1.3.3 超导电缆主要构成

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。