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随着现代科技的飞速发展，超导电缆逐渐走入了人们的视线。超导电缆拥有无损耗电能传输，容量大、尺寸小等特征，并获取了究其运作方式和设计的广泛关注。其中，高温超导体由于其低生产成本和更好的性能，被广泛应用于超导电缆的设计。然而，关于如何有效利用高温超导体进行超导电缆设计和性能优化的问题尚缺乏深入的研究。鉴于此，本文全面研究了基于高温超导体的超导电缆设计和性能分析。并提出了切实可行的性能优化方案。希望透过本研究，能给予相关工程师和研发人员在超导电缆设计与性能优化方面提供重要指引和参考。

关键词：超导电缆； 高温超导体；电缆设计；性能分析；优化策略

1、超导电缆与高温超导体概览

1.1 超导电缆的基础知识

超导电缆作为一种新型高效能电力传输方式，已经在能源领域引起了广泛关注。超导电缆具有低电阻、高电流密度和高磁场容限等优势，能够实现大容量、长距离的电力输送，极大地提升了电力系统的效率和可靠性。

超导电缆的工作原理基于超导体的零电阻特性。超导体在低温下能够表现出零电阻和完全抗磁的性质，使电流能够无损耗地流过超导体，大大提高了电流的传输效率。高温超导电缆的基本结构包括支撑体、超导输电层、电气绝缘层、屏蔽层、隔热层及护套。

超导电缆的制造工艺包括超导体的材料选择、超导体的制备、超导体层的组装和冷却系统的设计等。超导体的材料选择是超导电缆设计的关键环节，需要兼顾超导性能、机械性能和制造成本等因素。常用的超导体材料包括铜氧化物和铁基超导体。超导体的制备过程中需要控制材料的结晶结构和纯度，以提高其超导性能。超导体层的组装是将超导体材料转变为实际电缆的重要步骤，需要保证超导体层的稳定性和连接性。冷却系统的设计则是为了维持超导体在超导状态下所需的低温环境，常见的冷却方法包括液氮和制冷机。

超导电缆的性能主要包括传输电流密度、电流分布均匀性和制冷系统能耗等指标。传输电流密度是指超导电缆能够承受的最大电流密度，与超导体的临界电流密度有关。电流分布均匀性是指超导电缆中电流在超导体层中的分布均匀性，直接影响超导体的稳定性和传输能力。制冷系统能耗是指为维持超导体所需的低温环境所消耗的能量，是评估超导电缆经济性的重要指标。

1.2 高温超导体在超导电缆中的应用

高温超导材料，是具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。高温超导体通常是指在液氮温度77 K以上超导的材料。

高温超导体是指在相对较高的温度下（通常在液氨温度以下），能够表现出超导性质的材料。与传统的低温超导体相比，高温超导体具有以下几个显著特点。

（1）较高的临界温度：高温超导体的临界温度通常在液氨温度（77K）以上，甚至超过液氨沸点（90K）。这使得高温超导体可以使用更便宜、更易得到的冷却剂，如液氨，而不需要昂贵的液氨。

（2）强大的电流承载能力：高温超导体具有较高的临界电流密度，即在超导态下能够承受更大的电流。这使得高温超导体在电力传输和电子设备中具有重要的应用潜力。

（3）抗磁性：高温超导体表现出强烈的抗磁性，即在超导态下对外磁场具有屏莉效应。这使得高温超导体在磁共振成像等领域有着广泛的应用。

高温超导体在超导电缆中具有重要的应用价值。高温超导材料主要包括Bi系超导材料（BSCCO）、Y系超导材料（YBCO）、铁基超导材料、MgB2等。目前，占据超导材料市场90%份额的是NbTi和Nb3Sn，而高温超导材料普遍处于应用示范和研发阶段。高温超导体的零电阻特性使得超导电缆能够以更高的电流密度传输电能，从而提高电力传输效率。高温超导体的高临界温度使得超导电缆无需使用低温冷却系统，从而降低了制造和运行成本。高温超导体还具有良好的机械性能和抗磁性能，能够在复杂的电磁环境中稳定运行。

以前的研究表明，铜（铜氧化物）复合物作为高温超导材料，其临界温度（c）只能达到40K左右。对于电力传输来说，这远远不够。然而，随着材料科学的不断发展，超导材料的种类也在不断扩展。例如，钕钯钇铜氧化物（ND-PBCO）、铜银氧化物（CCS）、铁硒化物（FeSe）等超导材料的临界温度都已突破了77K，其中ND-PBCO的临界温度甚至达到了118K。

2、基于高温超导体的超导电缆设计

2.1 超导电缆设计的基本原理与方法

超导电缆设计是基于一系列物理和工程原理的过程，目的是在给定的工作条件下实现超导电流的稳定传输。超导电缆的设计方法通常包括以下几个关键步骤：

（1） 确定工作条件：需要明确超导电缆将要应用的工作条件，包括温度、电流密度、磁场等。这些工作条件将直接影响超导材料的选择和电缆结构的设计。

（2） 材料选择：根据实际需求和工作条件，选择合适的高温超导体材料作为超导电缆的导体材料。常用的高温超导体包括YBCO、Bi-2212等。

（3） 电缆结构设计：根据超导电缆的工作条件和导体材料的特性，设计出合适的电缆结构，高温超导电缆每一层的材料特性及结构参数都会影响高温超导电缆的综合性能，设计时需要了解各层的设计原理，确保高温超导电缆的能效性、稳定性以及安全性，发挥其优势。例如，支撑体通常选用具有高电导率和高热导率的材料，一般选用铜。支撑体的尺寸对超导电缆的输电能力也有影响，根据接地线最小截面积要求，需要对支撑体的截面尺寸进行合理设计。超导层的设计通常需要考虑电缆的额定载流能力与耐短路电流冲击能力，额定电流值越高，需要的超导带材数量越多。考虑到磁场对载流能力的影响，在保证载流能力的情况下，超导层应尽量减少层数，尽量设计为偶数层。超导层带材的数量、层数与支撑体尺寸也有直接关系，设计时应充分考虑。

（4） 电磁场计算与优化：通过数值模拟和电磁场计算，评估电缆结构对于外界磁场的响应以及电缆自身产生的磁场分布情况，并进行优化设计，以减小电缆的磁场损耗和电缆结构对外界磁场的敏感性。

（5） 热稳定性分析：考虑到超导材料在高温和高电流下可能出现的热失超行为，需要进行热稳定性分析。通过数值模拟和实验验证，评估超导电缆在工作条件下的热稳定性，并设计相应的冷却系统以确保电缆的稳定运行。

2.2 国内外高温超导电缆的发展现状

超导电缆是电流传输的理想电缆。20年来，随着超导材料技术进步，中国、美国、日本、韩国、欧洲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科研投入。

在美国，2011年，AMSC等公司成功完成了美国能源部资助的Lipa二期项目，该项目在2008年完成的Lipa一期项目的基础上，用一根二代带材制作的高温超导电缆更换原有一代带材制作的超导电缆，并深入地研究了超导故障维护技术、电缆接头技术、热收缩应对技术、限流技术和高效制冷系统技术等专门针对工程化商业化应用的关键技术。

在欧洲，2013年德国Essen市完成了Ampactiy三相同轴超导电缆项目，该项目在Essen市区安装了一根10kV/2.4kA的三相同轴超导电缆，用于替换原有的110kV电缆。该超导电缆线路集成了电阻型超导故障电流限制器，线路于2014年4月开始正式供电。

在韩国，韩国电力公司（KEPCO）对高温超导电缆在电网中的应用有着浓厚的兴趣，先后开展了多个超导电缆研究和示范项目，自2005年就开始了22.9kV超导电缆的测试研究。2008年在知识经济部（MKE）的资助下，启动了22.9kV超导电缆示范工程项目，于2010年底完成了一条410m、50MVA的超导电缆示范线路。

在日本，相关政府部门和企业对超导电缆进行了长期的研究，电缆电压等级从低压的1.5kV到目前全球超导电缆最高电压等级记录的275kV均有研究，其中影响力较大为日本横滨超导电缆项目。该项目电缆采用电压等级为66kV的三芯超导电缆，传输容量200MVA，长度250m，是日本第1根实际挂网运行的超导电缆。

目前，我国在超导电缆应用方面已有一些探索，但都是交流超导电缆示范工程。近年来，随着新型电力系统建设，风电、光伏等新能源大量并网，同时以电动汽车为代表的直流负荷快速发展，各地开始探索建设更加灵活可控的直流配用电系统。因此，探索超导在直流系统中的应用也成为新的研究方向。2020年6月，苏州吴江区政府、国网苏州供电公司、江苏永鼎股份有限公司三方联合启动高温超导直流电缆示范工程建设，在吴江同里中低压直流配电网的基础上，建设一条总长180米的高温超导直流电缆，连接起10千伏庞东直流中心站和泓晟塑胶科技（苏州）有限公司厂区直流配电房。这条超级电缆设计电压为±375伏，载流量为4500安，导体截面积仅为90平方毫米，相较于同电压等级下常规PVC铜芯电缆，截面积不到常规电缆的一半，但是它的输电能力却相当于20根常规电缆，同时导体损耗只有常规电缆的十分之一，在大幅提升输电能力的同时极大降低了电能传输过程中的损耗。

2.3 基于高温超导体的超导电缆的设计优化建议

（1） 优化导体尺寸：通过调整导体的厚度和宽度，可以实现最大化导体的临界电流密度。在保证导体强度的前提下，尽可能减小导体的截面积，以增加导体的临界电流密度。

（2） 设计合理的绝缘层：绝缘层在超导电缆中起到热交换和电气隔离的作用。在设计绝缘层时，需要选择适当的绝缘材料和结构，并考虑绝缘层对超导材料的热传导影响，以提高电缆的热稳定性。

（3） 冷却系统的优化：冷却系统是超导电缆设计中至关重要的一部分。通过合理设计冷却系统，可以控制超导电缆的工作温度，提高电缆的稳定性和传输能力。优化冷却系统的方式包括选择合适的冷却介质、设计合理的冷却结构以及考虑冷却系统与电缆其他部分的热耦合效应等。

基于高温超导体的超导电缆设计需要充分考虑导体材料的特性、电缆结构的设计和冷却系统的优化。通过合理选择超导材料、优化导体和绝缘层的设计以及冷却系统的优化，可以实现超导电缆的高效、稳定运行。

3、基于高温超导体的超导电缆性能分析

3.1 超导电缆性能的评估指标

超导电缆的临界电流密度（Jc）是评估其性能的重要指标之一。Jc是指当超导体材料的电流密度达到一定临界值时，其超导状态开始破裂并进入正常导体状态。较高的Jc值表示超导电缆具有更高的电流承载能力。

超导电缆的漏磁率是评估其电磁性能的指标之一。漏磁率反映了超导电缆材料对外界磁场的抑制能力。较低的漏磁率意味着超导电缆可以更好地抵抗外部磁场的干扰。

超导电缆的耐热性也是一个重要的性能指标。耐热性反映了超导电缆在高温工作环境下的稳定性和可靠性。较高的耐热性意味着超导电缆能够在高温下保持其超导状态并维持良好的性能。

3.2 基于高温超导体的超导电缆的性能特性

高温超导体的特点之一是其较高的临界温度（Tc）。较高的Tc意味着高温超导体可以在相对较高的温度下工作，使得超导电缆更容易维持超导状态，提高了超导电缆的可操作性和可靠性。

另外，基于高温超导体的超导电缆具有较高的电流承载能力。高温超导体的较高临界电流密度使得超导电缆能够承载更大的电流，提高了超导电缆的功率传输能力。

基于高温超导体的超导电缆还具有较低的漏磁率。高温超导体的特殊结构和材料组成使其能够有效抑制外部磁场的干扰，提高了超导电缆的电磁性能。

3.3 基于高温超导体的超导电缆性能分析与优化方案

基于高温超导体的超导电缆的性能可以通过实验测试获得。通过对超导电缆在不同工作条件下的电流承载能力、漏磁率等性能指标进行测试，可以评估超导电缆的性能表现。

数值模拟方法是分析和优化超导电缆性能的重要手段。通过建立超导电缆的数学模型和使用有限元方法等数值分析技术，可以模拟和预测超导电缆的性能，并找到性能优化的方案。

另外，结构优化是改善超导电缆性能的关键。通过优化超导电缆的结构设计，如改变超导层材料、几何形状等，可以提高超导电缆的电流承载能力、降低漏磁率等。

基于高温超导体的超导电缆的性能分析对于提高超导电缆的性能和应用价值具有重要意义。通过评估关键性能指标、实验测试和数值模拟方法的应用，以及结构优化的方案，可以实现超导电缆性能的优化和提升。

结束语

本研究对超导电缆领域中基于高温超导体的电缆设计与性能进行了深入研究与分析。探讨了高温超导体在超导电缆设计中的重要作用。提出了一些有针对性的优化策略，以期优化基于高温超导体的超导电缆性能。但是，当前的研究仍存在局限性。首先，在理论研究方面，高温超导体的物理特性和超导电缆的设计原理尚需进一步研究。其次，在实际应用方面，由于技术以及设备等限制，应用范围仍有待扩大。因此，未来的研究可以从这些方面进行深化和拓宽。期望未来能有更多的研究者能开展相关领域的更深层次研究，共同推动超导电缆领域的进步。

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[5] 李伟， 徐肖健， 黄立石. 基于高温超导体的超导电缆设计与性能分析[J]. 电力系统自动化， 2023， 47（8）： 31-37.

姓名：祝章燕 出生年：1987.9 性别：女民 族：汉 籍贯：安徽 宣城 学历：本科 职称：助理工程师 研究方向：机电工程