高溫超導(dǎo)電纜研究與應(yīng)用新進(jìn)展

宗曦華，魏 東

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

超導(dǎo)電力技術(shù)將是21世紀(jì)具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的一種高新技術(shù)，世界各國(guó)都一直重視超導(dǎo)技術(shù)的研究。超導(dǎo)電力技術(shù)涉及多學(xué)科、多技術(shù)領(lǐng)域，其應(yīng)用主要包括輸電電纜、超導(dǎo)故障電流限制器、變壓器、超導(dǎo)儲(chǔ)能以及電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等在內(nèi)的一系列高溫超導(dǎo)產(chǎn)品。超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用，將對(duì)提高電網(wǎng)容量、電能質(zhì)量、供電可靠性和安全性具有重要意義，將對(duì)電力技術(shù)的發(fā)展、智能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響［1］。

隨著高溫超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展，超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展也日趨加速。美國(guó)、日本、韓國(guó)以及歐洲一些主要工業(yè)國(guó)家都以極大的熱情，投入了大量資金，積極開展超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究工作，并且已在超導(dǎo)電力設(shè)備的實(shí)用化方面取得了相當(dāng)大的成果。圍繞高電壓、長(zhǎng)距離、大容量輸電的發(fā)展，正在世界范圍內(nèi)形成高溫超導(dǎo)輸電的熱潮。

近年來(lái)，我國(guó)也在超導(dǎo)電力應(yīng)用方面做了大量的研究工作，高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)變壓器、高溫超導(dǎo)故障電流限制器等產(chǎn)品也已取得較大的進(jìn)展，其中一些項(xiàng)目正在或已經(jīng)進(jìn)行示范運(yùn)行工作，為我國(guó)超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

本文將主要介紹近年來(lái)世界各國(guó)在超導(dǎo)電纜方面所開展的相關(guān)研究和進(jìn)展新情況，以供參考。

1 超導(dǎo)電纜發(fā)展歷程

國(guó)際上關(guān)于高溫超導(dǎo)電纜的研究，大體可以分為三個(gè)階段。

1.1 高溫超導(dǎo)電纜的初步探索

從上個(gè)世紀(jì)80年代開始，隨著BSCCO 高溫超導(dǎo)帶材技術(shù)的發(fā)展，開始出現(xiàn)對(duì)高溫超導(dǎo)電纜的研究。研究的主要內(nèi)容包括:對(duì)超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)的研究，其中包括室溫絕緣(Warm Dielectric，簡(jiǎn)稱WD)高溫超導(dǎo)電纜、低溫絕緣(Cold Dielectric，簡(jiǎn)稱CD)高溫超導(dǎo)電纜、三相同軸結(jié)構(gòu)、三芯合一結(jié)構(gòu)等;對(duì)超導(dǎo)電纜的傳輸特性進(jìn)行研究;開展超導(dǎo)電纜電氣性能的研究等工作。

1.2 CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜的開發(fā)

1999年底，美國(guó)Southwire開發(fā)研制的30 m、三相、12.5 kV/1.25 kA冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜并網(wǎng)運(yùn)行，向高溫超導(dǎo)技術(shù)實(shí)用化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

在日本，以住友公司為例(同時(shí)開展研究的還有古河和東京電力公司)，1996年，研制出7 m單芯CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜(66 kV/1.4 kA)，到1999年，研制出第一根30 m長(zhǎng)單芯CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜(40 kV/1 kA)，2005年，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了500 m、66 kV CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜試驗(yàn)(super-ACE項(xiàng)目)。

1.3 CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范性工程研究

進(jìn)入到21世紀(jì)，美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家開始推進(jìn)高溫超導(dǎo)電纜示范性工程項(xiàng)目。日本住友公司從2002年開始，與美國(guó)Superpower合作開發(fā)Albany 350 m(34.5 kV/800 A)項(xiàng)目，到2006年完成。2004年住友公司與韓國(guó)KEPRI合作研發(fā)了一根100 m的(22.9 kV/1 250 A)CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目，2006年完成。2008年，美國(guó)AMSC公司與耐克森公司合作，在紐約長(zhǎng)島電力局成功完成高溫超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目，電纜的長(zhǎng)度為600 m，電壓等級(jí)為138 kV，最大電流可達(dá)到3 kA(見圖1)。

圖1 AMSC長(zhǎng)島示范項(xiàng)目

2 國(guó)外超導(dǎo)電纜研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上關(guān)于高溫超導(dǎo)電纜的發(fā)展正受到越來(lái)越多的關(guān)注，美國(guó)、日本、韓國(guó)等許多國(guó)家都在積極開展關(guān)于高溫超導(dǎo)電纜的相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)和示范運(yùn)行研究等工作。國(guó)際大電網(wǎng)也將超導(dǎo)電纜的相關(guān)工作提上議事日程。國(guó)際上正在計(jì)劃開展或正在進(jìn)行的主要研究開發(fā)工作包括:

荷蘭于2007年底啟動(dòng)了長(zhǎng)度達(dá)6 000 m、容量為50 kV/3 kA的三相交流高溫超導(dǎo)電纜的前期工作。

美國(guó)正在研制1 760 m長(zhǎng)、容量為13.8 kV/2 kA的三相交流高溫超導(dǎo)電纜，并將在新奧爾良市更換一段滿負(fù)荷運(yùn)行的地下常規(guī)電纜;美國(guó)AMSC已經(jīng)正式啟動(dòng)將三大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)完全互聯(lián)和可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的“Tres Amigas超級(jí)變電站”項(xiàng)目，采用高壓直流輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)，該項(xiàng)目將建成一個(gè)占地22.5平方英里、呈三角形互聯(lián)的可再生能源市場(chǎng)樞紐［2］。

韓國(guó)正在推動(dòng)現(xiàn)有電力傳輸網(wǎng)采用高溫超導(dǎo)電纜的進(jìn)程，預(yù)計(jì)在未來(lái)五年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)50 km高溫超導(dǎo)電纜在實(shí)際商業(yè)電網(wǎng)中的使用和服務(wù);2013年，LS電纜的22.9 kV級(jí)超導(dǎo)電纜在韓國(guó)首爾近郊成功應(yīng)用于實(shí)際線路系統(tǒng)。

國(guó)外關(guān)于超導(dǎo)電纜的研發(fā)和線路示范的大體情況如表1所示［3］。

3 國(guó)內(nèi)超導(dǎo)電纜研究現(xiàn)狀

2001年，云南電力公司與北京英納超導(dǎo)公司合資成立云電英納超導(dǎo)電纜公司，從事高溫超導(dǎo)電纜的研究開發(fā)，2004年完成了30 m長(zhǎng)、35kV/2kA、WD高溫超導(dǎo)交流電纜的開發(fā)，并將此超導(dǎo)電纜系統(tǒng)安裝在云南普吉變電站試驗(yàn)運(yùn)行(圖2)。

圖2 云電英納WD超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目

中國(guó)科學(xué)院電工研究所于2004年與甘肅長(zhǎng)通電纜公司等合作研制成功75 m、10.5 kV/1.5 kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜，并將其安裝在甘肅長(zhǎng)通電纜公司內(nèi)為車間供電運(yùn)行，2011年2月，該電纜在超導(dǎo)變電站中運(yùn)行。

2011年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所與河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司合作，在中孚鋁冶煉廠建成360 m長(zhǎng)、電流達(dá)10 kA的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，并于2012年9月投入示范運(yùn)行，2013年4月項(xiàng)目通過專家組驗(yàn)收。

上海電纜研究所自2003年開始進(jìn)行CD高溫超導(dǎo)電纜的研究開發(fā)項(xiàng)目，2011年初，以上海電纜研究所為主體的“CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)及電力應(yīng)用示范工程設(shè)計(jì)研究”項(xiàng)目通過驗(yàn)收，項(xiàng)目成功完成了30 m、35 kV/2 000 A的CD絕緣超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的研發(fā)，超導(dǎo)電纜系統(tǒng)順利通過型式試驗(yàn)(圖3)。目前，上海電纜研究所正在推進(jìn)第二代CD絕緣超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的示范工程項(xiàng)目。

另外，國(guó)家電網(wǎng)將在北京建設(shè)一條110 kV、1 km的CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范工程。結(jié)合工程的需要以及今后的發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)對(duì)CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)進(jìn)行了大量的深入研究工作。

表1 國(guó)外超導(dǎo)電纜項(xiàng)目概況

圖3 正在進(jìn)行試驗(yàn)的CD高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)其他一些企業(yè)和高校，也在超導(dǎo)電纜的研究和應(yīng)用方面開展了大量的工作，并卓有成效，極大地推動(dòng)了我國(guó)超導(dǎo)電纜的應(yīng)用進(jìn)程。

4 超導(dǎo)電纜的發(fā)展前景

關(guān)于超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)的“美國(guó)電網(wǎng)2030”計(jì)劃中，將超導(dǎo)電力技術(shù)放在一個(gè)十分重要的位置上，并計(jì)劃采用超導(dǎo)電力技術(shù)建設(shè)骨干電網(wǎng)。日本的新能源開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)則認(rèn)為發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是在2l世紀(jì)的高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中保持尖端優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在。業(yè)內(nèi)認(rèn)為:超導(dǎo)電力技術(shù)將是2l世紀(jì)具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)。

在我國(guó)，為滿足經(jīng)濟(jì)與社會(huì)迅速發(fā)展的實(shí)際需要，在今后相當(dāng)時(shí)期內(nèi)，電力系統(tǒng)仍將處于迅速發(fā)展的階段。預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)總裝機(jī)容量將達(dá)18.4億kW。就目前而言，高溫超導(dǎo)輸電尚未達(dá)到可規(guī)?；瘧?yīng)用的階段，但作為一種具有重大前景的新技術(shù)，大力推動(dòng)高溫超導(dǎo)輸電有關(guān)工作，發(fā)揮高溫超導(dǎo)輸電應(yīng)有的作用，并逐步在電網(wǎng)發(fā)展中得到應(yīng)用和推廣，將具有十分重要的意義［2］。

高溫超導(dǎo)電纜不僅具有容量大、損耗低、穩(wěn)定性較高等一系列重要的優(yōu)越性，對(duì)于采用某種特殊結(jié)構(gòu)的二代帶材高溫超導(dǎo)電纜，在電網(wǎng)故障階段還會(huì)起到故障電流限制器的作用，并完全具有“自愈”的功能。由這樣的超導(dǎo)電纜構(gòu)建的超導(dǎo)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將具有更高的可靠性(Super Safe Grid，簡(jiǎn)稱SSG，AMSC提供)。

在直流輸電方面，高溫超導(dǎo)電纜還有著一些特殊優(yōu)越性:容量可更大、損耗可更低、距離可更長(zhǎng)等。近些年來(lái)，超導(dǎo)直流輸電技術(shù)日益受到世界各國(guó)重視，美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家均在探索長(zhǎng)距離超導(dǎo)直流輸電的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用研究的深入以及二代超導(dǎo)帶材的性能不斷提高，高溫超導(dǎo)電纜在電力系統(tǒng)中將不斷得到應(yīng)用和推廣。世界各國(guó)都將超導(dǎo)電纜等電力應(yīng)用產(chǎn)品作為未來(lái)戰(zhàn)略產(chǎn)品和技術(shù)儲(chǔ)備而重點(diǎn)推進(jìn)。

在我國(guó)，盡管相關(guān)研究單位和企業(yè)在超導(dǎo)電纜研究領(lǐng)域做出了巨大努力，但整體技術(shù)水平與國(guó)外相比仍有差距，特別是工程化應(yīng)用方面的差距較大。我國(guó)應(yīng)該加速推進(jìn)超導(dǎo)電纜及其他超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)研究，積極研究和推廣超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)電力科技的發(fā)展。

［1］陳 中，肖立業(yè)，王海風(fēng).超導(dǎo)電力技術(shù)在未來(lái)智能電網(wǎng)應(yīng)用研究［J］.電工電能新技術(shù)，2010，29(1):49-53.

［2］嚴(yán)陸光，肖立業(yè)，林良真，等.大力發(fā)展高電壓、長(zhǎng)距離、大容量高溫超導(dǎo)輸電的建議［J］.電工電能新技術(shù)，2010，31(1):1-7.

［3］Ken-ichi Sato.Power cable related activities at sumitomo electric［C］//CIGRE Workshop on High Temperature Superconductors for Utility Applications，April 26，2013.