1、.超導電纜的發展情況什么是超導電纜超導電纜是利用超導在其臨界溫度下成為超導態、電阻消失、損耗極微、電流密度高、能承載大電流的特點而設計制造的。其傳輸容量遠遠超過充油電纜，亦大于低溫電纜，可達10000MVA以上，是正在大力研究發展中的一種新型電纜。由于超導體的臨界溫度一般在20K 以下，故超導電纜一般在4.2K 的液氦中運行。超導電纜的結構有剛性和可撓性兩種形式，纜芯分單芯和三芯。設計時須充分考慮其組成材料的膨脹系數，以免電纜因熱脹冷縮產生過大內應力而受損。超導電纜是解決大容量、低損耗輸電的一個重要途徑，由于它的潛在優勢如此誘人，所以各國科技工作者為此正在進行大量的研制工作。發展過程中遇到的問

2、題超導體發展過程中，材料是生產一切物資的根本, 新材料則是其他產業振興與發展的前提。因此 , 解決能源問題勢必要大力發展新材料事業。在眾多的新材料中 , 高溫超導材料是 不可小覷的一種力量。它以節能、 環保、 可替代多種材料而一枝獨秀?？上驳氖?, 中國是繼美國、丹麥之后 , 世界上第三個將超導電纜投入電網運行的國家。目前 , 我國電力、通信、 國防、 醫療等方面的發展關鍵技術問題眾多, 急需利用超導技 術解決。 同時我國工業發展對電能需求量日益增長。而電力資源和負荷分布不均,因此長距離、 低損耗的輸電技術十分迫切。據韓教授統計 , 假如能建立起一個全國性的電力網 ,由于無電阻 ,電力網中就無

3、損耗 ,那么將節省 10%左右因輸送而造成的電力損耗。另外 , 電力工業發展的需求越來越大 ,市場發展對供電質量和可靠性的要求越來越高, 常規電力技術已越來越不能滿足需要, 因此發展超導材料勢在必行。超導材料有著廣闊的應用前景, 但要用超導材料來改進現有的科技工程又決非易事。科學家和工程師們所遇到的困難是如何使超導材料實用化, 即提高臨界 轉變溫度、 臨界電流密度和改良其加工性能, 制造出理想的超導材料。目前面臨的主要問題如下 :1 提高臨界電流密度，目前,高溫超導材料的最突出的問題是在外加磁場下, 臨界電流密度偏低。超導薄膜 ,一般是在弱磁場中工作, J c值 (l06A /era ) 基本

4、可滿足電子器件的要求。但體材和線(帶 ) 材的 J c 值還遠未達到實用化所要求的水平, 特別是在有 外加磁場時 , J c 急劇下降?？茖W家對影響J c的原因和解決辦法進行了大量研究。許多科學家都認為 ,影響 J c 的主要原因是 :(1) 晶界間的弱連結 ;(2)晶粒中的 磁力線運動 .2 弱連結，造成弱連結的原因及弱連結的性質尚不十分清楚。一般認為是由于生成的晶體結構不佳、在晶界處存在位錯、晶界處化學成份的改變及結晶的細微裂紋等原因使通道上的電流受阻。解決的方法.是使結晶沿a b導電層(CuO2 層 ) 的方向擇優生長 , 采用長時問退火、熔融織構法或定向凝固法等制備大平行板式結晶。這

5、種排成直線的多晶消除了在電流方向上的弱連結,解決了各向異性的問題3 磁力線運動， 增強磁通釘扎力可解決磁力線運動問題。一般來說 , 有效的磁通釘扎需要有足夠的釘扎中心 , 其尺寸要與超導相干長度相匹配。增強磁通釘扎力的方法有中子輻照、相分解、引入彌散相、化學摻雜等, 其作用都是引入釘扎中心。實驗證明 , 中子或質子輻照后 , J c 可提高幾十倍到近百倍實際上 , 很難把弱連接和磁通蠕動完壘割裂開來 ,對于超導實用化來說, 都是迫切需要解決的問題。4 制備長線材， 在實際應用中 , 超導線材占有很大比重, 困此 ,制備性能滿足要求的高溫超導線 ( 帶 )材是重點研究課題之。陶瓷超導物質的脆性是

6、其固有的特性, 但也不是不可克服的?，F在常用辦法是將高溫超導粉末裝入有廷性的金屬套管中,然后進行多道次拉拔。一般可采用銅或銀包套 ,阻銀包套為最佳。因為高溫超導化合物對氧含最十分敏感,在氧氣 氛下拉拔 , 氧氣要通過金屬包套滲透到高溫超導化合物內部。銀的透氣性較好 , 又有好的延展性, 所現在多使用銀套管( 或稱銀鞘琺) 為了增加韌性, 也可以往超導粉末中摻人一定量的金屬粉末(如銀粉 )。有許多方法可制各線材,如溶膠一凝膠法、紡絲法、芯線滌布法、真空鍍膜法、濺射法、化學氣相沉積法等等。所有方法制得的線l 材長度都達不到實用化的水平。隨著長度的增加,高溫超導的J c 降低。 同時應該看到, 線材

7、的長度不是孤立的問題 ,它與高溫超導材料的合成、加工、連接等多種因素密切相關。5 經濟效益，高溫超導材料研究剛剛起步,經濟效益尚未提到議事日程, 而對于實用化 來說 , 經濟效益是必須考慮的問題近兩年超導材料的制備成本已顯著下降,例 如 , 釔系超導薄膜1989年的售價是10003000美元 / 片, 現在降到350 美元 / 片; 鉈 系超導薄膜的價格從2950美元 /cm 2 下降到 1000美元 /cm2,隨之薄膜器件的價格也降低了?？偟目磥?, 高溫超導材料仍處于實驗室研究階段, 生產技術很不成熟, 目前技術改進的著眼點是提高性能指標, 而對經濟效益的追求是更遠一些的目標。超導電纜的發

8、展過程高溫超導電纜的發展歷史20 世紀初 ,荷蘭低溫物理學家卡麥林昂尼斯(KamerlinghOnnes)發現了超導現象并發現了汞、銦、錫和鉛等金屬超導體,超導體在超導狀態下可以無電阻地傳輸電流。這一特性使人們在發現超導現象后立即想到利用超導體來制做傳輸電流的導線,這樣可以避免由電阻產生的熱損耗。但是不久后人們就發現用這些金屬超導體制做的導線只能在傳輸很小的電流時才具有零電阻特性,當電流增大時又恢復了一般導體的電阻特性,這導致了利用超導體制做導線無電阻地傳輸具有實用意義的電流的做法以失敗而告終。到了20 世紀 60 年代 ,隨著一些可以傳輸較大電流而仍能保持零電阻特性合金超導體的發現,人們利用

9、超導體無電阻地傳輸電流的愿望才成為可能。20世紀六七十年代,人們開始嘗試利用鈮合金導線制做超導電纜。鈮合金導線只有在溫度低于-260 時才處于超導狀態, 所以需要液氦作為冷卻劑,液氦的價.格很高 ,這就使該類超導電纜喪失了工業化應用的可行性。20 世紀 80 年代末 ,人們發現了超導轉變溫度在液氮氣化溫度 ( 約 -196 )以上的銅基氧化物超導材料。因銅基氧化物超導材料的超導轉變溫度大大高于以前發現的元素或合金超導材料的超導轉變溫度,所以人們習慣將其稱為高溫超導材料。使用高溫超導材料制做超導電纜 ,就可以在價格低廉的液氮冷卻下無電阻地傳送電能。高溫超導電纜的出現使超導技術在電力電纜方面的工業

10、應用接近于現實。目前市場上可以得到的用來制造高溫超導電纜的材料主要是銀包套的鉍系高溫超導材料它的超導臨界轉變溫度在-165左右。在處于液氮氣化溫度時,在每平方厘米的截面上可無電阻地通過 8000 12000A的電流。目前世界上最大的生產廠家是美國超導公司(AmericanSuperconductor)其生產能力和產品技術指標都處于領先地位。我國的北京英納超導技術有限公司的生產能力和產品技術指標也處于世界前列。多芯帶材的市場價格是150 200美元 kA m 。高溫超導電纜的基本結構高溫超導電纜的基本結構與常規電纜有很大差異,其從內到外依次為 :1.內支撐管。通常為罩有密致金屬網的金屬波紋管,以

11、此做為超導帶材排繞的基準支撐物,同時也用做液氮冷卻循環管道 ;2.電纜導體。 由鉍系高溫超導帶材繞制而成,一般為多層 ;3.熱絕緣層。 通常由同軸雙層金屬波紋管套制 ,兩層波紋管間抽真空并嵌有多層防輻射金屬箔,其功能是使電纜超導導體與外部環境實現熱絕緣, 以保證超導導體安全運行的低溫環境。 4.電絕緣層。電絕緣層置于熱絕緣層外面的,因其處于環境溫度下,故習慣上被稱為常溫絕緣超導電纜( 或熱絕緣超導電纜 ),常溫絕緣超導電纜的電絕緣層由常規電纜絕緣材料制作。電絕緣層置于熱絕緣層里面的,在電纜處于運行狀態時處于低溫環境,故被稱為冷絕緣超導電纜 , 這類電纜的電絕緣層需要用適合于低溫環境的電氣絕緣材

12、料制造。5.電纜屏蔽層和護層。電纜屏蔽層和護層的功能與常規電力電纜類似 ,即電磁屏蔽、短路保護及物理、化學、環境防護等。常溫絕緣超導電纜屏蔽層和護層的制作材料與常規電纜類似 ,冷絕緣超導電纜的屏蔽層可以用超導材料制作,護層與常規電纜相同。 除上述主要元件外,高溫超導電纜的結構中還可能包括一些輔助元件,例如電纜導體層間絕緣膜、約束電纜各部分相對位置的包層和調距壓條等。高溫超導電纜的運行條件與常規電纜有很大差異,與之配套的附件也與常規電纜的附件有很大區別。高溫超導電纜的附件由兩部分組成,即制冷系統和電纜終端。制冷系統。超導電纜需要低溫的工作環境 (一般為液氮溫區 ),所以必須配備相應的制冷系統。制

13、冷系統通常由制冷機組、液氮泵、絕熱管道、水冷卻裝置和液氮儲罐等部分組成。電纜終端。電纜終端是超導電纜和外部其他電氣設備之間相互連接的端口,也是電纜冷卻介質和制冷設備的連接端口。除類似于常規電纜終端擔負電氣安全連通的作用之外,還要保證實現溫度的過渡。終端的結構和電纜的結構相配套,常溫絕緣超導電纜與冷絕緣超導電纜的終端在結構上有很大區別。常規電纜運行時的主要損耗是產生焦耳熱所帶來的能量損耗(=I2R) 。因超導電纜工作時導體的電阻為零,所以高溫超導電纜在運行時基本沒有焦耳熱產生,這與常規電纜有很大差異,但交流輸電時的磁滯損耗(簡稱交流損耗)及絕緣材料的介質損耗仍然存在。在計算超導電纜的運行損耗時,

14、還必須考慮為其配套的制冷系統所消耗的能量。一般來講 ,在液氮溫區電纜產生1W 的損耗需要消耗15W 左右的制冷能量。綜合起來考慮 ,在傳輸相同容量的電能時 ,高溫超導電纜的運行損耗約為常規電纜的50% 60% 。三、各國高溫超導電纜項目的運行情況高溫超導電纜技術的發展已有十余年的歷史,參與高溫超導電纜技術研究的國家主要有美國、日本、丹麥、德.國、中國和韓國。1992年在美國能源部的支持下,Pirelli公司北美分部開始對高溫超導電纜技術進行研究和開發 ,從而使美國成為最早發展高溫超導電纜技術的國家。由于政府和大公司的高度重視與參與, 憑借強大的人才、科技、資本和組織管理優勢,使其高溫超導電纜的

15、研究開發工作一直走在世界前列。1999年底 ,由Southwire 公司牽頭研制的 30m、 3 相、 12.5kV1250A冷絕緣高溫超導電纜并網運行,標志著高溫超導電纜技術趨于成熟。到目前為止,這組電纜系統已連續運行了4 年多 ,沒有發生影響運行的技術問題。2001 年Pirelli 公司北美分部制造了一組120m 、3 相、24kV2400A常溫絕緣高溫超導電纜,但在鋪設安裝時操作失誤, 使其中兩根電纜的絕熱部分遭到嚴重損壞,已無法并網運行 ,在超導電纜技術發展史上記上了一筆沉痛的教訓。早在 20 世紀 90 年代美國能源部就認為超導電力技術是21 世紀電力工業惟一的高技術儲備。近來 ,

16、美國能源部提出了 2030 美國國家電網的設想。在這個設想中,到 2030 年 ,美國將使用超導電纜建成國家電網的骨干網架。美國聯邦政府和一些州政府對發展超導電纜技術在政策、資金上給予積極有力的支持。目前,美國有 3 個更大規模的高溫超導電纜工程正在進行中。它們分別是由 Southwire公司牽頭的俄亥俄州哥倫布市 1000 英尺超導電纜系統、 由 AmericanSuperconductor公司牽頭的紐約州長島地區2000英尺超導電纜系統 ,法國 Nexans 公司參與了該項目 ,由 IGC 公司牽頭的紐約州奧伯尼市350m超導電纜系統及日本住友電氣公司是該項目的合作者。日本新能源開發機構認

17、為,發展高溫超導技術是在21 世紀國際高技術競爭中保持尖端優勢的關鍵所在。在日本政府組織的新能源機構的協調下,有多家大公司、院校和科研院所從事高溫超導電纜的開發研制, 如東京電力公司、古河電工、住友電氣和富士公司等。在有關研發項目中,政府機構都有相當大的資金支持。他們在已完成的高溫超導電纜導體和模型電纜研制和試驗基礎上,將主要工作集中在低損耗 HTS 線材及電纜結構 ,低溫電氣絕緣、 熱絕緣、制冷系統、 終端和接頭技術等方面。 2002年住友電氣和東京電力公司合作完成了一組100m 、3 相、66kV1kA 熏 3芯平行軸電纜系統 , 并在東京電力實驗場完成了測試。目前 ,古河電工與日本電力工

18、業中心研究所等合作完成了一組500m 、單相、 77kV1kA超導電纜系統 ,并已開始一系列的低溫測試。在丹麥能源部的組織下,由 NKT 公司牽頭 ,DTU 、 Ris 國家實驗室、 DEFU 、 EltraElkraft 公司和哥本哈根能源公司等積極進行高溫超導電纜的研發。政府通過減免有關公司部分所得稅的方式 ,對相關項目給予支持。2001 年 5月 28 日 ,丹麥 NKT 公司宣布 ,其 30m長,30kV2kA熱絕緣結構實用化高溫超導電纜順利實現掛網運行。此項目的根本目的是在實際使用的電網中演示高溫超導電纜系統的性能 ,收集高溫超導電纜系統安裝運行的經驗數據。德國Siemens公司一直

19、密切關注著高溫超導電纜的研究開發。該公司技術部和能源輸送部合作,于 1996年 3 月開始試制第一個10m電纜樣品 ,之后研制了多個超導電纜樣品。為了400MVA超導電纜研制和超導電纜工業化生產的前期驗證需要,又制造了一條 50m 長單芯電纜導體。1998 年,Siemens 公司能源輸送部被意大利Pirelli 公司并購 ,其電纜研究工作目前仍在繼續 ,開發了 110kV400MVA冷絕緣單相交流電力模型電纜系統,在 1999 年完成電纜終端的低溫和高壓試驗后 ,整個 110kV400MVA冷絕緣高溫超導單相交流電纜模型系統將進行長期綜合性能試驗。韓國在超導電纜技術開發方面雖然起步較晚,但是

20、其政府于2001年制定了超導技術電力應用的10年規劃 ,其中超導電纜技術的研究和推動占據了重要的位置。在政府的支持下,LG電纜公司投入了大量的人力、物力、財力參與了超導電纜技術的研發。今年其30m 、 3相、 22.9kV1.25kA 超導電纜系統將完成制造并投入測試。從 20世紀 90 年代中期開始 , 我國開始高溫超導電纜技術的研究,但無論從投入的資金,還是從階段性成果的水平看,與美國、日本等發達工業國家相比都有很大差距。我國高溫超導電纜技術的早期研究工作.主要在中科院電工研究所進行。1998 年底電工所研制了1m 、 1kA級 Bi 系高溫超導電纜導體模型。 2000年 12 月 1 日

21、,完成了 6m 、2kA級高溫超導電力電纜導體模型的研制,電纜的臨界電流達到 2480A 。 2001年 9 月,北京云電英納超導電纜公司啟動了我國第一組實用30m 、3相、 35kV2kA超導電纜項目。這個項目由云南電力集團公司投資 ,并得到北京市、云南省和國家科技部“863 ”計劃的大力支持。這組目前已在昆明普吉變電站并網試運行的超導電纜系統是世界上第三組并網運行的高溫超導電纜系統,在重要性能指標方面優于目前已經投運的美國Southwire公司和丹麥NKT 公司的兩組電纜系統。這個項目的完成大大縮小了我國與發達工業國家在高溫超導電纜技術上的差距。四、高溫超導電纜的應用前景與常規電纜相比,高

22、溫超導電纜具有以下幾方面優勢:1.損耗低。 高溫超導電纜的導體損耗不足常規電纜的110, 加上制冷的能量損耗 ,其運行總損耗也僅為常規電纜的50% 60%;2. 容量大、體積小。同樣截面的高溫超導電纜的電流輸送能力是常規電纜的 3 5倍;3. 無污染。高溫超導電纜沒有造成環境污染的可能性,而充油常規電纜存在著漏油污染環境的危險。另外, 高溫超導電纜也具有使用超導電纜還可以節約輸電系統的占地面積和空間,節省大量寶貴的土地資源 ,并保護了生態環境。做為21 世紀電力輸送的新材料,超導電纜在我國有著巨大的市場需求 ,我國將成為全球最大的超導電纜市場。從國家的長遠經濟戰略考慮,我國現在就應加大發展超導

23、電纜技術的推動力度 ,掌握制造和運行超導電纜的先進技術。只有這樣 ,我們才能不僅成為超導電纜的最大市場,而且成為超導電纜的主要生產國。五、制約高溫超導電纜應用的瓶頸目前,阻礙超導電纜商業性應用的主要因素是制造成本昂貴。 在我國制造等級為35 110kV,1 10kA 的超導電纜的成本 (部分材料進口 )為人民幣1.5 2 萬元 kA m ?，F在市場上交聯聚乙烯常規電纜的價格為0.06 0.08萬元 kA m 。與常規電纜相比 ,在現階段超導電纜的價格是交聯聚乙烯常規電纜價格的25倍左右。在形成批量生產并使材料實現完全國產化 (需 35 年時間 ) 后,超導電纜的成本可降低為0.8 1.0萬元

24、kA m, 但仍然比常規電纜高出 10 倍以上。所以使用超導電纜的初期投資是巨大的。超導電纜運行的主要成本是其低溫系統制冷機和輸送泵的用電消耗。在目前短距離 (幾百米以內 )的實驗性線路中,用電消耗還會大于其可節省的線損。但當輸電距離增長時,低溫系統的用電消耗就會大大小于其可節省的線損,產生節能的經濟效益。為了減少電能在輸送過程中的損失, 目前在長距離輸電時采用超高壓線路。超高壓線路對輸電塔的絕緣瓷瓶和對空間使用有很苛刻的要求,尤其是對線路終端附件的材料和制作技術要求更高,有的還必須進口 , 這些都大大提高了超高壓線路的建設成本。在同樣傳輸容量的需求下 ,因超導電纜可以在比常規電纜損耗小的前提

25、下傳輸數倍電流, 傳輸電壓就可以降低 12 個等級 ,從而減少在超高壓設備方面的開支。這在一定程度上彌補了超導電纜自身價格高的弱點。在選用電力設備時 ,電網的安全性是需要首先考慮的主要因素之一。超導電纜的終端在結構上比常規電纜復雜 ,加上常規電纜所沒有的制冷低溫設備,在可靠性和安全性方面就需要更周密的考慮。配備完善的監控保護系統是確保超導電纜安全運行的必要措施。在傳感器技術、自動控制技術和計算機網絡技術已經高度發達的今天 ,超導電纜運行安全和可靠性是有保證的。因目前世界上還沒有長距離的超導電纜并入電網運行熏所以超導電纜對電網運行穩定性的影響還無法通過實驗來檢測。從美國Southwire公司和丹

26、麥 NKT公司的 30m 電纜幾年來的運行情況來看 ,超導電纜沒有對與其相關的輸電線路的穩定性產生任何不利影響。如果從超導電纜容量大、損耗低和可以減少對超高壓的依賴基本特征考慮,超導電纜的應用將提高電網的運行穩定性。近來美國電力研究院的一些資深專家提出建立全國超導輸電骨架網絡,其主要目的之一就是增強電網的可靠性和穩定性。 超導電纜技術是一項先進的高新技術,但同時又依賴于許多傳統工業技術, 是超導材.料、機械制造、低溫制冷、真空絕熱、電氣工程、自動控制等多學科的集成。我國發展超導電纜技術目前在制冷設備制造及電氣絕緣材料方面還需要一個較大的技術提升。由于目前高溫超導電纜的造價還很高,高溫超導電纜輸

27、電線路的初投資規模巨大, 加上高溫超導電纜的工業化生產能力還不高,所以高溫超導電纜的大規模應用還需 10 年或更長的時間。但在以下幾方面,高溫超導電纜有可能很快顯示出優勢, 并在近期得到應用 :1.城市密集居住區 , 摩天大廈 ,常規電纜容量不夠 ,沒有更大電纜的空間;2. 金屬冶煉設備等大電流、短距離、小空間的應用中 ;3.電站或變電站內大電流傳輸母線鴉4.電力需求迅猛發展的大城市,要求的供電容量不斷擴大 ,由于城市的擁擠和開挖成本高昂,無法擴大電纜鋪設范圍,借助超導電纜 ,可以在原有的管道內更換 ,使供電容量提高 3 5 倍。新材料超導電纜技術的發展及應用前景 信贏 $ 北京云電英納超導電

28、纜有限公司本文回顧了超導電纜技術發展的歷史,介紹了目前世界上主要的超導電纜項目,對超導電纜的制造成本和運行費用進行了評估 ,并探討了高溫超導電纜在我國的應用前景。中國超導電纜項目計劃概述1. 白銀超導變電站超導電纜項目：中科院電工研究所與甘肅廠通電纜科技股份有限公司等單位合作，研究開發出一條三相 75m ，10.5kV ，1.5kA 的高溫超導電纜。2. 河南中孚電解鋁廠超導電纜項目：中科院電工研究所與河南中孚實業電解鋁廠合作，承擔國家863 計劃“超導技術在電解鋁工業中的應用研究”，研制一條380m 高溫超導直流輸電電纜。3. 云南普吉電站超導電纜項目：北京云電英納超導電纜有限公司同云南電網公司等國家公司合作，研究開發了一條