高温超导电缆技术及发展概述

与常规输电电缆相比,高温超导电缆具有容量大、损耗低等优势,是解决人类能源与环境危机中一项重要的技术之一。目前高温超导电缆虽然无法达到商业化水平,但其稳定性、可靠性和经济性正逐步得到提高,并有望在未来应用于实际电力传输中。叙述了高温超导电缆在国内外的发展状况;系统介绍了高温超导电缆技术以及其各主要组成部分的功能与结构,并列举实例对一些关键技术进行了详细介绍;最后提出了高温超导电缆技术的发展方向。     

二代高温超导电缆在电网中的应用前景

新能源变革背景下,超导输电技术将成为解决现有输电网络所面临挑战的主要方式之一。与传统电缆相比,超导电缆具有损耗低、容量大、重量轻、无火灾隐患和电磁污染等优点,为低损耗、大容量、高效率输电提供了有效途径。本文介绍了二代高温超导带材和电缆的基本结构及发展历程,结合目前的研究现状分析了二代高温超导电缆在输电系统中的应用前景。     

高温超导电缆在城市地下输电系统应用的可行性研究

大城市有可能最先采用商业化运行高温超导电缆 ,用于城市地下交流输电系统。其主要应用目标是用于地下电缆工程改造 ,利用现有排管以高温超导电缆取代现有的常导电缆 ,增加地下电缆传输容量以及采用高温超导电缆将巨大电能 (1GVA以上 )输入到城市负荷中心。采用常导电力电缆传输 1GVA以上的电能进入中心城区 ,输电电压一般要求为 5 0 0 k V。在城市中心区不可能建设 5 0 0 k V变电站。 5 0 0 k V电缆线路所需的 5 0 0 k V大长度电缆和相应附件 ,目前尚未研制开发。采用高温超导电缆将有可能降低输电电压等级 ,可以采用 2 2 0 k V高温超导电缆将 1GVA以上的电能输入到城市负荷中心 ,满足特大型城市负荷中心供电需求。采用 110 k V高温超导电缆 ,亦有可能传输 1GVA左右电能。本文通过对交流高温超导电缆系列设计计算对额定电压 35 k V、110 k V、2 2 0 k V的高温超导电缆 ,按不同传输电流 (或传输容量 ) ,以高温超导电缆的传输效率 (损耗与传输容量比 )、高温超导电缆外径限值和超导导体绕制结构限制条件 ,确定高温超导电缆适用性界定条件 ,提出城市地下输电、配电系统用高温超导电缆可行方案。     

高温超导电缆技术探讨与应用

如今，人们对电能品质、对环境和用电量都提出了更高的要求，但由于传统导体具有电阻及损耗．这使得当电力输送功率增大时，不得不采用提高电压和加大导线截面的方法。这意味着大大增加了技术难度和成本。将高温超导技术应用于电力系统，使电力传输过程中无电阻损耗或接近零损耗，节能意义重大；并且能以较低的电压传送更大的功率．从而达到高效、节能、环保等相关要求。介绍了市场上已经出现并可用来制造高温超导电缆的几种超导线材及其高温超导电缆技术，分析了不同种类的超导电缆的结构和特点，总结了计算高温超导电缆导体层电流分配和高温超导电缆运行损耗的方法、高温超导电缆的发展状况，展望了高温超导电缆在未来电力系统中的应用。     

高温超导输电电缆的研究情况

介绍了当今研制的无损耗,大容量高温超导输电电缆的结构和性能。综述了其终端设备及世界各国的研制情况,并提出目前高温超导输电电缆在实际应用中存在的问题。     

基于LabVIEW的高温超导电缆交流损耗测试系统设计

交流损耗是影响超导设备设计和运行的一个重要因素。为了研究冷绝缘高温超导电缆交流损耗的变化规律,提出了一种基于虚拟仪器(LabVIEW)的高温超导电缆交流损耗的测量方法,并搭建了交流损耗的测试系统。通过美国国家仪器公司的数据采集系统获取超导电缆内外导体层的端电压和各层电流信号,基于互相关算法求出每层端电压和电流信号的相位差,在消除接头电阻的影响后计算得到交流损耗。在50Hz和60Hz的情况下,测量了0.2m长、110kV/1.5kA的高温超导电缆模型样缆的交流损耗。结果表明在对数坐标下,交流损耗随传输电流增大而线性增大,将频率归一化后,不同频率下电缆的损耗曲线基本吻合,单位周期的交流损耗值相同。研究的结果对于高温超导电缆研究和应用具有一定的参考价值。     

高温超导输电电缆的现状与发展

超导输电电缆具有截流能力大、损耗低和体积小的优点,是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。文章概括介绍了高温超导电缆的结构、电缆的损耗、低温冷却系统,以及中国科学院电工研究所等单位研制的75 m长高温超导电缆。文中还简要提出了高温超导电缆的应用领域和前景。     

首条国产公里级高温超导电缆输电特性分析

针对大型城市用电需求不断增加导致的用电负荷密集与原有输电走廊狭小难扩展的矛盾,该文基于解析计算、数值计算和现场实测相结合的方法,以上海宝山城市工业园区启动的我国首条公里级高温超导电缆（35kV/2kA/1.15km）输电工程为计算对象,分析了超导电缆总体损耗及磁场特性,在线路回路数、输送容量、损耗、周围电磁环境影响方面与传统电缆及架空线路进行了深入比较。结果表明,超导电缆在解决电能大容量传输方面具有潜在的优势,输送容量120MVA分别需要超导电缆1回、常规电缆5回、架空线4回;在额定输送容量120MVA下,超导电缆总损耗分别为常规电缆、架空线的65.51%、28.92%;在传输电流2kA时的周围磁场分布,超导电缆、常规电缆、架空线外部最大磁场分别为0.25×10^-3、1.54、11.92mT。随着超导带材和制冷成本的降低,高温超导电缆具有广阔的实际应用前景。     

大城市输电系统采用高温超导电缆的可行性

大城市应用高温超导电缆主要用于地下电缆工程改造，利用现有排管取代现有的常导电缆，增加地下电缆传输容量以及将1GVA以上电能输入城市负荷中心。采用常导电力电缆传输1GVA以上的电能进入中心城区，输电电压一般要求为500kV，并需研制、开发500kV大长度电缆和相应附件。采用高温超导电缆有可能降低输电电压等级，以满足特大型城市负荷中心供电需求。通过对交流高温超导电缆系列计算．提出了城市输电系统采用220kV及以下电压等级的高温超导电缆，利用现有地下电缆工程设施增加传输容量以及代替常导电缆将1GVA以上电力传输进入中心城区的可行性。     

我国首套高温超导电缆并网运行情况

高温超导电缆具有传输容量大、损耗低、无污染、占地空间小等优点,有助于解决城市电网中日益增长的电力需求问题.近年来高温超导电缆技术在中国取得了巨大的发展,文中介绍了已于2004年5月在云南普吉变电站并网运行的我国首套高温超导电缆系统的运行情况,包括电缆系统参数、电缆本体、终端、冷却系统、监测与保护系统等.这套高温超导电缆系统的成功并网运行意味着中国的高温超导电缆技术已向工业化生产迈出了重要的一步.     

高温超导电缆的研发现状和发展趋势

与常规电缆相比,高温超导电缆具有体积小、重量轻、容量大、电流密度高、损耗低、环境友好等优势,为未来电网提供了一种新的电力传输方式。随着高温超导线材取得的重要研究进展,国际上相继开展了高温超导电缆的研发,已有多条超导电缆工程成功地进行了挂网示范运行。本文介绍高温超导电缆的研发进展情况,并简单对高温超导电缆的发展趋势和关键技术做出展望。     

应用第2代高温超导体的冷绝缘超导电缆输电导体层间均流技术

冷绝缘高温超导电缆的导电层一般设计为多层结构以满足大电流载流特性,但伴随层数的增加,超导体上的集肤效应会引起电缆输电导体各层电流分布不均匀的问题,从而造成电缆损耗增加和传输性能下降。采用基于动态惯性权重因子的粒子群优化算法,提出了电缆导体层电流层间均流优化的设计方法。应用第2代高温超导材料钇钡铜氧涂层导体,通过建立超导电缆的等效电路模型,考虑电场、磁场等约束因素,对一根1km长,110kV/3kA等级的冷绝缘高温超导电缆进行优化设计,获得了电缆本体结构参数及输电导体层和屏蔽层的电流分布。比较优化前后层电流的结果可知,优化后超导电缆各导体层电流与平均电流相比最大不平衡率小于3.5%,各屏蔽层电流达到均布,较好地实现了电缆各导体层电流均匀分布的优化目标。最后,超导模型样缆载流特性实验也验证了优化设计方法的有效性。     

An over‐current withstanding design of superconducting power cables

In a design of HTS power cables, the over‐current withstanding design is very important. In a conventional case, when one of the 2‐circuit power cables failed, the other cable should transport the previous total power continuously. If we adopt this idea also in case of superconducting power cables, the rating current should be decided carefully. In this paper, the authors show a fundamental idea for a short‐time withstanding over‐current design of HTS power cables. © 2002 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 141(2): 34–40, 2002; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10051     

高温超导线圈在工频交流下的失超判断

运行于电力系统中的超导电力装置可能会遭受交流过电流故障,从而导致超导态转变到常态(失超),因此检测失超是超导电力装置实际应用的重要基础。然而在交流工作条件下,超导线圈产生很大的电感电压,其幅值远大于超导线圈失超后的常态电阻电压,给失超判断带来困难。笔者应用超导线圈在交流下电感电压和电阻电压的相位变化关系原理,经过实验研究,提出了基于相位变化的超导线圈在交流下的失超判断方法,为超导线圈在交流下的失超检测提供了新的技术途径。     

海底超导电缆交流损耗的抗损伤特性研究

海上新能源发电的快速发展急需大容量高效率的海上电力传输网络与之匹配。为促进海底超导电缆的发展,需要研究局部损伤对超导电缆的影响,尤其是对其损耗特性的影响。这关系到损伤是否会导致损耗骤升而冷却系统无法及时排出多余热量,进而导致低温平衡被破坏,超导电缆无法继续工作,甚至发生进一步大范围损伤。基于陆上超导电缆建立了包含单层到多层电缆的物理模型,并使用有限元方法分析电缆的电流分布、内部磁场分布和输电损耗。通过比较损伤前后电缆损耗特性的变化,分析并总结得出了最适宜用于海底输电的超导电缆结构。结果表明,在单根带材损伤的情况下,一层和二层电缆的损耗大幅度提升,而六层电缆的损耗不到5%。因此六层电缆较为适应海底环境。     

高阻值合金基体材料对Bi-2223高温超导带材交流损耗影响的实验研究

飞速发展的高温超导材料的研究和制各，加速了高温超导材料在变压器、限流器、电缆、同步电机和储能磁体等方面的应用。影响高温超导材料应用的关键因素之一是它的交流损耗。在多芯高温超导带材中，交流损耗依赖于各种参数。其中，基体的有效电阻率对带材的交流损耗有重要影响。为了研究高阻值基体材料对带材交流损耗的影响，该文制各了6种具有不同阻值的基体材料的带材。在77K下，研究了高阻值基体材料对Bi-2223带的交流损耗的影响.结果发现，在较低频率下，通过引进高阻值基体材料，可有效地减少带材的交流外场损耗。同时也研究了高阻值基体材料电阻率对耦合损耗时间常数的影响。     

城市配电环网中的高温超导轻型直流联络线方案研究

为了阐明在城市配网中综合应用高温超导直流电缆与轻型直流输电技术构成闭环运行模式的方案的可行性及优势,建立了基于电力系统计算机辅助设计/电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC的系统仿真模型,并在此基础上仿真对于城市配网稳态与暂态特性的影响进行仿真,其中包括110 k V母线的电压幅值变化和110 k V变电站负荷的功率传输特性等。仿真结果表明,该方案不仅能够增加110 k V线路的供电冗余度,提升变电站110 k V母线的电压幅值,还能够在交流供电线路发生故障、故障被切除和系统恢复供电这一动态过程中,降低110 k V母线电压和负荷功率的振荡幅度和振荡时间。     

高温超导电力电缆的发展

通过与常规电缆的比较,概述了高温超导电力电缆的应用优势,并介绍了高温超导电力电缆的发展过程,尤其是阶段的最新进展,最后展望了其发展方向。