摘要： 高温超导(HTS)电缆具有低损耗、大容量、无污染等优点，是智能电网基础技术之一，已在电力系统中已受到越来越多的关注。笔者介绍了HTS 电缆的结构、特点及性能优势，阐述了HTS 电缆在国内外的研发概况，指出了HTS 电缆的未来重点应用领域。在此基础上，指出了HTS 电缆在智能电网中应用尚需解决的技术性、经济性及工程适用性等方面的问题。

0 引言

随着经济和社会的发展， 人们对电能的需求量日益增长，使得电力系统各部分电气紧密连接，电力系统向更大规模方向发展， 对电能品质和供电可靠性提出更高要求， 对电气设备的环保要求和节能要求更严格。由于中国电力资源和负荷分布不均，使得长距离输电成为必然。而电能在传输中的损耗成为急需解决的突出问题。据统计，传统电线或电缆受铜、铝等基本导电材料电导率限制，2007 年中国在输变电过程中的损耗大约为7.5%(其中线路损耗约占70%左右)。为减少电能输变电过程中的损失，亟需采用新型输电方式来实现资源节约型电能输送。作为智能电网基础技术之一， 高温超导(high temperature superconducting，HTS) 电缆采用具有很

高传输电流密度的高温超导材料作为导体， 其诸多优点已在电力工业中引起了越来越多的关注。随着电网智化发展趋势越来越明显，HTS 电缆的应用前景也越来越被看好[1-2]。

笔者旨在介绍HTS 电缆的结构、特点及优越性， 阐述HTS 电缆在国内外的研发及应用情况。在此基础上，探讨HTS 电缆在智能电网中的应用前景。

1 HTS 电缆的结构及分类

1.1 HTS 电缆结构

HTS 电缆的结构与常规电缆有较大的差异，主要由电缆本体、终端以及低温冷却系统组成。

1)电缆本体。HTS 电缆本体包括电缆芯、电绝缘和低温容器。电缆芯是由绕在不锈钢波纹管骨架上的导体层组成，装在维持液氮温度的低温容器中，低温容器两端与终端相连。电缆芯导体层的高温超导带材在终端通过电流引线与外部电源或负载相连接。电缆芯的导体层是由多层高温超导带材在骨架上绕成。导体层间缠绕绝缘带，以降低电缆因电磁耦合引起的交流损耗。低温容器是具有高真空和超级绝热的双不锈钢波纹管结构， 这种结构保证了HTS电缆的可柔性和保持夹层高真空度[1, 3]。

对于冷绝缘HTS 电缆，其电绝缘包在导体层外侧，与导体层同处低温环境中，其结构见图1。对于热绝缘HTS 电缆， 其电绝缘处在低温容器外侧，在绝缘层外再加电缆保护层，其结构见图2。

2)电缆终端。终端是HTS 电缆与外部电气部件的连接端口， 也是电缆低温部分与外部室温的过渡段，其结构见图3。终端要求有很好的热绝缘，以保证超导电缆整体热损耗最小。同时，由于超导电缆本体在一定的电压下运行， 因此也要求终端有相应的绝缘水平[4-6]。

3)低温冷却系统。目前HTS 电缆普遍采用Bi2223超导带材作为电缆的导体层， 低温技术为超导应用提供最基本的低温运行条件， 因此冷却系统是超导电缆系统的一个重要部分。目前普遍采用液氮作为冷却介质， 因为氮在标准大气压下的沸点是77 K，低于Bi2223 的临界温度110 K， 氮的液化技术成熟、价格低廉，同时由于氮是空气的主要成分，氮气的泄漏不会带来环境问题。

HTS 电缆的液氮冷却基本原理是利用过冷液氮的显热，将HTS 电缆产生的热量带到冷却装置，通过液氮冷却装置冷却后，再将过冷液氮送到HTS 电缆中去，形成液氮在闭合回路的循环过程。冷却装置可以采用各种不同制冷方式，如常压液氮沸腾制冷、减压降温制冷、低温制冷机(如小型G-M 制冷机、斯特林制冷机、逆布雷顿循环制冷机等)制冷等[1, 4]。

1.2 HTS 电缆分类

可以从以下几个方面对HTS 电缆进行分类：

1)按传输电流方式可分为直流和交流电缆;

2)按电气绝缘材料运行温度的不同可分为热绝缘HTS 电缆与冷绝缘HTS 电缆，其结构见图1、2;

3)按电缆导体结构可分为单芯电缆、三芯平行(3 根绝缘线芯轴向平行安置)电缆和三芯同轴电缆。

2 HTS 电缆及超导带材的性能及特点

2.1 HTS 电缆超导带材性能

2.1.1 第1 代Bi 系高温超导带

目前HTS 电缆主要是采用银包套Bi2223 带材作为载流导体。实用Bi2223 带材的尺寸约为(0.2~0.3)×(4~5)mm2，其临界电流约为(70~180) A (77 K、0 T)，长度可达数百米到千米。表1 给出美国超导公司(ASC)生产的不锈钢加强的Bi2223 带材在77 K、0 T下的主要性能参数[1]。

2.1.2 第2 代钇系(YBCO)高温超导带材

由于第1 代Bi 系带材的高成本以及它的一些性能问题如磁场下临界电流的急剧衰减等， 使得超导界开始研制基于YBCO 体系的第2 代高温超导带材。

YBCO 涂层高温超导材料具有更为优异的磁场下性，是液氮温度下运行的更理想材料，临界电流密度可达2×106 A/cm2 (77 K)。与临界电流密度达到7×104 A/cm2 (77 K)的第1 代高温超导材料Bi2223 长带相比，临界电流密度提高1 个数量级以上[7]。

目前，日本国际超导产业技术研究中心(ISTEC)公司已制备出长212 m、临界电流245 A 的第2 代带材。美国、德国等也已制备出百米量级的YBCO带材。

2.1.3 新型二硼化镁(MgB2)超导带材

2001 年1 月，日本科学家发现了临界转变温度为39 K 的二硼化镁(MgB2)超导体。综合制冷成本和材料成本，MgB2超导体在20~30 K、低磁场条件下应用具有明显的价格优势。

2.2 HTS 电缆的性能优势

与常规电缆相比，HTS 电缆具有以下几个方面的优势[3, 8-9]。

1)损耗低。HTS 电缆的导体损耗不足常规电缆的1/10，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。同样截面的热绝缘HTS 电缆的电流传输能力是常规电缆的3~5 倍，这是由低温封套和屏蔽层的涡流损耗所决定的。冷绝缘HTS 电缆的电流传输能力更大一些，直流超导电缆的更高。

3)节约材料。由于HTS 的电流密度高，在同样传输能力下，与常规电缆相比，HTS 电缆使用较少的金属和绝缘材料。2001 年在美国底特律Edison 变电站投运的120 m 电缆比原替代电缆直径减少66%，总质量由8 170 kg 减少到110 kg。

4)无污染。HTS 电缆不会造成环境污染，而常规充油电缆存在着漏油而造成污染环境的缺点。此外，HTS 电缆具有无电磁污染、低噪音等特性。丹麦NKT 公司测算出的4 km、450 MW、132 kVHTS 电缆与常规交联聚乙烯(XLPE-Al)电缆的比较见表2。表3 给出文[10]对HTS、LTS(低温超导)及常规电缆的比较， 可以看出HTS 电缆的尺寸最小，运行费用也是最低的。

3 HTS 电缆的研发及应用现状

3.1 HTS 电缆的研发及初步应用

自20 世纪90 年代以来，美国、日本、丹麦、中国和韩国等都相继开展HTS 电缆的研究，先后研制出长度数十米至百米、0.8~3 kA、12.5~138 kV 超导电缆，进行了额定通流、负荷转移、短路过载、耐压和模拟地下、过河等安装环境的性能试验。

3.1.1 美国HTS 电缆的研发概况

美国超导技术的研发一直处于世界领先水平。1992 年在美国能源部的支持下，Pirelli 公司北美分部开始对HTS 电缆技术进行研究和开发，从而使美国成为最早发展HTS 电缆技术的国家[11-12]。

1996 年美国Pirelli 电缆公司与美国超导公司(ASC)成功研制30 m、115 kV/2 kA 超导电缆模型[11]。

1999 年， 美国提出了SPI (superconductivity partnership initiative)研究计划，该计划的研究内容包括超导电缆、超导变压器、超导电机、超导磁悬浮飞轮储能、超导限流器等项目的研究。1999 年底，美国南线(Southwire) 公司研制的三相30 m、12.5 kV/

1.25 kA 冷绝缘HTS 电缆并网试验运行， 这是世界上第一组并网运行的HTS 电缆[4, 12]。

2001 年，美国底特律市Frisbie 变电站敷设了由Pirelli 电缆公司和美国超导公司(ASC)合作研制的三相120 m、24 kV/2.4 kA 的超导电缆，这是世界上第1 条正式投入商业运行的超导电缆[12-13]。

2003 年8 月，美加大停电后，美国将利用超导电缆强化电网作为防范大面积停电的措施之一，制定了3 个更大规模的超导电缆应用计划，即Albany计划(350 m、34.5 kV/800 A， 美国IGC 公司与日本SEI 公司合作)、Ohio 计划(300 m、15 kV/2 kA，Southwire公司牵头) 和LIPA 计划(600 m、18 kV/2.4 kA，ASC公司与法国Nexans 公司合作)[11-12]。

2008 年4 月22 日，美国纽约长岛电力局和美国超导公司联合宣布，世界上第1 条HTS 电缆在商业电网中投入运行。该电缆系统的运行电压为138 kV，由并行排列的3 条独立单相HTS 电缆组成，安装在纽约长岛电力局的地输电走廊内， 由6 个终端装置与纽约长岛电网相连。该条电缆长610 m，用液氮冷却系统进行低温冷却。该系统机容量60 万kW，属于长岛电力局电网的一部分，能为30 万户家庭供电。

伴随着长岛电力局在商业电网中安装了第1 条超导输电缆，纽约市启动九头蛇计划(project hydra)，其主要内容是2010 年启动的曼哈顿电网升级改造，应用美国超导公司(ASC)开发的液氮冷却系统和超导电缆，以提高纽约电力系统的运行可靠性。

3.1.2 日本HTS 电缆的研发概况

日本HTS 电缆研发工作主要集中在低损耗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[4, 12]。

1995 年，东京电力公司(TEPCO)研制出长7 m、66 kV/2 kA 的三相交流HTS 电缆。2002 年住友电气和东京电力公司合作完成了一组三相100 m、66 kV/1 kA， 三芯平行轴电缆系统并在东京电力实验场完成了通电、负荷变动和耐压等试验。2004 年，Furukawa 和电力工业中心研究所等研制出长500 m、77 kV/1 kA 单相HTS 电缆并进行了现场试验。

3.1.3 中国HTS 电缆的研发概况

中国从20 世纪90 年代开始研制HTS 电缆。1998 年7 月，中国科学院电工研究所和西北有色金

属研究院、北京有色金属研究院合作成功研制出长1 m、1 kA 的直流HTS 模型电缆;2000 年12 月，成功研制出长6 m、2 kA 的直流HTS 模型电缆。2004年4 月， 北京云电英纳超导电缆公司成功研制出中国第1 组实用HTS 电缆在云南普吉并网运行，为三相33.5 m、35 kV/2 kA、热绝缘、Bi 系HTS 电缆，这也是世界上第3 组并网运行的HTS 电缆。2004 年，中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司等合作成功研制75 m、10.5 kV/1.5 kA 三相室温绝缘、Bi 系HTS 电缆，并在甘肃投运[12, 14]。

3.1.4 其他国家HTS 电缆的研发概况

丹麦NKT 公司研制的三相30 m、36 kV/2 kA热绝缘HTS 电缆于2001 年5 月在哥本哈根郊区的Amager 变电站挂网运行，这是世界上第2 组并网运行的HTS 电缆[4]。

德国Siemens 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10 m 电缆样品，之后研制了多个超导电缆样品。为了400 MV·A 超导电缆研制和超导电缆工业化生产的前期验证的需要，又制造了一条50 m 长单芯电缆导体。

韩国于2001 年制定了超导技术电力应用的10年规划(DAPAS)。2004 年，韩国KERI-LG 公司研制了三相30 m、22.9 kV/1.25 kA 超导电缆系统，2006年完成了100 m、154 kV/1.9 kA 的HTS 电缆系统[15]。

3.2 HTS 电缆的未来重点应用领域

HTS 电缆具有高电流密度( 比常规电缆约高2 个数量级)和低损耗(包括冷却系统损耗，约小于常规电缆的50%)优点，因此它在电力系统中具有广泛的应用前景[1, 4]。

1)城市地下输电电缆。大城市一般建筑密集，高压架空输电线难以深入到负荷中心， 一般通过地下输电电缆来输送电能。随着城市不断发展和负荷增加，许多城市已有的地下输电电缆容量已达饱和，若采用HTS 电缆替换原有的常规电缆， 在现有城市地下电缆沟容积不变的情况下， 即可将输电容量提高3~5 倍，因而是解决提高城市输电功率的有效办法。

2)发电厂和变电站的大电流母线。目前，发电厂和变电站的大电流母线都采用常规导体做母排，由于电流大，因此焦耳热损耗很大。若采用HTS 电缆做大电流母线，不仅可以大大减少损耗，而且还可降低母线占用空间。

3)金属冶炼工业的大电流母线。冶炼工业(如炼铝工业)耗电量非常大，常采用低电压大直流电流供电，电源与电解槽之间距离不长，但电流很大，达几万甚至十几万安，母排损耗非常大。若采用HTS 直流电缆，由于其电阻几乎为零，同时电流密度比常规电缆约大2 个数量级，因此可大大降低电能损耗。

4)分布式电源的电能传输。由于分布式电源(太阳能、风能等)的不稳定特性，系统需要在任何时候都能够提供所需要的能量和消耗过剩的能量。HTS电缆和超导磁储能(SMES)的综合应用能够使电网更为坚强，有助于实现与相邻电网的电能交换。

4 HTS 电缆在智能电网中应用尚需解决的问题

目前，HTS 电缆技术整体仍处于研发、试验和示范的阶段，在电缆性能和经济性上均有待突破。从技术性能、经济性、工程实用性等方面看，尚不能满足远距离、超大容量输电应用要求[2,16]。

4.1 技术性能方面

1)HTS 电缆长度有限。由于受HTS 线材产业化生产能力限制，要将HTS 电缆应用于长距离、大容量输电，必须解决HTS 电缆单元之间的连接技术问题，即实现HTS 电缆接头处的低电阻、大载流和高绝缘强度。然而目前这方面的研究甚少。

2)绝缘材料自身和液氮低温(77 K)条件下绝缘技术限制。目前HTS 电缆的电压等级最大为138 kV，最大输送功率57.4 万kW。如何提高绝缘等级和传输容量是研究热点和难题之一。

3)额定电流限制。在额定传输电流的选择上，虽然低电压等级、高功率传输是超导电缆的技术优势，但交流传输时会产生磁滞损耗，Bi 系超导电缆传输3 kA 电流时其损耗与系统漏热相当(约1.5 W/m)，若进一步增大容量需提高制冷系统的性能。要研制出实用化的大容量超导电缆， 需研发损耗更低的超导线材。

4.2 经济性方面

目前HTS 材料的价格很高，高于常规材料近十倍，加之日常必需的低温运行、维护等因素，在一定程度上限定了HTS 电缆的制造和运行成本。因此，经济性成为HTS 电缆技术研发和应用推广无法回避的障碍之一。

2008 年美国纽约长岛电力局(LIPA)和美国超导公司(ASC)联合研制的世界上第一条在商业电网中运行的610 m、138 kV HTS 电缆，其研发费用高达1 800 万美元;2004 年北京云电英纳超导电缆有限公司完成的中国第一根并网运行的33.5 m、35 kVHTS 电缆，其研发费用约3 000 万元。

文[17]对132 kV/3 kA 超导电缆和138 kV/1.04 kAXLPE 电缆进行了生命周期费用比较。结果表明，随着超导电缆相关部件价格的降低和性能的提高，其生命周期费用将会逐渐降低，并在将来实现大规模推广应用，但目前只能应用于某些特殊的场合。

4.3 工程实用性方面

1)低损耗、高载流超导线材、大容量电流引线、绝缘绝热技术、低温制冷、在线监测与控制保护、与现有电网的匹配协调运行等问题还有待深入研究和完善。

2)HTS 电缆应用于远距离输电，在地形复杂、环境多变的工况条件下，如何进行HTS 电缆输电线路的设计、规划、施工、运行、监测、保护等，目前国内外尚无经验可循。

3)对电缆的设计方法、实际结构、整体性能、可靠性和安全性的评估必须基于电缆的长期实际运行，积累现场数据，进而获得科学的分析和判断，以确保电网的安全、稳定、高效、智能运行。

5 结语

高温超导电缆具有低损耗、大容量、无污染等常规电缆无法比拟的优点， 是实现低损耗、高效率、大容量输电的有效途径。然而，在远距离、超大容量输电应用时，在技术性能、经济性及工程实用性等方面仍存在很多问题尚需解决。作为智能电网的高级输电技术，随着技术水平的不断提高，HTS 电缆近似为零的电阻损耗、无阻的承载大电流密度、无环境污染等诸多性能优势决定了在未来智能电网中得到大规模应用的可能行。

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