高溫超導(dǎo)帶材制備技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了世界范圍內(nèi)超導(dǎo)輸電技術(shù)研究開(kāi)發(fā)熱潮。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)和韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)都相繼開(kāi)展了高溫超導(dǎo)電纜的研究，進(jìn)行了多組關(guān)于高溫超導(dǎo)電纜的研制及示范運(yùn)行等工作。2000年以來(lái)，關(guān)于高溫超導(dǎo)電纜研究的重點(diǎn)主要集中在交流輸電電纜上，電纜的主體絕緣也主要為冷絕緣的形式。目前，高溫超導(dǎo)電纜已基本完成實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，逐步開(kāi)始進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用。

對(duì)于傳統(tǒng)大型、高人口密度的都市區(qū)域，如金融、商業(yè)和政府中心等區(qū)域，其地下輸電密度極高。這些區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施均是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)施，電網(wǎng)中斷會(huì)對(duì)該區(qū)域和全國(guó)的經(jīng)濟(jì)和安全造成很大的沖擊。

超導(dǎo)電纜技術(shù)對(duì)這些問(wèn)題提供了完美的解決方案，這是世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家熱衷于超導(dǎo)電纜研究的主要原因。同時(shí)，近年來(lái)超導(dǎo)材料技術(shù)、制冷技術(shù)等配套技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)超導(dǎo)電纜的示范應(yīng)用研究起到了進(jìn)一步的促進(jìn)作用，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家均投入了大量資金，積極開(kāi)展超導(dǎo)電纜掛網(wǎng)示范研究，并取得了相當(dāng)大的成果。

我國(guó)早在20世紀(jì)70年代，上海電纜研究所等單位就開(kāi)展了低溫超導(dǎo)電纜研究，后因電纜技術(shù)成本太高導(dǎo)致項(xiàng)目擱淺。高溫超導(dǎo)材料技術(shù)的發(fā)展，大大降低了超導(dǎo)電纜的相關(guān)成本，超導(dǎo)電纜的研究再次得到了人們的高度關(guān)注。中國(guó)科學(xué)院電工研究所（以下簡(jiǎn)稱“中科院電工所”）、北京云電英納超導(dǎo)電纜公司（以下簡(jiǎn)稱“云電英納”）、北京有色金屬研究總院合作、上海電纜研究所等單位先后加入研究，取得了顯著的技術(shù)成果，為我國(guó)高溫超導(dǎo)電纜設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行積累了經(jīng)驗(yàn)。

一、高溫超導(dǎo)電纜的優(yōu)勢(shì)

和傳統(tǒng)電力電纜相比較，超導(dǎo)電纜具有損耗低、傳輸容量大、電纜體積小、系統(tǒng)安全穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜間相互電磁影響和熱場(chǎng)影響較低，具有穩(wěn)定的載流能力，在人口密集的大城市地下電纜系統(tǒng)或特定大容量輸電應(yīng)用中具有很大的發(fā)展前景。大城市的地下管網(wǎng)繁多，地下各類管（隧）道錯(cuò)綜復(fù)雜，電纜敷設(shè)的空間非常有限，采用傳統(tǒng)電纜安裝敷設(shè)的難度也越來(lái)越大，且安裝維護(hù)成本都將大幅提升。利用現(xiàn)有排管或電纜隧道，以高溫超導(dǎo)電纜取代現(xiàn)有的常規(guī)電纜，可以成倍提升地下電網(wǎng)輸電容量，很好地解決負(fù)荷的增長(zhǎng)和地下空間有限之間的矛盾。

損耗方面，傳統(tǒng)電纜輸電損耗主要為導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和屏蔽損耗。其中，對(duì)于一般陸地電纜，導(dǎo)體損耗約占傳輸損耗的95%。超導(dǎo)電纜的損耗主要包括：電纜導(dǎo)體交流損耗、電纜終端焦耳損耗、以及超導(dǎo)電纜絕熱管、電纜終端、制冷系統(tǒng)的漏熱損耗、液氮克服循環(huán)阻力的損耗等。在綜合考慮制冷系統(tǒng)效率的情況下，高溫超導(dǎo)電纜在傳輸相同容量的電能時(shí)，其運(yùn)行損耗約為常規(guī)電纜的50%～60%。

大電網(wǎng)的互聯(lián)是電力發(fā)展的趨勢(shì)。隨著各大電網(wǎng)互聯(lián)以及電力需求的增加，發(fā)生短路故障后系統(tǒng)的短路電流等級(jí)必將進(jìn)一步上升，如何很好地解決故障電流問(wèn)題越來(lái)越受到電力部門(mén)的關(guān)注。超導(dǎo)電纜輸電導(dǎo)體為超導(dǎo)材料，正常工作狀態(tài)下超導(dǎo)電纜的輸電密度較大且阻抗極低；在發(fā)生電網(wǎng)短路故障、傳輸電流大于超導(dǎo)材料臨界電流的情況下，超導(dǎo)材料失去超導(dǎo)能力，超導(dǎo)電纜的阻抗將遠(yuǎn)大于常規(guī)銅導(dǎo)體；當(dāng)故障排除后，超導(dǎo)電纜又將恢復(fù)其正常工作狀態(tài)下的超導(dǎo)能力。若采用一定結(jié)構(gòu)和工藝的高溫超導(dǎo)電纜替代傳統(tǒng)電纜，可以有效的降低電網(wǎng)故障電流等級(jí)，超導(dǎo)電纜限制故障電流的能力與電纜長(zhǎng)度成正比。因此大規(guī)模利用超導(dǎo)電纜組成的超導(dǎo)輸電網(wǎng)絡(luò)不僅可以提高電網(wǎng)的輸電容量，降低電網(wǎng)的傳輸損耗，還可以提高其內(nèi)在的故障電流限流能力，提高整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠水平。

在國(guó)際上，對(duì)于高溫超導(dǎo)電纜的研究發(fā)展進(jìn)程，到目前為止可以大體分為以下3個(gè)階段。第1個(gè)階段為高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)的初步探索。隨著鉍（Bi）系高溫超導(dǎo)帶材技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于高溫超導(dǎo)電纜的研究得到了廣泛的關(guān)注，研究的主要內(nèi)容有：對(duì)超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)的研究，包括室溫絕緣（Warm Dielectric，WD）高溫超導(dǎo)電纜、低溫絕緣（Cold Dielectric，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；開(kāi)展超導(dǎo)電纜電氣性能、傳輸特性等方面研究的工作。第2個(gè)階段為對(duì)未來(lái)可以真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜的研究開(kāi)發(fā)。1999年底，美國(guó)Southwire開(kāi)發(fā)研制的30m、三相、12.5kV/1.25kA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。第3個(gè)階段為CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范性工程項(xiàng)目研究。近10年來(lái)，美國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)、德國(guó)等國(guó)家相繼開(kāi)展了多個(gè)關(guān)于CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范性工程項(xiàng)目。

傳統(tǒng)電纜在運(yùn)行時(shí)，由于傳輸損耗產(chǎn)生的熱量直接散發(fā)到周邊環(huán)境，其載流能力對(duì)外部熱源非常敏感。一般環(huán)境溫度上升10℃，其載流能力將下降8%～10%。因此密集敷設(shè)將導(dǎo)致電纜相互加熱，載流能力急劇下降。據(jù)測(cè)算采用2×4排管、3×3排管和4×4排管密集敷設(shè)的傳統(tǒng)電纜，其載流能力將分別下降約20%、30%和40%。同時(shí)，由于傳統(tǒng)電纜采用可燃的有機(jī)材料作為主絕緣，若發(fā)生故障，極易引發(fā)火災(zāi)。CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜的最外層為復(fù)合真空絕熱層，具有良好的絕熱性能，電纜產(chǎn)生的熱量通過(guò)循環(huán)液氮帶走，因此超導(dǎo)電纜熱場(chǎng)相對(duì)獨(dú)立，電纜具有穩(wěn)定的載流能力。同時(shí)由于CD絕緣超導(dǎo)電纜良好的電磁屏蔽功能，理論上可完全屏蔽電纜導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，從而不會(huì)對(duì)環(huán)境造成電磁污染。由于這些優(yōu)點(diǎn)，超導(dǎo)電纜可以采用地下排管等較為密集的方式進(jìn)行敷設(shè)，不僅不會(huì)影響周邊電力設(shè)備的運(yùn)行，而且由于其采用了不可燃的液氮作為冷媒，也杜絕了火災(zāi)的危險(xiǎn)。

二、低溫絕緣超導(dǎo)電纜主要結(jié)構(gòu)類型

目前低溫絕緣超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)主要有單芯電纜、三芯電纜和三相同軸3種結(jié)構(gòu)（表1）。3種結(jié)構(gòu)的CD絕緣超導(dǎo)電纜各有特點(diǎn)，目前都有相應(yīng)的示范線路。

表1 ?CD絕緣超導(dǎo)電纜主要結(jié)構(gòu)類型及其特性

三、超導(dǎo)電纜發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

對(duì)于超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展及意義，“美國(guó)電網(wǎng)2030”計(jì)劃將超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)放在一個(gè)十分重要的位置上。日本的新能源開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)也認(rèn)為發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是在21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。《中國(guó)制造2025》關(guān)于“電力裝備”領(lǐng)域方面，明確指出“突破大功率電力電子器件、高溫超導(dǎo)材料等關(guān)鍵元器件和材料的制造及應(yīng)用技術(shù)，形成產(chǎn)業(yè)化能力。在中國(guó)《能源技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃（2016-2030年）》中將面向超導(dǎo)電力裝備的應(yīng)用型超導(dǎo)材料研究作為戰(zhàn)略方向，開(kāi)展高溫超導(dǎo)在超導(dǎo)電纜、變壓器、限流器、超導(dǎo)電機(jī)等領(lǐng)域的示范和應(yīng)用。

近年來(lái)，超導(dǎo)電纜研究繼續(xù)朝著實(shí)用化的方向發(fā)展，在前期眾多功能驗(yàn)證示范工程的基礎(chǔ)上，全球范圍內(nèi)先后涌現(xiàn)多個(gè)關(guān)于CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目。

在美國(guó)，2011年，AMSC等公司成功完成了美國(guó)能源部資助的Lipa二期項(xiàng)目，該項(xiàng)目在2008年完成的Lipa一期項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，用一根二代帶材制作的高溫超導(dǎo)電纜更換原有一代帶材制作的超導(dǎo)電纜，并深入地研究了超導(dǎo)故障維護(hù)技術(shù)、電纜接頭技術(shù)、熱收縮應(yīng)對(duì)技術(shù)、限流技術(shù)和高效制冷系統(tǒng)技術(shù)等專門(mén)針對(duì)工程化商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

美國(guó)紐約正在建設(shè)13.8kV/96MVA的Hydra超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目，由美國(guó)國(guó)土安全部、美國(guó)超導(dǎo)公司和Consolidated Edison共同出資開(kāi)發(fā)。該電纜采用AMSC公司的2代高溫超導(dǎo)帶材制作，安裝于地下電網(wǎng)，集成了限制故障電流功能，提升了電網(wǎng)的輸電容量，加強(qiáng)了電網(wǎng)安全性能和可靠性能。項(xiàng)目原計(jì)劃2010年完成，后因經(jīng)費(fèi)等方面的原因項(xiàng)目推遲。

在歐洲，2013年德國(guó)Essen市完成了Ampactiy三相同軸超導(dǎo)電纜項(xiàng)目，該項(xiàng)目在Essen市區(qū)安裝了一根10kV/2.4kA的三相同軸超導(dǎo)電纜，用于替換原有的110kV電纜。該超導(dǎo)電纜線路集成了電阻型超導(dǎo)故障電流限制器，線路于2014年4月開(kāi)始正式供電。

俄羅斯方面，聯(lián)邦電網(wǎng)公司（FGC）聯(lián)合格日查諾夫斯基能源研究所（ENIN）全俄電纜工業(yè)研究所（VNIIKP）、莫斯科航空研究所（(MAI）等單位進(jìn)行了高溫超導(dǎo)交流電纜和直流電纜的研究，計(jì)劃在莫斯科的迪納莫（Dynamo）變電站安裝一根200 m長(zhǎng)、20kV/1.5kA的交流超導(dǎo)電纜。另?yè)?jù)國(guó)際大電網(wǎng)2015年報(bào)告，俄羅斯計(jì)劃在圣彼得堡安裝一根20kV/2.5km的直流超導(dǎo)電纜系統(tǒng)。

丹麥Alliander能源公司、Ultera和代爾夫特理工大學(xué)（Delft University of Technology）計(jì)劃在Alliander的電網(wǎng)上安裝一根6km的三相同軸高溫超電纜，以此展示超導(dǎo)電纜在實(shí)際電網(wǎng)中的優(yōu)異性能。

在韓國(guó)，韓國(guó)電力公司（KEPCO）對(duì)高溫超導(dǎo)電纜在電網(wǎng)中的應(yīng)用有著濃厚的興趣，先后開(kāi)展了多個(gè)超導(dǎo)電纜研究和示范項(xiàng)目，自2005年就開(kāi)始了22.9kV超導(dǎo)電纜的測(cè)試研究。2008年在知識(shí)經(jīng)濟(jì)部（MKE）的資助下，啟動(dòng)了22.9kV超導(dǎo)電纜示范工程項(xiàng)目，于2010年底完成了一條410m、50MVA的超導(dǎo)電纜示范線路。線路由一根267m和一根150m的三芯超導(dǎo)電纜連接而成，其中在制作接頭時(shí)切除了7m，因此總長(zhǎng)410m。該線路安裝在利川變電站，2011年8月19號(hào)實(shí)現(xiàn)通電，韓國(guó)期望通過(guò)該線路對(duì)超導(dǎo)電纜的性價(jià)比進(jìn)行評(píng)估。2011年韓國(guó)又啟動(dòng)電纜濟(jì)州島超導(dǎo)電纜示范工程項(xiàng)目，進(jìn)行80kV直流超導(dǎo)電纜和154kV交流超導(dǎo)電纜的示范應(yīng)用，項(xiàng)目的電纜由LS電纜公司開(kāi)發(fā)，韓國(guó)電力技術(shù)研究所（KERI）負(fù)責(zé)超導(dǎo)電纜的系統(tǒng)研究。其中的80kV、500m、3125A超導(dǎo)直流電纜于2014年開(kāi)始運(yùn)行，154kV、1km、2250A交流超導(dǎo)電纜于2016年開(kāi)始運(yùn)行。

在日本，相關(guān)政府部門(mén)和企業(yè)對(duì)超導(dǎo)電纜進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，電纜電壓等級(jí)從低壓的1.5kV到目前全球超導(dǎo)電纜最高電壓等級(jí)記錄的275kV均有研究，其中影響力較大為日本橫濱超導(dǎo)電纜項(xiàng)目。該項(xiàng)目電纜采用電壓等級(jí)為66kV的三芯超導(dǎo)電纜，傳輸容量200MVA，長(zhǎng)度250m，是日本第1根實(shí)際掛網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)電纜。項(xiàng)目最早始于2007年，由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）和新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）資助，由東京電力公司（TEPCO）和住友電工（SEI）合作開(kāi)發(fā)。2009年完成30m電纜的性能評(píng)估，2010年完成電纜制作，2011年完成安裝，采用6臺(tái)斯特林制冷機(jī)制冷。在經(jīng)過(guò)一系列測(cè)試之后，于2012年10月在Asahi變電站正式掛網(wǎng)運(yùn)行。線路為70 000家用戶提供了一年多的無(wú)間斷供電。線路后續(xù)更換了前川（Mayekawa）的布雷頓循環(huán)制冷機(jī)，提高制冷系統(tǒng)制冷效率，進(jìn)一步提高電纜商業(yè)價(jià)值。

在國(guó)內(nèi)，中科院電工所、云電英納、上海電纜研究所、中國(guó)電力科學(xué)研究院等單位開(kāi)展了超導(dǎo)電纜的研發(fā)并取得了較大的成果。其中，上海電纜研究所2010年完成國(guó)內(nèi)首根30m、35kV/2kA CD絕緣超導(dǎo)電纜型式試驗(yàn)。之后在上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的支持下，開(kāi)展了寶鋼超導(dǎo)電纜示范工程研究項(xiàng)目，于2012年12月完成了35kV/2kA 50m超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的安裝、試驗(yàn)工作后通電運(yùn)行，為寶鋼二煉鋼電弧爐持續(xù)供電。該線路是我國(guó)首條掛網(wǎng)運(yùn)行的低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜[20]，也是目前世界上同等電壓等級(jí)中負(fù)載電流最大的CD絕緣超導(dǎo)電纜線路。

就目前而言，全球主要的超導(dǎo)電纜研究參與國(guó)家和地區(qū)均已完成了超導(dǎo)電纜的功能驗(yàn)證研究，雖然高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)尚未達(dá)到規(guī)?；瘧?yīng)用的階段，但大力推動(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，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。后續(xù)的研究重點(diǎn)將是進(jìn)一步提高超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的可靠性和性價(jià)比，早日實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電纜的產(chǎn)業(yè)化和工程化。

在超導(dǎo)電纜應(yīng)用前景和規(guī)模方面，超導(dǎo)電纜因?yàn)轶w積小、容量大、損耗低等優(yōu)勢(shì)，最有可能替代以交聯(lián)聚乙烯絕緣為代表的塑料絕緣電纜，成為主要的電力輸送設(shè)備。美國(guó)能源部等機(jī)構(gòu)均對(duì)超導(dǎo)電纜的應(yīng)用前景作出了積極的預(yù)測(cè)。在我國(guó)，電力電纜行業(yè)是僅此于汽車的第2大行業(yè)，被成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的神經(jīng)與血管。近些年來(lái)，中國(guó)電線電纜行業(yè)總規(guī)模、產(chǎn)量以及增長(zhǎng)速度在世界同行業(yè)中穩(wěn)居世界第1，對(duì)全球電線電纜行業(yè)具有重大的影響。2012年行業(yè)總產(chǎn)值約占全球市場(chǎng)1/3，超過(guò)12 000億元，2014年更是突破14 000億元。電力電纜是電線電纜5大領(lǐng)域中最大的一個(gè)領(lǐng)域，可見(jiàn)若超導(dǎo)電纜可以大規(guī)模替代傳統(tǒng)電力電纜的話，僅國(guó)內(nèi)市場(chǎng)就可達(dá)到千億級(jí)別的規(guī)模。

值得一提的是超導(dǎo)電纜研究的升溫，有力地帶動(dòng)了超導(dǎo)材料和制冷等相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前美國(guó)、日本、韓國(guó)和中國(guó)均有較為穩(wěn)定的第2代高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的商業(yè)供貨。日本在第1代鉍系超導(dǎo)帶材生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了加壓燒結(jié)的所謂第3代高溫超導(dǎo)帶材技術(shù)。就目前技術(shù)水平，其帶材單位價(jià)格（kA·m）要優(yōu)于二代超導(dǎo)帶材，但由于材料成本的差異，后者有著更大的成本降低空間。超導(dǎo)帶材技術(shù)和制冷等配套技術(shù)的進(jìn)步，反過(guò)來(lái)為提高超導(dǎo)電纜的商業(yè)應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支撐，進(jìn)一步提升了各國(guó)對(duì)超導(dǎo)電纜等超導(dǎo)應(yīng)用研究的熱情。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)十多年的努力，關(guān)于高溫超導(dǎo)電纜的功能驗(yàn)證型研究工作已基本完成，但超導(dǎo)電纜距離商業(yè)化推廣應(yīng)用仍有一定的距離，后續(xù)工作將致力于超導(dǎo)電纜系統(tǒng)性能提升，推進(jìn)超導(dǎo)電纜的產(chǎn)業(yè)化。其中最主要的研究方向有：①超導(dǎo)電纜系統(tǒng)安全、可靠性能研究；②超導(dǎo)電纜系統(tǒng)工程應(yīng)用技術(shù)研究；③應(yīng)用于超導(dǎo)電纜工程的大型制冷系統(tǒng)效率及可靠性提升研究；④超導(dǎo)電纜系統(tǒng)全壽命周期成本分析研究等。

?針對(duì)這些研究方向，一方面需要相關(guān)研究人員從電纜本身和相關(guān)配套技術(shù)等方面出發(fā)，系統(tǒng)深入地開(kāi)展研究工作；另一方面需要政府加大投入，對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和項(xiàng)目進(jìn)行扶持，同時(shí)需要電力部門(mén)和大型電力用戶積極參與，盡快開(kāi)展更大規(guī)模、更接近實(shí)際應(yīng)用的電纜示范工程項(xiàng)目，甚至商業(yè)試用型工程項(xiàng)目，共同推進(jìn)超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。

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