中国第一组实用型超导电缆正式在昆明普吉变电站并网运行

昆雷

中国第一组实用型超导电缆正式在昆明普吉变电站并网运行
（自《云南电力新闻网》转载）
我国第一组、世界上第三组并网试运行的超导电缆于2004年4月19日在昆明普吉变电站投入运行，该组三相交流33.5米35kV/2kA超导电缆系统两个月来经受了多种气象条件的考验，运行状态良好。该超导电缆是应用国产超导线材研制而成的，其部分性能指标优于目前已经并网运行的美国和丹麦的高温超导电缆。
      2004年7月10日由国家科技部、北京市政府、云南省政府及云南电力集团公司在昆明普吉变电站举行我国第一组超导电缆系统正式并网仪式。这标志着继美国、丹麦之后，我国成为世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家，标志着我国高温超导电缆技术从成果到产业化取得了新的重大突破，成为在国家科技部和北京市政府和云南省政府的共同支持下，以企业为主导，联合国内多家一流科研院校，进行跨地区的资源整合，组织实施重大科技项目的典范，昆明市西北地区的几万户居民和多个工业企业开始用上了通过超导电缆传输的电力。
   1. 项目概况
     发展具有产业化前景的超导电缆技术是国家十五期间“863”计划新材料领域超导材料与技术专项的重点课题之一。云南电力集团秉承“敢为天下先”理念，全面推进科技兴电战略，与北京英纳超导技术有限公司携手合作，组建了北京云电英纳超导电缆有限公司，投资立项研制中国第一组超导电缆系统。北京市政府在组织实施首都二四八重大创新工程中非常重视超导技术产业化工作，北京市科委充分利用首都的科技资源，在可行性论证的基础上于2001年9月项，将其列入北京市重大科技项目，给予强有力的支持。云南省科技厅与清华大学也十分重视该项目,将其列为云南省与清华大学省校合作项目予以支持。
     超导电缆技术是一项先进的高新技术，是超导材料、机械制造、低温制冷、真空绝热、电气工程、自动控制等多学科的集成。基于我国目前的经济发展水平，为了在较短的时间内花较少的钱研发制造出我国第一组实用超导电缆系统，北京云电英纳超导电缆有限公司充分利用国内现有的各种人力、物力资源，与国内相关领域有经验、有实力的大学、科研院所、企业进行积极的合作，充分体现了国家“863”计划的宗旨。自该项目确立以来，通过对国内近20家单位的广泛调查、技术交流、实地考察、项目论证和聘请国内顶尖专家组成专家组评审，确立了本项目的主要合作单位为云南电力集团有限公司、中科院等离子体物理研究所、清华大学、北京英纳超导技术有限公司、信息产业部电子第十六研究所、华中科技大学和上海电缆厂。其中云南电力集团有限公司负责电缆并入电网的土建工程和电缆接入相关的变电站电气设备改造和技术准备；中科院等离子体物理研究所负责超导电缆终端的设计和制造；清华大学和北京英纳超导技术有限公司参与了项目的初期立项工作和技术方案的调研和制定、并负责提供制造超导电缆所需的关键材料--高性能Bi-2223超导导线；信息产业部电子第十六研究所负责液氮制冷系统的设计和集成；华中科技大学负责超导电缆的监测与保护系统的设计和集成；上海电缆厂负责对现有绕线设备改造使之适用于超导导体的绕包并完成导体的绕制。
     超导电缆作为超导技术和新型电气设备在电网中的运用，将对电力系统产生深远的影响。在“科技兴电”战略的指引下，为推动我国超导电缆技术达到世界先进水平，云南电力集团认真调研，大胆决策，积极参与国家863计划“新材料领域超导专项重大项目”，决定在云南省昆明市普吉变电站建造一组具有世界先进水平的热绝缘高温超导电缆。 云电集团和北京英纳超导有限公司携手合作，在2001年7月共同组建了北京云电英纳超导电缆有限公司，研制中国第一条（世界第三条）实用化的超导电缆，并为实现超导电缆投入电网运行发挥了重要作用。
     作为项目的依托和主持单位，北京云电英纳超导电缆有限公司在技术上严格把关，负责超导电缆系统的总体设计，超导电缆的导体设计，液氮循环系统结构与机制的设计，电缆系统的现场集成和试运行等；在管理上负责控制整个项目的进度、经费和质量，同时做好与本项目有关的知识产权的获得、管理和保护工作。中国第一组实用超导电缆，从项目立项启动，历经资料收集和资源调查、项目总体规划、合作伙伴确定和子课题实施方案确定、制造、安装调试五个阶段。至2004年4月上旬，完成所有部件的集成安装，子系统调试检测和环境温度电气参数测量，系统总体冷却、检测、总调和导体低温下电气参数测量，共历时31个月。为了保证项目的顺利进行，北京云电英纳超导电缆有限公司与各合作单位签订了合作合同，明确各自的责、权、利，建立项目协调制度，克服多家单位协作时的种种困难，确保项目最终按时、优质、高效地完成，高科技公司承担重要科研产业化项目的优势充分体现了出来。
   2. 科技创新
     中国第一组实用超导电缆系统为户外分相交流电力电缆，长度33.5米，额定电压35千伏，额定电流2000安培，主绝缘为常规绝缘材料——交联聚乙烯，符合35kV级IEC标准，电缆外径112毫米，导体采用液氮循环冷却。该组超导电缆无论在电压还是电流等级上都高于目前世界上已经并网运行的两组超导电缆，低温恒温器的漏热小于1.5W/m，交流损耗达到了较低的0.75W/kA.m。
     创新与发展贯穿了我国第一组实用超导电缆项目的整个研发过程，所有的开发设计都以适用于产业化、系列化生产的需要来进行。在高科技技术竞争日益激烈的今天，注重知识产权的保护更是公司所有人员的共识，在积极研发的同时，知识产权保护工作同步进行。截止2004年3月，北京云电英纳超导公司已完成相关的科技论文二十余篇，已为本项目申报专利9项，全部完成受理程序，被评为北京市百家专利工作试点单位之一。
     在本项目的研发过程中，超导电缆导体首次采用组合式绕制方法，降低了超导线在绕制电缆过程中的机械损伤，大大提高了超导电缆制造的质量，提高了电缆绕制效率。首次在热绝缘超导电缆中应用双层液氮循环冷却结构，提高了电缆冷却效果，使三相电缆的冷却更为均匀，并减少了液氮输送管道。电缆终端在世界上首次采用通用化、积木式模块化设计，整个终端由几个标准模块简易组合而成，其结构适用于不同电压和电流等级的热绝缘超导电缆，更适用于产业化、系列化生产需要。超导电缆制冷系统采用多台GM制冷机，具有降低系统故障几率、根据热负荷灵活控制开启台数、节约能量的优点。可拆式大电流低阻锥面接头、高电压绝缘氮气接管、超导带材的焊接和混合式超导输电电缆等科技成果解决了发展超导电缆技术的诸多难题，提高了产品实用性水平。
   3. 超导电缆的优势
     超导电缆与常规电缆相比，具有明显的优势：一是损耗低、节省能源。超导电缆采用在液氮汽化温度下（约－196℃）无电阻地传输大电流，导体损耗不足常规电缆的1/10，加上制冷的能量损耗，其运行总损耗也仅为常规电缆的50%～60%；二是容量大。同样截面的超导电缆的电流输送能力是常规电缆的3～5倍；三是节约材料。具有同样传输能力的超导电缆与常规电缆相比，使用较少的金属和绝缘材料；四是无污染。超导电缆没有造成环境污染的可能性，而充油常规电缆存在着漏油污染环境的危险；另外，超导电缆还具有低噪音的特性。
     目前远程大容量电力输送一般采用架空铝裸线，大城市的输电一般采用地下电缆，导体为铜线或铝线。使用这些传统的电线或电缆，电能在输送过程中要损失5%～10%。为了减少电能在输送过程中的损失，在长距离输电时要尽量提高电压，如采用500kV或 750kV及以上超高压线路。超高压线路对输电塔的绝缘瓷瓶和对空间使用有很高的要求，尤其是对线路终端附件的材料和制作技术要求更高，大大提高了超高压线路的建设成本。目前我国还不能生产超高压线路终端附件，进口的超高压线路终端附件十分昂贵。如果使用超导电缆，其交流阻抗仅为常规电缆的1/10，可以减少电网线损50%左右；超导电缆的应用还将降低长距离输电的系统电压，系统其它设备总体的造价将随之降低。
     从长远来讲，超导电缆的应用还使长距离直流输电技术变得容易和经济。用于直流输电，超导电缆会使电网线损降低70%以上，显示出更好的经济效益。由于超导电缆传输电力的能力是传统常规电缆的3～5倍，所以使用超导电缆还可以节约输电系统的占地面积和空间，节省大量宝贵的土地资源，相应地保护了生态环境。
     中国第一组实用超导电缆的顺利并网运行，表明我国超导电缆的技术已趋于成熟，对我国的电力系统的发展具有深远的影响。超导电缆在我国电网干线及输电瓶颈线路的应用将有利于提高电网的安全性和可靠性。在长距离大容量输电时，超导电缆在系统综合性能上具有无可比拟的优势，从长远上将根本解决我国“西电东送”等长距离大容量输电问题。近期内、高温超导电缆在下面几个方面有可能很快显示出优势：
   （1） 城市密集居住区，摩天大厦，常规电缆容量不够，没有更大电缆的空间；
   （2） 金属冶炼设备等大电流、短距离、小空间的应用中；
   （3） 电站和变电站内大电流传输母线；
   （4） 电力需求迅猛发展的大城市，要求的供电容量不断扩大，由于城市的拥挤和开挖成本高昂，无法扩大电缆铺设范围，借助超导电缆，可以在原有的管道内更换，使供电容量提高3-5倍。
   4. 国际地位
     超导电缆技术的发展已有十余年的历史。到目前为止，参与超导电缆技术研究的国家主要有美国、日本、欧洲、中国和韩国等。
     1992年在美国能源部的支持下，Pirelli公司北美分部开始对超导电缆技术进行研究和开发，从而使美国成为最早发展超导电缆技术的国家。1999年底，由Southwire公司牵头研制的30m，3相，12.5kV/1250A, 冷绝缘超导电缆并网运行。目前，美国有三个新的更大规模的超导电缆工程正在进行中，分别是哥伦布市1000英尺超导电缆系统、长岛地区2000英尺超导电缆系统、奥伯尼市350米超导电缆系统。由于政府和大公司的高度重视与参与，凭借强大的人才、科技、资本和组织管理优势，美国的超导电缆的研究开发工作一直走在世界前列。
    在日本政府组织的新能源机构的协调下，有多家大公司、院校和科研院所从事超导电缆的开发研制。2002年住友电气和东京电力公司合作完成了一组100米，3相，66kV/1kA, 三芯平行轴电缆系统并在东京电力实验场完成了测试。目前，古河电工与日本电力工业中心研究所等合作完成了一组500米、单相，77kV/1kA 超导电缆系统，并已开始一系列的低温测试。日本超导电缆研究的个别项目水平甚至超过了美国，总体的技术发展水平在世界上居于第二位。
     我国从上个世纪九十年代中期开始超导电缆技术的研究，早期工作主要在中科院电工研究所进行。1998年底电工所研制了1米，1kA级Bi系超导电缆导体模型。2000年12月1日，完成了6米、2kA级高温超导电力电缆导体模型的研制。我国第一组实用33.5m、三相、35kV/2kA超导电缆项目的完成，使我国成为世界上第三个将超导电缆并入电网的国家。该超导电缆在主要性能指标方面优于目前已经投运的美国Southwire公司和丹麦NKT公司的两组电缆系统。这个项目的完成大大地缩小了我国与发达工业国家在超导电缆技术上的差距，使我国的超导电缆技术水平处于仅次于美国、日本的先进行列。
     欧洲超导电缆的研究发展比较早。2001年5月28日，丹麦NKT公司宣布，其30米长，30kV/2kA热绝缘结构超导电缆顺利实现挂网运行。德国Siemens公司等一直密切关注着超导电缆的研究开发。法国、意大利也开展了超导电缆的技术开发。从总体状况来看，欧洲近几年超导电缆的研发投入较少、发展速度减慢。
   韩国在超导电缆技术开发方面虽然起步较晚，但是其政府2001年制定了超导技术电力应用的十年规划，其中超导电缆技术的研究和推动占据了重要的位置。在政府的支持下，LG电缆公司投入了大量的人力、物力、财力参与了超导电缆技术的研发。今年其30米，3相，22.9kV/1.25kA超导电缆系统将完成制造并投入测试。由于韩国的超导电缆研发进展很大，目前其技术水平与我国相当或略逊于我国。
     其它国家如俄罗斯、墨西哥等也在进行超导电缆的各种研究，但投入更少，基本处于理论研究阶段，故技术水平也比较低。
     中国第一组实用超导电缆的顺利并网运行，表明我国超导电缆的技术已跻身于世界前列，将对我国的超导应用研究和电力、能源工业的前景产生重要的影响。

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