1.5 超导电缆示范工程

随着研究的不断深入，各超导电缆研究机构与电网用户共同开展了一系列运行于实际电网的示范项目。表1-3展示了全球截至目前运行于实际电网的电缆示范工程。总体来讲，随着材料技术和工程技术的不断进步，示范工程单位长度制造成本大幅度下降，工程项目长度不断增加，工程选址越来越靠近核心电网，工程经济效益、可靠性能等都在不断提升。

美国早在1992年就在其能源部的支持下开始对高温超导电缆技术进行研发，是最早发展高温超导电缆技术的国家，1999年，Southwire公司研制了30m/12.5kV/1250A超导电缆在工厂试验运行，也是最早开始将超导电缆挂网运行示范的国家。其2002年就启动了Albany超导电缆工程项目和Columbus超导电缆工程项目，之后又启动了LIPA和Hydra等超导电缆工程项目。

Albany工程示意图如图1-12所示，此项工程由美国Superpower公司牵头组织并负责供应二代高温超导带材。日本住友电工负责超导电缆的制造，并提供了一代高温超导带材。2006年Albany工程成功实现了第一期投入运行，工程采用超导电缆将两个变电站相连，超导电缆总长约为350m，由一根320m的电缆、一根30m的电缆以及一个中间接头组成。电缆的结构采用了三相统包型，超导材料全部采用第一代高温超导带材。为了适配152mm直径的电缆排管，工程电缆的外径设计为136mm。2008年，工程第二期顺利投运，原有的30m部分超导电缆被替换为由二代高温超导带材制作的超导电缆。

Columbus工程于2006年8月投运，额定电压为13.2kV，额定电流为3kA，工程总长200m，是世界上首个13.2kV三相同轴型高温超导电缆并网工程。工程安装在俄亥俄州哥伦布市的美国电力公司的Bixby变电站。该工程超导电缆连接在一台138kV/13.2kV变压器上，通过配电开关设备为7条传统供电线路供电。

Columbus工程采用抽真空减压方式为系统提供冷量，工程制冷系统如图1-13所示。工程后续计划采用脉管制冷系统提供大部分冷量。

LIPA（Long Island Power Authority）工程于2008年4月投运，是第一条长距离具备输电线电压等级的超导电缆。工程电缆额定电压为138kV，额定电流为2400A，采用单芯结构，线路长600m。工程使用超导电缆将纽约长岛的Holbrook地铁站和一个新建的变电站连接起来。原来的常规电缆作为备用线路，如图1-14所示。

工程由美国超导公司（AMSC）总体负责并提供超导带材、Nexans负责电缆设计和生产，法国液化空气集团（Air Liquide）提供制冷系统。LIPA工程是目前挂网运行电压等级最高的超导电缆。LIPA项目在运行两年后将其中一相的电缆进行现场更换，并对现场更换造成的绝热套性能影响加以研究。工程同时对超导电缆的收缩性能、绝热套修复技术等进行了研究。

芝加哥超导电缆工程（见图1-15）于2019年通过相关论证，2021年建成投运。工程采用三相同轴超导电缆结构，电缆长度为200m，额定电压为12kV，额定电流为3kA，额定容量为62MVA。美国希望利用超导电缆自限流的优势，提升电网的弹性。目前当地电网公司等正在筹备该项目的第二期，即将城市内三个变电站用超导电缆连接成一个环网，以提升电网的稳定性能。

日本高度重视高温超导技术的发展研究，其新能源开发组织将发展高温超导技术视为保持21世纪国际高技术竞争优势的关键技术之一。在新能源开发组织的协调下，东京电力公司、住友电工、古河电工等公司都参与了超导电缆的开发。2002年就开发了100m、66kV/1kA的三芯统包高温超导电缆，并进行了试验测试。之后陆续开发了一系列的试验线路并在实验室或工厂等地进行研究试验。其中古河电工在2011年开发了一条275kV/3kA的单芯结构高温超导电缆，这是目前报道的最高电压等级的超导电缆。日本同时开展了高温超导电缆在新能源输电和轨道交通等方向的应用研究。2015年在石狩市建成了500m直流超导电缆，将一个光伏发电站的电能输送给互联网数据中心。2019年建成了一根310m的馈电电缆给轨道交通供电研究。

日本挂网运行的超导电缆示范工程为横滨超导电缆工程，如图1-16所示。工程于2007年启动，需要在东京电力公司的实际电网中示范运行66kV/200MVA高温超导电缆系统，以研究和评估电缆的性能、稳定性和可靠性。2012年该工程电缆第一次挂网运行，经过一年多的实际运行，验证了电缆的相关性能。之后为进一步研究电缆在电网事故情况下的安全性和可靠性，以及开发和验证更高效的制冷机，工程安装了由前川公司开发的布雷顿循环制冷机，并于2017—2018年进行了第二次并网运行。两次并网运行过程中，除绝热套性能降低外，超导电缆性能基本保持一致。

韩国于2001年制定了10年期的超导电力应用技术发展规划，即DAPAS（应用超导技术的先进电力系统开发）。韩国电力公司、LS集团等共同参与了该发展规划的研究工作。

2004年韩国电力技术研究中心和LS集团共同开发了30m，22.9kV的三芯统包超导电缆，在LS集团开展了长期的测试研究。2006年，韩国电力公司采购日本住友100m，22.9kV三芯统包超导电缆，并在Gochang测试场进行测试。2007年LS集团开发了相同性能参数的超导电缆，在相同的试验场进行对比测试。前者采用抽真空减压制冷系统，后者采用抽真空减压、脉管制冷机、GM制冷机和斯特林制冷机混合制冷系统。经过长期的测试研究，LS集团进一步在2011年开发完成了Icheon工程，2015年开发完成济州岛直流超导电缆工程，2019年完成shingal工程。

Icheon工程是韩国首个并网运行的超导电缆。工程电缆由LS集团开发，采用的超导带材为美国超导公司（AMSC）所生产的二代高温超导带材。工程电缆长度为410m，包含一套中间接头，额定电压为22.9kV，额定电流为1.25kA，电缆采用三芯统包结构。工程项目于2008年启动，2010年底完成超导电缆的安装，2011年在Icheon变电站挂网运行。图1-17所示为工程电缆系统敷设示意图。

Icheon项目是全球首个全部应用第二代高温超导带材制备超导电缆的示范工程。工程采用了不间断电源，在确保制冷系统外部供电故障情况下，仍然可以维持工程安全运行30min。

Jeju Island示范工程是首个挂网运行的直流超导电缆项目。韩国电力公司早在2011年就启动了该项目的研究工作，之后LS集团加入该项目并负责超导电缆的设计开发。2013年项目完成了一根100m样缆的性能测试和研究，2014年完成电缆工程安装，2015年实现挂网运行。

韩国在济州岛建成直流±80kV，500m，500MW超导电缆并实现并网运行，该电缆与4.8km的架空线组合连接了Halim变电站和Gumak变电站。电缆采用单芯结构，电缆工程包括两组中间接头。工程采用Icheon项目的斯特林制冷机组建立了一套制冷机用于支撑工程运行，如图1-18所示。

Shingal项目于2017年启动，是韩国首条商业化采购的超导电缆项目，如图1-19所示。Shingal也是该处居住区的名字，该区域居住人口预计将进一步增长。项目通过在Shingal变电站和Heungdeok变电站之间建立一根22.9kV，50MVA的三芯统包超导电缆，以提升线路的输电容量。工程全长1035m，包含两套中间接头。工程电缆同时采用了一代和二代高温超导带材，超导带材总用量约为150km。工程采用布雷顿制冷机和抽真空减压制冷机作为制冷设备，69K时制冷量可达7.5kW。

由于AC 154kV Shingal变电站的负载高达162MW，而AC 154kV Heungdeok变电站的负载为49MW，因此预计该变电站将通过高温超导电缆分担部分负载。

2021年9月28日，深圳平安大厦超导电缆工程正式投运。工程采用一个三相同轴超导电缆为深圳市第一高楼“平安大厦”供电，如图1-20所示。输电容量为43MVA，相当于5条常规10kV电缆的能力。该工程在满足供电需求的同时，可减少城市电网中高压电缆的使用，简化电网结构，减少110kV变电站的建设，可节省500m ² 土地。

2021年12月22日，上海徐汇区长春站—漕溪站1.2km超导电缆示范工程正式投运，工程采用1根35kV三相统包高温超导电缆代替了4回路传统电缆，为中心城区4.9万户用户持续稳定供电，最高输送容量达133MVA，年输送电量1.8亿kW·h，至今仍是世界上输送容量最大、线路最长的超导电缆工程。工程同时节省了70%的地下管廊空间，为超导电电缆在大型城市中心电网的应用起到了很好的示范作用，如图1-21所示。

总体上，随着技术的不断成熟，超导电缆正逐步被电网用户所接受，并发挥出其独特的优势。预计随着产业链上下游产品成本不断降低和应用速度加快，超导电缆工程将朝着大长度化、网络化的趋势发展，在城市电网升级中发挥举足轻重的作用。