概述
超导电缆就是采用高温超导材料制作的电缆，与传统电缆相比，它具有书店过程中的能量损耗低、输送容量大、体积小、电磁污染少四大优点，在相同截面下，输电能力是常规电缆的许多倍。超导电缆是人类能够掌握的最具环保价值的缆线之一，也是提高电网安全性、可靠性、基本上杜绝火灾隐患的择优途径。
超导输电可采用交流或直流, 交流超导输电有微量的能量损耗。超导输电电缆适用于百万千伏级以上的远距离输送。目前, 利用液氮冷却的高温超导输电电缆在应用中已开始取代常用的输电电缆,以实现低价、大电力输电。此外, 利用高温超导体可引出大容量变电所的大电流, 不仅能提高变电所输电效率, 而且能使变电所出线自由度增加。
技术原理
（1）超导电缆：
超导电缆有两种类型: 内外冷却的圆筒型电缆和外冷式多芯型电缆。超导输电系统的主要部分包括超导电缆、低温冷却系统以及超导电缆的端头和套管等。
除了超导体外, 超导电缆的主要部分还应包括电绝缘和热绝缘。对电绝缘要求在低温下有足够的耐电强度, 极小的介质损耗, 并具有一定的柔软性。通常可采用真空、液氮浸渍的塑料薄膜带包绝缘, 亦可用液氮本身加上固体支撑作为电绝缘。为了防止周围环境的热量传入深冷下的电缆内部, 超导电缆包括其端头都应具有高绝热效能的热绝缘。一般可采用高真空、真空粉末或真空多层热绝缘结构。为了进一步降低辐射漏热, 可采用一个或多个屏蔽层, 一般用液氮冷却作为一个中间屏蔽层。
超导电缆的结构通常采用同轴方式, 由两个或多个超导同轴圆柱组成。如图2 所示为单回路三相(图a)以及双回路六相(图b)交流超导电缆的结构示意图,每相均由双层同轴超导体组成,中间设有电绝缘层。超导电缆采用同轴结构的原因在于要提高超导电缆的工作电流需采取措施屏蔽这些电流产生的磁场, 而同轴结构只在超导体层之间存在磁场。其次, 超导输电不要求很高的电压就可以传输很大的容量, 但交流超导输电受到静态稳定的限制, 同轴结构减小了线路的电感, 可以使静态稳定极限大幅度增加。
（2）超导变压器：
随着交流用超导线的开发, 超导变压器的研究迅速发展, 超导变压器与常规变压器相比, 不仅具有质量轻、运行更可靠、稳定性更高等优点, 而且还具有较高的效率, 目前效率已达到约99.6%。国外已试制出100 千伏安级变压器, 且正在试制1000 千伏安( 1 兆伏安) 级变压器。1997 年3 月, 国际电气工程企业ABB公司已成功地将世界首台高温超导配电变压器接入日内瓦的供电网。该三相变压器容量为630 千伏安, 其作用是把18.7 千伏的电压降至420 伏送入用户。
（3）超导发电机和电动机：
高温超导体大型交流发电机的效率可高达99.7%, 由于效率的提高, 发电能量消耗减少80%,发电成本降低60%。高温超导体大功率电动机的效率将从目前的75%195%提高到99%, 从而使电机耗电下降25%。
（4）超导故障电流限制器：
随着电力系统容量的日益增大, 电网故障短路电流也随之增加, 从而要求断路器开断容量相应增大, 而这将导致断路器的结构更加复杂, 价格更加昂贵。此外, 过大的系统故障短路电流流过发电机, 变压器等发输电设备, 将导致要对发电机、变压器等发输电设备, 按增高的故障短路电流水平进行设计, 使这些主设备的设计、制造技术更趋复杂, 价格更加昂贵。因此, 对于大容量, 或超大容量电力系统, 充分有效地限制故障短路电流是系统面临的实际问题。超导故障电流限制器正是解决此问题的最佳选择。从原理上区分, 可以有二种不同机制的超导故障电流限流器, 这也恰恰反映了超导体的两种电和磁的效应, 即零电阻效应和对磁道的屏蔽效应。零电阻效应的限流器是利用超导体的超导———正常态转变特性, 由零电阻迅速转变为高阻值, 从而降低系统的短路电流。磁通屏蔽效应的限流器是利用当系统正常运行时, 由超导体构成的封闭圆筒将常规铁芯线圈中绕组产生的磁通屏蔽出铁心区域, 这时铁芯线圈的阻抗仅由线圈绕组和超导圆筒之间的漏磁通确定, 其阻值甚小。当系统处于故障状态时, 故障电流的作用使超导圆筒的屏蔽电流增大, 使其转变为正常态而失去了对磁通的屏蔽作用。磁通进入铁芯区域, 使铁芯线圈的阻抗迅速增加, 从而限制了故障短路电流值。不管那种类型的超导限流器都能在几十微秒的时间里将故障短路电流限制在系统正常运行额定电流的两倍以内。
（5）可控超导储能装置：
超导储能的基本原理是对超导线圈通以直流从而将能量储存在线圈的磁场中。如果储能线圈是由常规导线绕制, 那么线圈所储存的磁能将不断地以热的方式损耗在导线的电阻上。由于超导体的直流电阻为零, 超导线圈中的能量会永久储存在其磁场中。将超导储能用于电力系统, 将提高输电线路稳定性和系统动态稳定性。提高输电能力, 对电网能量进行灵活控制, 增强调峰能力、改善供电质量等。
可控超导储能( SMES) 装置向电网吸收和释放能量都是直接的, 无需像电能“化学能或电能”机械能这样的能量转换, 这使得SMES 装置不仅具有很高的效率, 而且还能非常迅速地与电网进行能量交换, 其转换效率超过90%, 响应速度一般为毫秒数量级。同电池、飞轮等其它储能方式相比, SMES 装置还具有重复率高、无环境污染以及安全可靠等特点。
（6）高温超导电缆冷却系统：
低温技术是为超导技术应用提供最基本的运行条件,是超导电工装置的一个重要且不可分割的部分。目前高温超导电缆所采用的B i2223超导带材的临界温度为110 K,而目前正在发展的第2 代涂层YBCO带材的临界温度约为90 K,因此都可以采用液氮作为高温超导电缆的冷却剂。氮的液化技术成熟、价格低廉,同时由于氮是空气的主要成分,氮气的泄漏不会带来环境问题。
目前高温超导电缆大都采用过冷液氮循环迫流冷却方式,其基本原理是利用过冷液氮的显热,将高温超导电缆产生的热量带到冷却装置,通过液氮冷却装置冷却后,再将过冷液氮送到高温超导电缆中去,形成液氮在闭合回路的循环过程。冷却装置可以采用各种不同制冷方式,如常压液氮沸腾制冷方式、减压降温制冷方式、低温制冷机(如小型G - M制冷机、斯特林制冷机、逆布雷顿循环制冷机等)制冷方式等。
国内发展和应用现状
我国自“九五”以来即开展高温超导电缆的研究。1998年中国科学院电工研究所与西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院合作,成功研制了长1 m、1 000 A的高温超导直流输电电缆模型, 2000年又完成长6 m、2 000 A高温超导直流输电电缆的研制和实验。“十五”期间,在国家“863”计划的支持下,中国科学院电工研究所于2003 年研制出长10 m、10. 5 kV /1. 5 kA三相交流高温超导输电电缆。在此基础上, 2004年中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司等合作研制成功长75 m、10. 5 kV /1. 5 kA三相交流高温超导电缆,并安装在甘肃长通电缆公司为车间供电运行。2001年云南电力公司与北京英纳超导公司合资成立云电英纳超导电缆公司,从事高温超导电缆的研究开发, 2004年完成长30 m、35 kV /2 kA高温超导交流电缆的开发,安装在云南普吉变电站试验运行。
国外发展和应用现状
1993年美国能源部投入2000万美元，以推动超导企业实现超导电缆的实用化。后又向该计划增资了3700万元，并大力推动超导电力技术的革新。在此基础上，美国超导公司、底特律爱迪生电力公司和意大利皮热里电缆公司通力合作，于2001年5月实现了在底特律福瑞斯变电站地下铺设长360多米的超导电缆，这是世界上第一条投入使用的超导输电线路。
在超导方面，美国的HS超导公司取得了突破性的进展。在输电网方面，美国计划使用超导输电技术而并非特高电压输电技术，超越四个时区将全国主要电网连接起来，以提高电网的安全性和电力调配能力。
美国纽约长岛电力局（LIPA）与美国超导公司联合建设的世界上第一条高温超导（HTS）电缆已于2008年4月22日投入商业运行。该系统运行电压为138kV，由并行排列的3条独立单相HTS电缆组成，安装在LIPA的地下输电走廊内，由6个终端装置与LIPA电网相连。该条电缆长610米，用液氮冷却系统进行低温冷却，能为30万户家庭供电，其装机容量为600MW，属于长岛电力局电网的一部分。他们是与其同样粗细的铜导线输电能力的150倍。
2010年启动的曼哈顿电网升级改造，也将使用美国超导公司开发的液氮冷却系统和超导电缆，以实现纽约电力体系更可靠的运转。
供应商信息
美国HS超导公司
底特律爱迪生电力公司
意大利皮热里电缆系统公司
ABB公司：超导变压器、1.2MVA容量的高温超导故障电流限流器
美国低温磁公司：4KV/2.2KA,15KV/10.6KA,15KV/20KA 等一系列不同容量的高温超导故障电流限流器。
法国电力公司：63KV/1.25KA 容量的低温超导故障电流限流器
日本电力公司：6.6KV/2KA 的高温超导故障电流限流器
美国Southwire
丹麦NKT公司
美国Ultera、Super Power
住友电气公司、古河电气公司
中国科学院电工研究所
西北有色金属研究院
北京有色金属研究总院
经典案例
参考文献
[1] 李高明. 超导输电技术[J]. 湘电培训与教学，2007，（1）：37-40.
[2]余然.高温超导输电技术的应用[J].国际电力，2001，（1）：20-23.