1.3.3 超導電纜主要構成

從圖1-7可以看出，相較于傳統電力電纜，超導電纜結構更為復雜。一般來說，超導電纜結構從內到外主要包括以下幾個部分：

（1）襯芯 由于超導電纜采用的高溫超導材料一般為陶瓷性質的脆性材料，容易因拉伸和彎曲導致超導性能衰減甚至喪失，因此超導電纜一般設有襯芯結構，用于增強超導電纜的相關機械性能。采用電工銅或鋁等良導體制作超導電纜襯芯還可以承受因外部故障或超導電纜自身失超所引起的故障電流，防止超導體因承受過大的電流而燒毀。

（2）超導導體層超導導體層是指用超導帶材繞包的層狀結構的電纜導體，其作用是傳輸工作電流。由于電纜生產工藝等需求，超導電纜用超導材料一般需要做成帶材形式。目前產業化程度較高的高溫超導帶材主要有采用粉末裝管法（Powder-in-Tube，PIT）制備的Bi-2223帶材（一代高溫超導帶材）和采用薄膜生產法制備的YBCO超導帶材（二代高溫超導帶材）。兩種超導帶材的示意結構如圖1-8所示。

通常，超導電纜采用一層或多層高溫超導帶材，根據設計好的節距和繞向纏繞在襯芯外部。

（3）絕緣層 不同于傳統電纜，超導電纜絕緣運行于-200℃附近的液氮溫區，這個溫度已經超出了傳統高分子電纜絕緣材料的溫度下限，一般高分子絕緣材料在如此低的溫度下會失去柔軟性，難以彎曲，極易開裂，所以一般高分子材料無法應用于超導電纜絕緣。目前常用的超導電纜絕緣結構為層狀繞包結構，其結構與傳統充油電纜絕緣類似；常用的繞包絕緣材料主要有聚丙烯木纖維復合紙、cellulose纖維紙、雙取向聚丙烯層壓紙、聚酰亞胺薄膜、聚丙烯薄膜等。現有絕大多數超導電纜工程采用的絕緣材料為聚丙烯木纖維復合紙，其結構如圖1-9所示。由于實際運行時繞包絕緣浸泡于液氮中，所以超導電纜的絕緣層實際為復合紙與液氮共同作用的復合絕緣，其絕緣性能與運行壓力成正比。圖1-10展示了不同壓力下典型的聚丙烯木纖維復合紙在液氮中的耐壓擊穿數據。

由于絕緣采用繞包結構并浸泡于液氮之中，故絕緣內部會有大量的液氮與絕緣紙的界面。根據電磁場邊值關系，分界面處不同材料的電場強度與各自的相對介電常數成反比。液氮的相對介電常數為1.43，小于聚丙烯木纖維復合紙的2.39，因此界面上的液氮會比復合紙絕緣承受更大的電場。若發生液氮汽化情況，則氮氣的相對介電常數接近于1，其承受的電場將進一步增大，而氮氣的介電強度又遠低于液氮和復合紙，極易一起局部放電，威脅絕緣安全。所以為了提升超導電纜的絕緣性，一般需要保持一定壓力和較低的溫度，使得復合絕緣運行于過冷液氮環境，抑制氣泡的產生。

（4）屏蔽層 對于單芯結構和三芯統包結構的超導電纜，其屏蔽層也是采用超導帶材繞包制成。由于采用了超導材料，所以屏蔽層不僅具有局部傳統電纜屏蔽層屏蔽電場的功能，同時還具有屏蔽外部磁場的功能。而且由于電阻為零，根據法拉第電磁感應定律，屏蔽層會感應出與電纜導體大小相等、方向相反的電流，因此超導屏蔽還可屏蔽電纜導體產生的磁場。由于屏蔽電流與導體電流大小相當，屏蔽層結構也會影響超導體各層電流的分布，因此超導屏蔽層結構需要與超導電纜導體層結構進行綜合設計，確保各層超導體和超導屏蔽電流能實現最優分布。

對于三相同軸超導電纜，由于三相電流相角互差120°，電纜對外磁場相互抵消，因此三相同軸超導電纜一般不需要超導屏蔽，可使用恰當截面的常規導體作為屏蔽材料，但需要三相電流盡量平衡且需要設計接地方式，以確保屏蔽電流不引起過多的熱損耗。

對于直流超導電纜，由于不存在交變電流和磁場，因此其屏蔽層一般采用傳統導體材料，起到接地和屏蔽外部電場的作用。

（5）制冷劑 超導電纜制冷劑一般為循環流動的過冷液氮。制冷劑的作用是為電纜提供冷量，帶走電纜傳輸電能所產生的熱損耗和外部絕熱套因巨大溫差而導入的熱量，確保電纜中的超導材料可運行于所設計的低溫環境下。

（6）絕熱套 由于目前的超導電纜必須在極低的液氮溫區運行，所以如何有效降低外部環境向電纜內部傳遞熱量，減輕制冷系統負擔是涉及超導電纜安全高效運行的關鍵技術之一。超導電纜絕熱套一般采用雙層真空金屬管制成，通過真空結構降低對流傳熱和傳導傳熱。一般絕熱套內層金屬管外還繞包有超級絕熱材料，超級絕熱材料一般由多層具有極低黑體敷設系數的鍍鋁薄膜和較低導熱系數的間隔層組成，因此超級絕熱材料可有效降低絕熱套內的輻射漏熱，并進一步降低絕熱套內外之間的熱量傳導。在現有技術水平下，絕熱套的漏熱損耗占電纜損耗的較大份額，甚至對于直流電纜，絕熱管的漏熱損耗幾乎就是電纜損耗的全部。如何提升絕熱套的保溫能力是超導電纜研究的關鍵技術之一，對提升超導電纜節能水平具有重要的意義。

根據運行條件，一般絕熱套外部包含有高分子材料制成的外護套，用于保護敷設安裝中的絕熱套免受外部機械破壞，同時可保護絕熱套金屬材料免受外部環境腐蝕。

由于采用了零電阻、高電流密度的超導材料，所以相較于傳統電纜，超導電纜具有容量大、體積小、敷設占用空間小和環境友好等特點。一般認為超導電纜容量可達相同電壓等級傳統電纜的4～9倍，即用一條回路的超導電纜可以替換4～9條回路的傳統電纜。由于容量遠大于傳統電纜，因此還可以用較低電壓等級的超導電纜代替較高電壓等級的傳統電纜，從而大幅度降低電網變電站建設成本和選址難度。

由于超導電纜不對外散發熱量的特點，多根電纜密集敷設也不會發生相互加熱的問題。同時由于電磁屏蔽作用，即便采用密集的敷設方式，電纜間相互影響也很小。因此超導電纜在供電密集地區地下電網升級中具有很好的應用前景。

由于超導材料的失超特性，在超導電纜在超導狀態下具備零電阻特性，而當超導材料因外部過大的故障電流導致超導材料失超時，其電阻將急劇增加，可對故障電流起到一定的限制作用，超導電纜長度越長，電網越大，故障電流限制作用越明顯。當故障電流過去之后，隨著溫度回歸，超導電纜很快又可以恢復零電阻狀態。因此超導電纜電網具有很高的安全可靠性能。