导电缆的先进技术。只有这样,我们才能不仅成为超导电缆的最大市场,而且成为超导电缆的主要生产国。五、制约高温超导电缆应用的瓶颈目前,阻碍超导电缆商业性应用的主要因素是制造成本昂贵。在我国制造等级为35～110kV,1～10kA的超导电缆的成本(部分材料进口)为人民币1.5～2万元kA·m。现在市场上交联聚乙烯常规电缆的价格为0.06～0.08万元kA·m。与常规电缆相比,在现阶段超导电缆的价格是交联聚乙烯常规电缆价格的25倍左右。在形成批量生产并使材料实现完全国产化(需3～5年时间)后,超导电缆的成本可降低为0.8～1.0万元kA·m,但仍然比常规电缆高出10倍以上。所以使用超导电缆的初期投资是巨大的。超导电缆运行的主要成本是其低温系统制冷机和输送泵的用电消耗。在目前短距离(几百米以内)的实验性线路中,用电消耗还会大于其可节省的线损。但当输电距离增长时,低温系统的用电消耗就会大大小于其可节省的线损,产生节能的经济效益。为了减少电能在输送过程中的损失,目前在长距离输电时采用超高压线路。超高压线路对输电塔的绝缘瓷瓶和对空间使用有很苛刻的要求,尤其是对线路终端附件的材料和制作技术要求更高,有的还必须进口,这些都大大提高了超高压线路的建设成本。在同样传输容量的需求下,因超导电缆可以在比常规电缆损耗小的前提下传输数倍电流,传输电压就可以降低1～2个等级,从而减少在超高压设备方面的开支。这在一定程度上弥补了超导电缆自身价格高的弱点。在选用电力设备时,电网的安全性是需要首先考虑的主要因素之一。超导电缆的终端在结构上比常规电缆复杂,加上常规电缆所没有的制冷低温设备,在可靠性和安全性方面就需要更周密的考虑。配备完善的监控保护系统是确保超导电缆安全运行的必要措施。在传感器技术、自动控制技术和计算机网络技术已经高度发达的今天,超导电缆运行安全和可靠性是有保证的。因目前世界上还没有长距离的超导电缆并入电网运行熏所以超导电缆对电网运行稳定性的影响还无法通过实验来检测。从美国Southwire公司和丹麦NKT公司的30m电缆几年来的运行情况来看,超导电缆没有对与其相关的输电线路的稳定性产生任何不利影响。如果从超导电缆容量大、损耗低和可以减少对超高压的依赖基本特征考虑,超导电缆的应用将提高电网的运行稳定性。近来美国电力研究院的一些资深专家提出建立全国超导输电骨架网络,其主要目的之一就是增强电网的可靠性和稳定性。超导电缆技术是一项先进的高新技术,但同时又依赖于许多传统工业技术,是超导材料、机械制造、低温制冷、真空绝热、电气工程、自动控制等多学科的集成。我国发展超导电缆技术目前在制冷设备制造及电气绝缘材料方面还需要一个较大的技术提升。由于目前高温超导电缆的造价还很高,高温超导电缆输电线路的初投资规模巨大,加上高温超导电缆的工业化生产能力还不高,所以高温超导电缆的大规模应用还需10年或更长的时间。但在以下几方面,高温超导电缆有可能很快显示出优势,并在近期得到应用:1.城市密集居住区,摩天大厦,常规电缆容量不够,没有更大电缆的空间;2.金属冶炼设备等大电流、短距离、小空间的应用中;3.电站或变电站内大电流传输母线.电力需求迅猛发展的大城市,要求的供电容量不断扩大,由于城市的拥挤和开挖成本高昂,无法扩大电缆铺设范围,借助超导电缆,可以在原有的管道内更换,使供电容量提高3～5倍。新材料超导电缆技术的发展及应用前景@信赢$北京云电英纳超导电缆有限公司本文回顾了超导电缆技术发展的历史,介绍了目前世界上主要的超导电缆项目,对超导电缆的制造成本和运行费用进行了评估,并探讨了高温超导电缆在我国的应用前景。中国超导电缆项目计划概述白银超导变电站超导电缆项目：中科院电工研究所与甘肃厂通电缆科技股份有限公司等单位合作，研究开发出一条三相75m，10.5kV，1.5kA的高温超导电缆。河南中孚电解铝厂超导电缆项目：中科院电工研究所与河南中孚实业电解铝厂

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