高温超导电缆技术概述

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1、高温超导电缆技术概述高温超导电缆是高温超导技术的重要应用之一，它集成了超导材料、低温制冷、电力工程、电缆等多学科技术于一身，是21世纪电力传输的新材料，并以其特有的优势，开始在世界范围内应用。一、概述超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的理想导体。使用超导材料作为导体的电力传输电缆被称为超导电缆。低温超导体应用时以液氦作为冷却剂，液氦的价格很高，这就使低温超导电缆失去了工业化应用的可行性。使用高温超导材料制作超导电缆，可以在液氮的冷却下无电阻地传送电能，由于液氮的价格低廉，使高温超导技术的大规模应用成为可能。(一) 高温超导电缆使用的导体材料目前市场上可以用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套

2、的铋系高温超导材料(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10的多芯带材，它的超导临界转变温度为105K110K，临界工程电流密度为800012000A/cm2。目前世界上最大的生产厂家是美国超导公司(AmericanSuperconductor,Co.),其生产能力和产品技术指标都处于领先地位。我国的北京云电英纳超导电缆有限公司的生产能力和产品技术指标也处于世界前列。(二) 高温超导电缆的基本结构(1)内支撑管：通常为罩有密致金属网的金属波纹管，作为超导带材排绕的基准支撑物，同时用于液氮冷却流通管道；(2)电缆导体：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

3、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，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，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)。电绝缘层置于热绝缘层里面，电缆运行时处于低温环境，故被称为冷绝缘超导电缆；(5)电缆屏蔽层的护层：电缆屏蔽层和护层的功能与常规电力电缆类似，即电磁屏蔽层，短路保护及物理、化学、环境防护等。此外，高温超导电缆的结构中还可能包括一些辅助部件，例如电缆导体层间绝缘膜、约束电缆各部份相对位置的包层和调距压条等。(三) 高温超导电缆的附件(1) 制冷系统：高温超导电缆需要

4、低温的工作环境(一般为液氮温区)。制冷系统通常由制冷机组、液氮泵和液氮储罐等部份组成。(2) 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。终端的结构是和电缆的结构相配套的，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。(四) 高温超导电缆的运行损耗因导体的电阻为零，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的差异，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。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。一般地说

5、，在传输相同的容量的电能时，高温超导电缆的运行损耗约为常规电缆的50%60%。(五) 高温超导电缆的分类(1)按传输电流种类分为直流和交流电缆；(2)按电气绝缘结构分为常温绝缘电缆与冷绝缘电缆；(3)按电缆导体结构分为单芯电缆、三芯平行轴电缆和三芯同轴电缆。二、高温超导电缆的技术要求高温超导电缆的研制工作分为：电缆研发与设计、系统制造与集成、安装调试与试运行三个阶段，每个阶段都有严格的技术要求。三、高温超导电缆的性能优势高温超导电缆与常规电缆相比，具有明显的优势：一是损耗低。高温超导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%；二是容量大。

6、同样截面的高温超导电缆的电流输送能力是常规电缆的35倍；三是节约材料。具有同样传输能力的高温超导电缆与常规电缆相比，使用较少的金属和绝缘材料；四是无污染。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，高温超导电缆还具有低噪音的特性。目前远程大容量电力输送一般采用架空铝裸线，大城市的输电一般采用地下电缆，导体为铜线或铝线。使用这些传统的电线或电缆，电能在输送过程中要损失5%10%。为了减少电能在输送过程中的损失，在长距离输电时要尽量提高电压，如采用220kV或500kV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高的要求，尤其是对线路终端附件的材料和制作技术要求更高，大大提高了超高压线路的建设成本。目前我国还不能生产超高压线路终端附件，进口的超高压线路终端附件十分昂贵。如果使用高温超导电缆，其交流阻抗仅为常规电缆的1/10，可以减少电网线损50%左右。从长远来讲，高温超导电缆的应用还使长距离直流输电技术变得容易和经济。用于直流输电，超导电缆会使电网线损降低70%以上，显示出更好的经济效益。由于高温超导电缆传输电力的能力是传统常规电缆的35倍，所以使用高温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。