Page 8 - 电力与能源2024年第一期

2 杨舒婷，等：超导电缆的研究现状与前景分析

类，如图 1 所示。 般为多层结构。
（3）绝热层：通常由同轴双层金属波纹管套制
而成，两层波纹管之间抽成真空，并嵌有多层防辐
射金属箔。其主要功能是在低温环境下实现电缆
超导导体与外部环境的绝热，以确保超导导体的
安全运行。

（4）电气绝缘层：高温超导电缆按绝缘层类型
可以分成热绝缘和冷绝缘两种。热绝缘超导电缆
的电气绝缘层的结构和材料与常规电缆的电气绝
图 1 超导电缆的分类
缘层相同，位于绝热层外部；而冷绝缘超导电缆的
低温超导电缆的临界温度为4.2 K（－269.3 ℃），
电气绝缘层浸泡在液氮的低温环境中。
需要在昂贵的液氦环境中工作。由于其对制冷要
（5）电缆屏蔽层和保护层：电缆屏蔽层和保护
求极高，且超导材料昂贵，因此不适宜在工程实际
层的功能包括电磁屏蔽、短路保护以及物理和化
中应用，目前已被市场淘汰。高温超导电缆的临
学环境的保护等。
界温度在 80 K （－193.5 ℃）以上，可在液氮环境
现在应用最多的是三相同轴高温超导电缆，
中稳定运行，主要分为钇系和铋系超导带材，后文
其基本结构如图 2 所示。单相热绝缘高温超导电
所述的超导电缆均属于这一类。室温超导电缆是
缆、单相冷绝缘高温超导电缆、三相平行轴高温超
指能够在室温下运行、无需冷媒介质的完美超导
导电缆的基本结构可参见文献［6］。
体，目前还未发现。
热绝缘（WD）高温超导电缆的绝缘层处在电
缆低温容器外的常温区，可以采用常规电缆的电
绝缘材料和技术。冷绝缘高温（CD）超导电缆的
电绝缘层则是直接缠包在导体上，并与导体一起
处在低温区，这样电缆尺寸更为紧凑。
当采用直流超导电缆输电时，由于超导材料
处在超导态时几乎没有电阻，因此只有电流引线
和低温制冷装置有电能损耗。当采用交流超导电 图 2 三相同轴高温超导电缆基本结构

缆输电时，由于超导体在通电运行时会产生交流 1.3 超导电缆的技术优势
损耗以及绝缘层介质损耗等，因此其热损耗要比 （1）线路损耗低。在超导状态下的导体材料，
直流超导电缆大。 其直流电阻可达到零欧姆。在这种无电阻的状态
三相同轴超导电缆是指三相超导层沿着同一 下，即便考虑到电缆本身的磁滞、涡流损耗及制冷
个轴绕制，因此更加节约空间，整根电缆只用一个 系统的电能消耗，超导电缆的损耗相比常规电缆
屏蔽层，节省了材料。三相平行轴超导电缆是指 仍然可降低 30%～70%。

电缆的三相都包含在同一个绝热器和电缆外套 （2）输送容量大。超导电缆带材具有无电阻
内，各相的中心轴相互平行，共享同一低温环境。 和高临界电流密度的特点，极大地提升了能量与
1.2 超导电缆的结构 电流的传输能力。在相同电压等级下，交流超导
（1）内支撑芯：通常为罩有致密金属网的金属 电缆的传输容量可达到常规电缆的 2～5 倍，而直
波纹管，或一束铜绞线，其功能是作为超导带材排 流超导电缆的电能传输能力更强。
绕的基准支撑物。 （3）占地空间小。在相同的输送电压下，超导
（2）电缆导体：由高温超导带材绕制而成，一 电缆占用输电走廊的空间可以减少 1/3~1/2，这