基于高溫超導(dǎo)體的輸電電纜設(shè)計

李明澤

摘 要：我國的西部電力資源豐富，而東部用電量比較大，所以造成了中國的電力地區(qū)分布不均的情況出現(xiàn)，而利用超導(dǎo)技術(shù)進行電力傳輸具有無損耗運輸電流的性質(zhì)，可以顯著減小損耗，并且還有載流量大和體積小的優(yōu)點，所以超導(dǎo)輸電技術(shù)是一個非常有效的解決大功率、長距離、低損耗的輸電途徑。高溫超導(dǎo)輸電這種具有很多優(yōu)勢的的輸電方式，是21世紀(jì)輸電發(fā)展的一個重要的方向。世界發(fā)達國家在90年代已相繼開始高溫超導(dǎo)電纜的研究，以期能實現(xiàn)大容量、遠距離輸送。本文在總結(jié)借鑒國內(nèi)外先進電纜設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了新的超導(dǎo)電纜設(shè)計思路，可實現(xiàn)更廣用途、更大容量、更低損耗、更遠距離傳輸。

關(guān)鍵詞：高溫超導(dǎo)體；電纜設(shè)計；高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用

中圖分類號：TM249.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0152-02

當(dāng)今社會，中國發(fā)展進入快車道，快速的經(jīng)濟發(fā)展離不開電力的支撐，但我國電力負荷很不均衡，是東部地區(qū)用電量極大卻能源短缺，而西部地區(qū)用電量遠不如東部，但西部卻有豐富的風(fēng)能、水能、太陽能等自然能源，電力資源豐厚。因此對西部能源的開發(fā)利用支持中東部發(fā)展變得極為重要。國家電網(wǎng)在“十二五”發(fā)展計劃中，提出“西電東輸”方案，闡明將發(fā)展特高壓交直流輸電作為我們的重要使命，超導(dǎo)輸電的發(fā)展刻不容緩。

相較于傳統(tǒng)的高壓交變電流輸送，使用高溫超導(dǎo)材料輸送電能可以避免因電阻損耗、電磁阻尼等引起的能量損耗，因此將高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)投入實際勢在必行。本文將從高溫超導(dǎo)體的原理介紹與輸電特性出發(fā)，探討高溫超導(dǎo)體制作輸電電纜的可能性，并提出一種電纜設(shè)計，最后對于我國的電力輸送進行展望。

1 高溫超導(dǎo)電纜的特性和原理介紹以及對于輸電的潛力

自荷蘭科學(xué)家卡麥林·昂尼斯在100年前發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體后，超導(dǎo)體的重大應(yīng)用價值引起世界各國極大重視，相繼投入開始高溫超導(dǎo)體的研究。二十世紀(jì)后期，發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)的高臨界溫度超導(dǎo)體之后，高溫超導(dǎo)材料的制備技術(shù)取得重大突破，使得長距離使用超導(dǎo)電纜進行輸電的設(shè)想成為可能。

高溫超導(dǎo)材料的臨界參數(shù)有三個，分別是臨界溫度、臨界磁場和臨界電流。最初發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料臨界溫度極低，只有通過液氦進行降溫才能達到，液氦的成本過高，不具有實用性。但高溫超導(dǎo)體只需溫度達到77K時就有超導(dǎo)的能力，在相對低廉的液氮的冷卻下就可以達到目的，因而有廣泛的應(yīng)用意義。

綜合來看，高溫超導(dǎo)電纜存在五方面優(yōu)點：（1）較低的線路耗損。經(jīng)實驗室研究，高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)體的輸電耗損還不到常規(guī)銅制電纜的10%，運行中的能量消耗不足常規(guī)電纜的50%，尤其是直流輸電時候，耗損達到了非常低的量級；（2）輸送容量大。截面電流的輸送能力是常規(guī)電纜的3到5倍；（3）過載電流大。在短時間能耐受短路電流，允許過載周期較長，系統(tǒng)穩(wěn)定性高；（4）雜散電場和磁場少；（5）送電通道小，結(jié)構(gòu)緊湊。

總體來看，超導(dǎo)電纜具有的低線路損耗、大截流能力和小電纜體積等優(yōu)點，能夠滿足電壓不用太高，線損卻可以大大減少的長距離大容量的電能輸送問題，從根本上解決“西電東輸”中遇到的困難。

2 高溫超導(dǎo)輸電電纜的現(xiàn)狀

根據(jù)超導(dǎo)材料特性的差異，超導(dǎo)電纜可以分為低溫電纜和高溫電纜。低溫超導(dǎo)電纜一般才去的是NbTi/Cu或Nb3Sn/cu復(fù)合低溫超導(dǎo)線材的實現(xiàn)方法，臨界溫度分別為9.5K和18.1K，必須在液氦溫區(qū)下運行；高溫超導(dǎo)電纜一般采用BSSCO氧化物超導(dǎo)材料來實現(xiàn)輸電功能，臨界溫度約為110K，可以在液氮的制冷溫度下運行。液氮溫區(qū)的冷卻系統(tǒng)要比液氦溫區(qū)的簡單，所以高溫超導(dǎo)電纜應(yīng)用前景更加廣闊。

高溫超導(dǎo)電纜的主要結(jié)構(gòu)一般是由電纜本身、電纜控制終端和低溫制冷周邊構(gòu)成。電纜內(nèi)的導(dǎo)電的芯體、電絕緣外套和恒溫低溫管組成了電纜的本體部分，其中，在低溫恒溫管中，一般會安裝由超導(dǎo)線或超導(dǎo)帶繞制而成的線纜作為芯體的部分，而外部電源或用電設(shè)備通過電流引線與電纜的終端連接。常溫絕緣超導(dǎo)電纜的絕緣層和低溫絕緣超導(dǎo)電纜的絕緣層的位置往往不同，常溫的絕緣方式一般是在恒溫低溫管的外界和內(nèi)部的交界處設(shè)置絕緣材料。

現(xiàn)階段主流的電纜設(shè)計和電纜的材料選擇如圖1所示。

低溫區(qū)是由導(dǎo)體和絕緣層組成，結(jié)構(gòu)非常緊湊。在導(dǎo)體上纏繞的是低溫絕緣超導(dǎo)電纜的絕緣層。其中為了降低載流磁場的影響，在絕緣層外又覆蓋了屏蔽層，如圖2所示。

目前實用的高溫超導(dǎo)帶狀材料如下，它的主要結(jié)構(gòu)有四層：自上而下分別為YBCO、CeO2、YSZ、Y2O3。這種材料臨界溫度就在77K以上。

使用此實用的臨界電流密度最高達到1000000A /cm2，此電流是在臨界磁場為0T，臨界溫度為77K時候可以達到的。如此高的臨界電流密度相當(dāng)于現(xiàn)用輸電線的得最大電流密度的100倍以上，可以實現(xiàn)單向的大容量直流輸電，且相對來說質(zhì)量和體積都較小，到直流輸電時候電能損耗可以降到非常低的水平，維持液氮溫度造成的能量損失也常規(guī)損耗小得多，使得輸電能源消耗低，效率高?？偠灾c傳統(tǒng)輸電相比，高溫超導(dǎo)輸電的主要優(yōu)越性可歸納為：（1）容量大。超導(dǎo)輸電線路的傳輸容量比交流輸電大3～5倍，最高每線上負載的能量可以到達千萬千瓦的級別，直流輸電更可以到達億千瓦的界別級別，可以非常好的完成用電高峰下的輸電任務(wù)。（2）損耗低。進行交流輸電時，超導(dǎo)電纜的電能損耗不足現(xiàn)所用輸電電纜的1/10，而直流輸電時損耗更可以忽略不計。超導(dǎo)電纜所需的冷卻系統(tǒng)帶來的損耗，在較遠距離、大容量送電的情況下，輸電時總損耗是可以降低至使用一般電纜消耗的1/4到1/2。有數(shù)據(jù)表明，當(dāng)1000公里長的電纜的輸電功率在500萬千瓦時的時候，總功耗可以控制在在2%到3%之間，明顯小于用一般電纜的功耗。

3 現(xiàn)有的輸電電纜設(shè)計及其存在的局限性

目前也有多種關(guān)于高溫超導(dǎo)輸電纜的設(shè)計，但以目前實際來看難以用包管試的方法生產(chǎn)YBCO帶材，圓形的輸電線路生產(chǎn)技術(shù)難度高，暫無法用于西電東輸似的超長距離的輸電。而如果將導(dǎo)線設(shè)計為扁狀則可顯著降低生產(chǎn)難度，更加符合目前技術(shù)狀況，或許可以在西電東輸中使用。

4 對于長距離直線輸電和轉(zhuǎn)彎部分電纜的設(shè)計和構(gòu)想

下面是我對于該電纜高溫超導(dǎo)材料部分的初步設(shè)想：整個電纜由許多單位共同串聯(lián)組成，作為電纜導(dǎo)線的核心。圖中中間灰色部分為一個個扁帶狀的YBCO高溫超導(dǎo)材料。四周的白色部分為屏蔽層，同時也做輸電作用（只需在核心的外層使用），為了提高材料的利用可將材料堆積成正六邊形或正十二邊形等等，趨近于圓。一排排孔槽可由激光掃射加工制出（必須足夠光滑整齊），將相同對稱的屏蔽層板完全對稱重合中間形成的孔洞。兩個屏蔽層之間所形成的孔洞中灌入液氮冷卻。使之溫度降到臨界溫度以下，從而達到超導(dǎo)的條件。

因為灌輸液氮的孔徑小，液氮的流動成為問題，所以建議在海拔不同，有相對高度差的地方采用，而我國東西四大階梯獨特的地形擁有高地勢差的條件，恰好滿足這一特殊要求。采用這種設(shè)計可以充分利用地勢差的能量，為了使液氮流動更加順暢，還可以在電纜始端使用高塔進一步加大壓強，使流速更快，在一些中轉(zhuǎn)站同樣可以采取一些方式促進流速，使電纜溫度可以保持恒定低溫。

考慮到超低溫下材料的物理性質(zhì)的改變，尤其是采用此方法，不能使其自然彎曲，可以專門生產(chǎn)轉(zhuǎn)彎時的彎角設(shè)計如圖3所示。

需要指出的是，在生產(chǎn)時必須使材料間堆積極為密切，以保證電流的通路和冷卻效果的充分實現(xiàn)。

對于液氮的回收利用則在一個個中轉(zhuǎn)站進行，每隔較長距離后的中轉(zhuǎn)站接受上一個中轉(zhuǎn)站流過來的液氮重新壓縮冷卻后灌入下一節(jié)管道之中，最終全部匯集到東部地區(qū)的最末接收站之中，運用于其他事項或轉(zhuǎn)運回西部地區(qū)的發(fā)電廠。從長遠看最好是在發(fā)電廠周圍建一個冷凝站通過液化空氣同時制液氮和純氧，氧氣還可以用于醫(yī)療等行業(yè)，為西部提高醫(yī)療等方面做奠基。

在材料做好后在外層分別包上真空與特級絕熱材料、高溫超導(dǎo)屏蔽帶、電絕緣和絕緣護套成電纜。

5 結(jié)語

此設(shè)計可以盡可能的降低所需的技術(shù)難度，盡早的可以投入實際運用，同時對各部分能源都得到充分利用?？梢杂糜谖麟姈|輸，將西部充分的風(fēng)能資源利用起來，通過設(shè)計的長距離直線高溫超導(dǎo)材料輸電電纜將寶貴的電能輸送到東部，以緩解中國電能的能源問題。節(jié)能，不足需要改進（比如在堆疊的YBCO高溫超材料之間，并未找出合適的足夠薄的材料進行隔絕，也想不出彎角部分如何與直線部分如何完美對接）。

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