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超导电缆是采用超导材料作为电缆导体的电力电缆。超导材料是指具有在特定的低温条件下电阻等于零的材料。现有超导材料在自然条件下不具备超导能力，只有当温度低于某个临界值（临界温度）时，电阻才会消失。由于超导材料的零电阻特性，自超导材料被发现以来，人们就对其应用于电力电缆保持着极高的兴趣。早期超导电缆结构如图1-6所示，早期的超导电缆（低温超导电缆）由于所用超导材料临界温度极低，需要使用液氦为其提供温度环境，因此结构较为复杂，制冷难度较大，制冷成本较高，难以实现产业化推广应用。
图1-6 低温超导电缆
1987年，临界温度为90K的钇钡铜氧（YBCO）、临界温度为110K的铋锶钙铜氧（BSCCO）和临界温度为125K的铊钡钙铜氧（TBCCO）等高温超导材料的发现，大幅度降低了超导电缆的低温要求。这意味着采用高温超导材料制作的高温超导电缆只需要液氮即可实现超导特性，使得制冷相关技术难度和成本均大幅度降低，掀起了高温超导电缆的研究热潮。尤其是近20年来，随着超导材料技术的进步，中国、美国、日本、欧洲、韩国等国家和地区对高温超导电缆的应用研究长期保持较高的研究投入。先后建立了一大批试验线路和示范运行线路，超导电缆各项优点逐步得到验证，电缆制造技术、工程技术、制冷技术、监控技术等均取得了长足发展，应用前景越趋光明。
超导电缆的分类方式主要有两种：
1）按电气绝缘方式可分为室温绝缘超导电缆和低温绝缘超导电缆；
2）按传输电流类型可分为交流超导电缆和直流超导电缆。
由于传统塑料绝缘材料无法在低温下维持良好的机械性能和绝缘性能，所以早期研究的部分超导电缆将绝缘设计运行于室温环境，被称为室温绝缘高温超导电缆。由于室温绝缘超导电缆的屏蔽材料采用传统材料，屏蔽电流远小于导体电流，无法抵消导体通过大电流时所产生的较大的环形磁场，也无法屏蔽外部磁场对电缆的影响，容易因外部磁场导致超导体临界电流降低，电缆交流损耗增加，因此室温绝缘高温超导电缆无法充分发挥超导电缆大容量、低损耗的优点。
21世纪以来，主要国家和地区均将高温超导电缆研究的技术路线集中到低温绝缘超导电缆。低温绝缘超导电缆的绝缘运行于液氮环境，同时采用超导材料作为电缆屏蔽。与传统电缆屏蔽不同，由于超导材料的零电阻特性，超导屏蔽会感应出与电缆导体几乎大小相等、方向相反的感应电流。因此低温绝缘超导电缆外围的环形磁场极为微弱，不会对相邻电缆造成影响。同时超导屏蔽也可对外部磁场形成很好的屏蔽作用，因此低温绝缘超导电缆容量与损耗性能均明显优于室温绝缘超导电缆。本书后面所述超导电缆均为低温绝缘高温超导电缆。
对于直流超导电缆和交流超导电缆还可根据电缆结构进一步分类，其中交流超导电缆可进一步分为单芯超导电缆、三芯统包超导电缆和三相同轴超导电缆。直流超导电缆可进一步分为单芯超导电缆和双极同轴超导电缆，其中单芯超导电缆、三芯统包超导电缆与传统电缆的单芯结构和三芯结构相对应；三相同轴超导电缆、双极同轴超导电缆与传统同轴电缆类似，各类型超导电缆结构如图1-7所示。
图1-7 三种不同的高温超导电缆的结构
a）单芯型 b）三相同轴型 c）三芯统包型
从图1-7可以看出，相较于传统电力电缆，超导电缆结构更为复杂。一般来说，超导电缆结构从内到外主要包括以下几个部分：
（1）衬芯 由于超导电缆采用的高温超导材料一般为陶瓷性质的脆性材料，容易因拉伸和弯曲导致超导性能衰减甚至丧失，因此超导电缆一般设有衬芯结构，用于增强超导电缆的相关机械性能。采用电工铜或铝等良导体制作超导电缆衬芯还可以承受因外部故障或超导电缆自身失超所引起的故障电流，防止超导体因承受过大的电流而烧毁。
（2）超导导体层超导导体层是指用超导带材绕包的层状结构的电缆导体，其作用是传输工作电流。由于电缆生产工艺等需求，超导电缆用超导材料一般需要做成带材形式。目前产业化程度较高的高温超导带材主要有采用粉末装管法（Powder-in-Tube，PIT）制备的Bi-2223带材（一代高温超导带材）和采用薄膜生产法制备的YBCO超导带材（二代高温超导带材）。两种超导带材的示意结构如图1-8所示。
图1-8 高温超导带材结构图
a）Bi-2223带材 b）YBCO超导带材
通常，超导电缆采用一层或多层高温超导带材，根据设计好的节距和绕向缠绕在衬芯外部。
（3）绝缘层 不同于传统电缆，超导电缆绝缘运行于-200℃附近的液氮温区，这个温度已经超出了传统高分子电缆绝缘材料的温度下限，一般高分子绝缘材料在如此低的温度下会失去柔软性，难以弯曲，极易开裂，所以一般高分子材料无法应用于超导电缆绝缘。目前常用的超导电缆绝缘结构为层状绕包结构，其结构与传统充油电缆绝缘类似；常用的绕包绝缘材料主要有聚丙烯木纤维复合纸、cellulose纤维纸、双取向聚丙烯层压纸、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜等。现有绝大多数超导电缆工程采用的绝缘材料为聚丙烯木纤维复合纸，其结构如图1-9所示。由于实际运行时绕包绝缘浸泡于液氮中，所以超导电缆的绝缘层实际为复合纸与液氮共同作用的复合绝缘，其绝缘性能与运行压力成正比。图1-10展示了不同压力下典型的聚丙烯木纤维复合纸在液氮中的耐压击穿数据。
图1-9 聚丙烯木纤维复合纸
图1-10 典型的聚丙烯木纤维复合纸压力-击穿场强曲线
由于绝缘采用绕包结构并浸泡于液氮之中，故绝缘内部会有大量的液氮与绝缘纸的界面。根据电磁场边值关系，分界面处不同材料的电场强度与各自的相对介电常数成反比。液氮的相对介电常数为1.43，小于聚丙烯木纤维复合纸的2.39，因此界面上的液氮会比复合纸绝缘承受更大的电场。若发生液氮汽化情况，则氮气的相对介电常数接近于1，其承受的电场将进一步增大，而氮气的介电强度又远低于液氮和复合纸，极易一起局部放电，威胁绝缘安全。所以为了提升超导电缆的绝缘性，一般需要保持一定压力和较低的温度，使得复合绝缘运行于过冷液氮环境，抑制气泡的产生。
（4）屏蔽层 对于单芯结构和三芯统包结构的超导电缆，其屏蔽层也是采用超导带材绕包制成。由于采用了超导材料，所以屏蔽层不仅具有局部传统电缆屏蔽层屏蔽电场的功能，同时还具有屏蔽外部磁场的功能。而且由于电阻为零，根据法拉第电磁感应定律，屏蔽层会感应出与电缆导体大小相等、方向相反的电流，因此超导屏蔽还可屏蔽电缆导体产生的磁场。由于屏蔽电流与导体电流大小相当，屏蔽层结构也会影响超导体各层电流的分布，因此超导屏蔽层结构需要与超导电缆导体层结构进行综合设计，确保各层超导体和超导屏蔽电流能实现最优分布。
对于三相同轴超导电缆，由于三相电流相角互差120°，电缆对外磁场相互抵消，因此三相同轴超导电缆一般不需要超导屏蔽，可使用恰当截面的常规导体作为屏蔽材料，但需要三相电流尽量平衡且需要设计接地方式，以确保屏蔽电流不引起过多的热损耗。
对于直流超导电缆，由于不存在交变电流和磁场，因此其屏蔽层一般采用传统导体材料，起到接地和屏蔽外部电场的作用。
（5）制冷剂 超导电缆制冷剂一般为循环流动的过冷液氮。制冷剂的作用是为电缆提供冷量，带走电缆传输电能所产生的热损耗和外部绝热套因巨大温差而导入的热量，确保电缆中的超导材料可运行于所设计的低温环境下。
（6）绝热套 由于目前的超导电缆必须在极低的液氮温区运行，所以如何有效降低外部环境向电缆内部传递热量，减轻制冷系统负担是涉及超导电缆安全高效运行的关键技术之一。超导电缆绝热套一般采用双层真空金属管制成，通过真空结构降低对流传热和传导传热。一般绝热套内层金属管外还绕包有超级绝热材料，超级绝热材料一般由多层具有极低黑体敷设系数的镀铝薄膜和较低导热系数的间隔层组成，因此超级绝热材料可有效降低绝热套内的辐射漏热，并进一步降低绝热套内外之间的热量传导。在现有技术水平下，绝热套的漏热损耗占电缆损耗的较大份额，甚至对于直流电缆，绝热管的漏热损耗几乎就是电缆损耗的全部。如何提升绝热套的保温能力是超导电缆研究的关键技术之一，对提升超导电缆节能水平具有重要的意义。
根据运行条件，一般绝热套外部包含有高分子材料制成的外护套，用于保护敷设安装中的绝热套免受外部机械破坏，同时可保护绝热套金属材料免受外部环境腐蚀。
由于采用了零电阻、高电流密度的超导材料，所以相较于传统电缆，超导电缆具有容量大、体积小、敷设占用空间小和环境友好等特点。一般认为超导电缆容量可达相同电压等级传统电缆的4～9倍，即用一条回路的超导电缆可以替换4～9条回路的传统电缆。由于容量远大于传统电缆，因此还可以用较低电压等级的超导电缆代替较高电压等级的传统电缆，从而大幅度降低电网变电站建设成本和选址难度。
由于超导电缆不对外散发热量的特点，多根电缆密集敷设也不会发生相互加热的问题。同时由于电磁屏蔽作用，即便采用密集的敷设方式，电缆间相互影响也很小。因此超导电缆在供电密集地区地下电网升级中具有很好的应用前景。
由于超导材料的失超特性，在超导电缆在超导状态下具备零电阻特性，而当超导材料因外部过大的故障电流导致超导材料失超时，其电阻将急剧增加，可对故障电流起到一定的限制作用，超导电缆长度越长，电网越大，故障电流限制作用越明显。当故障电流过去之后，随着温度回归，超导电缆很快又可以恢复零电阻状态。因此超导电缆电网具有很高的安全可靠性能。
（1）临界电流 临界电流是指超导电缆在运行温度（一般以77K为标准）下，可无阻通过的最大直流电流。临界电流是决定超导电缆载流能力的最重要因素。与常规电缆不同，超导电缆在运行过程中发热很少，尤其在通过直流电流时，可忽略不计。电缆外部套有隔热能力优良的真空杜瓦（柔性绝热套），电缆不对外散热，外部热量也很难传导进电缆内部，电缆自身热场相对独立，所以正常情况下环境温度对超导电缆载流能力几乎没有影响。超导电缆载流能力仅取决于其自身的临界电流能力。这与所采用的超导带材质量、数量以及电缆的运行温度直接相关。一般交流超导电缆额定载流能力（有效值）建议选取为临界电流的50%，直流超导电缆载流能力选取为临界电流的80%。在评估临界电流时应充分考虑电缆自身磁场造成的临界电流衰减情况。
同样，超导电缆的过负荷能力评估也与传统电缆不同。传统电缆过负荷主要考虑铜导体升温情况以及绝缘的耐热老化性能，而超导电缆由于有效铜截面很小，当电流超过临界电流时损耗将快速上升，因此其过负荷能力应在电缆设计之初通过增加临界电流裕度来实现。温升过大会导致超导电缆失超，冷媒沸腾，严重威胁电缆安全。
（2）交流损耗 对于交流运行的超导电缆，由于超导材料处在交变磁场之中，因此超导材料的磁滞损耗和其他材料的涡流损耗等构成了超导电缆的交流损耗，虽然交流损耗远低于传统电缆的电阻损耗，一般为2%～5%，但超导电缆所产生的热量必须都通过冷媒带走，并最终与制冷系统提供的冷量相互抵消。而在液氮温区，现有制冷系统的制冷效率（COP）一般都低于30%的理想卡诺效率，1W的损耗需要消耗10W以上的制冷机能耗，所以交流损耗是超导电缆能耗的组成部分之一。降低交流损耗的手段主要有超导材料的选型优化和电缆结构的优化两种。随着材料技术的进步，超导电缆的交流损耗有望持续降低。
（3）电感 超导电缆电感与传统电缆电感存在明显的差别，传统电缆的电感来自铜导体的自感以及回路间的磁场。超导电缆电流由绕成圆筒形的超导层传输，因此自感可以忽略。回路电感方面，单芯超导电缆与三相统包超导电缆正常运行时，屏蔽电流与导体内的电流大小相等方向相反，圆周方向磁场以自身的屏蔽为磁场边界，轴向磁场在电缆设计（均流设计）时基本抵消，无需考虑轴向磁场，因此正常情况下超导电缆电感计算时只需考虑自身结构。三相同轴超导电缆三相对外磁场相互抵消，所以其电感计算也只需考虑自身结构，包括螺旋缠绕引入的电感与互感。
（4）电容 超导电缆电容与传统电缆计算方法一致。
由于超导电缆热场独立的特性，超导电缆敷设时无需考虑散热因素，可以密集敷设。由于电缆投运时需要经历室温到液氮温区的降温过程，所以无论采用何种敷设方式，超导电缆安装都必须考虑降温过程的冷缩和回温过程的膨胀问题。一般不建议采用直埋敷设。