超導電纜會是電纜行業的未來方向嗎？
發布時間：
2023-12-18
超導電纜被稱為電氣連接領域的奇跡，目前正引發廣泛關注并成為熱門話題。特別是近期在常溫常壓條件下的超導體研究取得的突破，將引領新一輪的技術革命。隨著社會即將迎來全面電氣化的未來，提升城市電力供應量變得尤為迫切。電力作為主要能源來源，必須確保供電的可靠性達到100%。
超導電纜被稱為電氣連接領域的奇跡，目前正引發廣泛關注并成為熱門話題。特別是近期在常溫常壓條件下的超導體研究取得的突破，將引領新一輪的技術革命。隨著社會即將迎來全面電氣化的未來，提升城市電力供應量變得尤為迫切。電力作為主要能源來源，必須確保供電的可靠性達到100%。
為什么選擇超導體呢？
作為電氣連接領域的奇跡，超導電纜具有獨特的優勢，完美適應現代城市大容量電氣化項目的需求。首先，超導電纜可以承載極高的電流，其承載能力遠超傳統的銅或鋁電纜，這使得在較低電壓下傳輸和分配電力成為可能。這意味著在城市中心可以減少變電站的需要，從而大大節省成本。其次，超導體體積小，但可以傳輸巨大的功率。例如，一條直徑僅為17厘米的超導電纜就可以傳輸3.2吉瓦的功率，足以滿足一個大城市的用電需求。最后，超導電纜不會產生熱量，可以完全屏蔽電磁干擾，不會干擾城市中錯綜復雜的電力、電信和管網。
此外，超導體的效率也非常驚人。超導電纜在傳輸交流電時幾乎不會產生電阻，而在傳輸直流電時也不會有電阻，因此能量損失非常小。
2021年12月22日，世界首條35千伏公里級超導電纜在上海投運，標志著國內新型電力系統建設領域關鍵技術取得重大突破。
超導電纜簡介：
超導電纜是利用超導在其臨界溫度下成為超導態、電阻消失、損耗極微、電流密度高、能承載大電流的特點而設計制造的。其傳輸容量遠遠超過充油電纜，亦大于低溫電纜，可達10000MVA以上，是正在大力研究發展中的一種新型電纜。由于超導體的臨界溫度一般在20K以下，故超導電纜一般在4.2K的液氦中運行。
超導電纜的結構有剛性和可撓性兩種形式，纜芯分單芯和三芯。設計時須充分考慮其組成材料的膨脹系數，以免電纜因熱脹冷縮產生過大內應力而受損。
超導電纜是解決大容量、低損耗輸電的一個重要途徑，由于它的潛在優勢如此誘人，所以各國科技工作者為此正在進行大量的研制工作。
超導電纜分類：
1、超導電纜按采用超導材料不同分低溫超導電纜和高溫超導電纜。
低溫超導電纜的導電層是采用低溫超導線材，通常是NbTi/Cu或NbsSn/Cu復合超導線制成。由于NbTi的臨界溫度是9.5 K，NbsSn的臨界溫度是18.1 K，因此低溫超導電纜都必需在液氦溫區下運行。高溫超導電纜的導電層主要采用Bi2223帶材，它的臨界溫度約為110K，因此可以在液氮溫區下運行，其低溫結構相對低溫超導電纜要簡單。
2、超導電纜按其輸送電能形式不同有直流超導電纜和交流超導電纜。
直流超導電纜由于超導材料處在超導態時幾乎沒有電阻，輸電時只有電流引線和低溫制冷裝置有電能損耗。
交流超導輸電電纜由于超導體在通電運行時會產生交流損耗以及絕緣層介質損耗等，因此其熱損耗要比直流電纜大。
3、按絕緣方式不同，超導電纜還可分為常溫絕緣超導電纜和低溫絕緣超導電纜。
常溫絕緣超導電纜的電絕緣層是處在電纜低溫容器外的常溫區，它可以采用常規電纜的電絕緣材料和技術，低溫絕緣超導電纜的電絕緣層是直接纏包在導體上，并與導體一起處在低溫區，這樣電纜尺寸將更緊湊。為了防止電纜載流時產生磁場對周圍環境的影響，通常在絕緣層外還加有屏蔽層。
超導電纜組成：
超導電纜主要由電纜本體、終端以及低溫制冷裝置組成。
超導電纜本體包括電纜芯、電絕緣和低溫容器，電纜芯是由超導體組成，它裝在維持電纜芯所需低溫的低溫容器管中，低溫容器管兩端與終端相連。電纜芯的超導帶在終端通過電流引線與外部電源或負載相聯接。對高溫超導電纜，電纜芯是由繞在骨架上的多層高溫超導帶材組成，超導帶層間纏繞絕緣帶，以降低電纜因電磁耦合引起的交流損耗。電纜的低溫容器管采用具有高真空和超級絕熱的雙不銹鋼波紋管結構，這種結構保證了高溫超導電纜的柔性和保持夾層高真空度。對低溫絕緣電纜，電絕緣包在導體層外側，與導體層同處低溫環境中。對常溫絕緣電纜，電絕緣處在低溫容器外側，在絕緣層外再加電纜保護層。
終端是超導電纜與外部電氣部件連接的端口，同時也是電纜低溫部分與外部室溫的過渡段，因此終端要求有很好的熱絕緣，以保證超導電纜整體熱損耗最小。同時，低溫冷卻裝置還要通過終端冷卻超導電纜芯的超導帶材，保證超導體能在設計的運行溫度下運行。另外，由于超導電纜導體層將通過電流引線與外部高電壓母線連接，因此要求終端有相應的電絕緣水平。
超導電纜特點：
與常規電纜相比，超導電纜具有明顯的優勢，主要表現如下幾點。
1、超導電纜采用在液氮汽化溫度（約-196℃）下無電阻傳輸大電流，導體損耗不足常規電纜的十分之一，加上制冷的能量損耗，其運行總損耗也僅為常規電纜的50%～60%，因此損耗低、節省能源。
2、同樣截面超導電纜的電流輸送能力是常規電纜的3～5倍，所以使用超導電纜可以節約輸電系統的占地面積和空間，節省大量寶貴的土地資源。
3、具有同樣傳輸能力的超導電纜所使用的金屬和絕緣材料較少。
4、充油常規電纜存在漏油污染環境的危險，而超導電纜沒有造成環境污染的可能性。
5、超導電纜具有低噪聲的特性。
超導輸電技術在原理上是最理想的一種輸電技術，但由于其建造價格昂貴，且技術尚未成熟，它的廣泛應用還需要較長的時間。
超導電纜系統在滿足不斷增長的電力需求方面將發揮越來越重要的作用。除了滿足日益增長的超大電力需求之外，超導系統還將在提升城市電力網絡的恢復能力方面發揮關鍵作用。
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