超导电缆会是电缆行业的未来方向吗？

发布时间：

2023-12-18

超导电缆被称为电气连接领域的奇迹，目前正引发广泛关注并成为热门话题。特别是近期在常温常压条件下的超导体研究取得的突破，将引领新一轮的技术革命。随着社会即将迎来全面电气化的未来，提升城市电力供应量变得尤为迫切。电力作为主要能源来源，必须确保供电的可靠性达到100%。

超导电缆会是电缆行业的未来方向吗？

  超导电缆被称为电气连接领域的奇迹，目前正引发广泛关注并成为热门话题。特别是近期在常温常压条件下的超导体研究取得的突破，将引领新一轮的技术革命。随着社会即将迎来全面电气化的未来，提升城市电力供应量变得尤为迫切。电力作为主要能源来源，必须确保供电的可靠性达到100%。

  为什么选择超导体呢？

  作为电气连接领域的奇迹，超导电缆具有独特的优势，完美适应现代城市大容量电气化项目的需求。首先，超导电缆可以承载极高的电流，其承载能力远超传统的铜或铝电缆，这使得在较低电压下传输和分配电力成为可能。这意味着在城市中心可以减少变电站的需要，从而大大节省成本。其次，超导体体积小，但可以传输巨大的功率。例如，一条直径仅为17厘米的超导电缆就可以传输3.2吉瓦的功率，足以满足一个大城市的用电需求。最后，超导电缆不会产生热量，可以完全屏蔽电磁干扰，不会干扰城市中错综复杂的电力、电信和管网。

  此外，超导体的效率也非常惊人。超导电缆在传输交流电时几乎不会产生电阻，而在传输直流电时也不会有电阻，因此能量损失非常小。

  2021年12月22日，世界首条35千伏公里级超导电缆在上海投运，标志着国内新型电力系统建设领域关键技术取得重大突破。

  超导电缆简介：

  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。

  超导电缆分类：

  1、超导电缆按采用超导材料不同分低温超导电缆和高温超导电缆。

  低温超导电缆的导电层是采用低温超导线材，通常是NbTi/Cu或NbsSn/Cu复合超导线制成。由于NbTi的临界温度是9.5 K，NbsSn的临界温度是18.1 K，因此低温超导电缆都必需在液氦温区下运行。高温超导电缆的导电层主要采用Bi2223带材，它的临界温度约为110K，因此可以在液氮温区下运行，其低温结构相对低温超导电缆要简单。

  2、超导电缆按其输送电能形式不同有直流超导电缆和交流超导电缆。

  直流超导电缆由于超导材料处在超导态时几乎没有电阻，输电时只有电流引线和低温制冷装置有电能损耗。

  交流超导输电电缆由于超导体在通电运行时会产生交流损耗以及绝缘层介质损耗等，因此其热损耗要比直流电缆大。

  3、按绝缘方式不同，超导电缆还可分为常温绝缘超导电缆和低温绝缘超导电缆。

  常温绝缘超导电缆的电绝缘层是处在电缆低温容器外的常温区，它可以采用常规电缆的电绝缘材料和技术，低温绝缘超导电缆的电绝缘层是直接缠包在导体上，并与导体一起处在低温区，这样电缆尺寸将更紧凑。为了防止电缆载流时产生磁场对周围环境的影响，通常在绝缘层外还加有屏蔽层。

  超导电缆组成：

  超导电缆主要由电缆本体、终端以及低温制冷装置组成。

  超导电缆本体包括电缆芯、电绝缘和低温容器，电缆芯是由超导体组成，它装在维持电缆芯所需低温的低温容器管中，低温容器管两端与终端相连。电缆芯的超导带在终端通过电流引线与外部电源或负载相联接。对高温超导电缆，电缆芯是由绕在骨架上的多层高温超导带材组成，超导带层间缠绕绝缘带，以降低电缆因电磁耦合引起的交流损耗。电缆的低温容器管采用具有高真空和超级绝热的双不锈钢波纹管结构，这种结构保证了高温超导电缆的柔性和保持夹层高真空度。对低温绝缘电缆，电绝缘包在导体层外侧，与导体层同处低温环境中。对常温绝缘电缆，电绝缘处在低温容器外侧，在绝缘层外再加电缆保护层。

  终端是超导电缆与外部电气部件连接的端口，同时也是电缆低温部分与外部室温的过渡段，因此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，低温冷却装置还要通过终端冷却超导电缆芯的超导带材，保证超导体能在设计的运行温度下运行。另外，由于超导电缆导体层将通过电流引线与外部高电压母线连接，因此要求终端有相应的电绝缘水平。

  超导电缆特点：

  与常规电缆相比，超导电缆具有明显的优势，主要表现如下几点。

  1、超导电缆采用在液氮汽化温度（约-196℃）下无电阻传输大电流，导体损耗不足常规电缆的十分之一，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%，因此损耗低、节省能源。

  2、同样截面超导电缆的电流输送能力是常规电缆的3～5倍，所以使用超导电缆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。

  3、具有同样传输能力的超导电缆所使用的金属和绝缘材料较少。

  4、充油常规电缆存在漏油污染环境的危险，而超导电缆没有造成环境污染的可能性。

  5、超导电缆具有低噪声的特性。

  超导输电技术在原理上是最理想的一种输电技术，但由于其建造价格昂贵，且技术尚未成熟，它的广泛应用还需要较长的时间。

  超导电缆系统在满足不断增长的电力需求方面将发挥越来越重要的作用。除了满足日益增长的超大电力需求之外，超导系统还将在提升城市电力网络的恢复能力方面发挥关键作用。