图①：示范工程的高温超导电缆试拉试验现场
这条选址上海市徐汇区中心地段、长度达1.2公里的示范线，核心技术国产化率达100%，创造了诸多世界纪录：世界输送距离最长、接头数量最多、输送容量最大的商业化运行超导输电工程，世界首个为城市负荷中心供电的公里级超导输电工程，世界唯一使用全程排管敷设的超导输电工程。
作为世界首条35千伏公里级超导输电示范工程，自正式投入运行以来，这条线路已连续安全稳定运行超过700天，累计为上海徐家汇商圈等徐汇区核心区域4.6万户用户供电3.2亿度，开创了公里级超导电缆在大型城市核心区域运行的先例。日前，工程顺利实现满容量运行，刷新了全球商用超导输电工程最大实际运行容量的纪录。
与传统电缆相比，超导电缆的优势何在？研发过程中遇到了哪些难题，科研人员是如何一步步攻克的?迎峰度冬之时，这条输电线路面临哪些挑战？记者带您一探究竟。
高温超导电缆其实温度并不高
一根“史上最强电缆”堪比四到六根传统电缆
进入12月，上海将迎来一年中最冷的两三个月，迎峰度冬保供工作成为能源电力行业的重中之重。国网上海市电力公司市南供电公司的运维人员张寒，1日一大早就来到长春变电站。
在他脚下，有一个-196℃的极寒世界。
这里是世界首条35千伏公里级超导输电示范工程的进口端。张寒当天的任务就是对超导电缆运行的终端设备和外部环境进行巡检。
“主要是为了监测整条线路的运行环境是否安全稳定。”国网上海市南供电公司总工程师宗明告诉记者，对于示范工程而言，超导特性是它有别于常规输电线路的关键所在。
记者了解到，传统电缆中的输电介质通常是由铜、铝组成的合金导体，具有一定的电阻，在电力输送过程中会产生相应电能损耗。而超导输电则是利用超导材料的超导特性，使电力传输介质接近于零电阻，相应地，电能传输损耗趋近于零，从而实现低电压等级的大容量输电，即“窄通道大容量”。
在35千伏的设计电压下，一根超导电缆能输送超过2000安培的大电流。“相当于四到六根相同电压等级的传统电缆。在满足供电需求的同时，可以减少城市电网中高压电缆的使用，简化电网结构，节省占用空间。”宗明告诉记者，正是体积小、重量轻、传输容量大、电能损耗低、绿色环保的优点，使得超导输电被视为当今电力行业最具革命性的前沿技术之一，超导电缆也被称为“史上最强电缆”。
但超导材料有它的临界温度，只有低于临界温度，才能形成超导体。据介绍，该示范工程所使用的超导电缆的核心材料是我国自主研发的第二代高温超导带材。
“虽然名字叫‘高温超导’，实则温度并不高，要在-196℃以下的环境中才能维持其超导态。”宗明进一步解释说，早在1911年，荷兰科学家发现当温度低于-268.95℃时，水银的电阻突然降为0，呈现超导状态。后来发现不同材料的超导临界温度不同，为了使超导材料更具实用性，科学家们开始探索高温超导，一度将超导体的临界温度提高到-183℃。35千伏公里级超导输电示范工程中使用的第二代高温超导带材的临界温度是-196℃，而这也正是液氮的温度。
记者了解到，超导输电工程的一个难点就是如何维持电缆的超导态，也就是如何使电缆中的输电介质始终处于其临界温度及以下。“所以科研人员就想办法让线缆被液氮包裹起来。”宗明说，独特的电缆结构设计解决了这一难题。
图②：类似“三色圆珠笔”结构的高温超导电缆示意图
如果把这条超导电缆剖开，大家会看到独创的、类似“三色圆珠笔”的结构——外层的双层柔性真空绝热管中，包裹着三股相互绝缘的超导缆芯，仿佛三根“笔芯”，用以传送三相交流电。运行时，“三色圆珠笔”里充满液氮，在冷却系统加持下，让整条输电线路始终处于-196℃的临界温度。
新技术新装备新工艺
解决“螺蛳壳里做道场”等诸多难题
事实上，早在1998年，我国就制备出了首条一米长的超导电缆小样。2012年，一条长360米的超导电缆为河南一家企业输送电力，这是我国超导电缆首次走入用户端，也是当时世界上传输电流最大的高温超导直流电缆。2021年9月，一条400米长的超导电缆，开始为深圳的标志性建筑“平安大厦”供电，标志着我国超导电缆开始走入普通百姓的生活。同年12月，一条长1.2公里、创造诸多世界纪录的示范工程建成投运，为上海徐汇区核心区域4万多户家庭和商户供电，标志着我国超导电缆技术走在了世界最前列。
从一米到公里级，“二十年磨一剑”，磨的是超导电缆的核心——高温超导带材。
“制备一米长的电缆小样容易，但要想放大到几百米，甚至上千米，并不容易。”宗明回忆，从高温超导带材的制备，到材料测试，再到电缆结构设计、顶管敷设等，每一个环节都是一座“高峰”。
据介绍，高温超导带材的制备过程十分复杂，就像砌墙一样，要砌得很整齐，才会具备优良的性能，也才能负载很强的电流，如果砌歪了或者哪怕有一点瑕疵，它的性能就会受到很大影响，甚至不能使用。
而示范工程虽然只有1.2公里，但制备这条超导电缆却使用了近280公里的超导材料。“超导材料的生产效率、成品率等，都跟不上现实需要。”宗明介绍，2017年时，上海拥有的两家超导材料企业，每家的年产能还不足百公里。
超导材料临界电流的测试，也是一大难题。记者了解到，超导材料的临界电流指标决定了超导带材能否承载大电流。如果按照通用测试方法对280公里超导材料进行测试，预计测试时间将超过4年。
时间不等人。国网上海市电力公司组建超导产业战略联盟，公司纪委聚焦重点工程开展政治监督，上下游通力合作，共性技术共同研发。最终，攻关团队发明了超导涂层快速成相技术和生产装备，使得超导层的成膜速度成百倍提升，降低生产成本的同时有效提升产能，解决了超导带材批量化制备的瓶颈问题。总结超导带材在液氮中的冷却机制和升流速率的变化规律，开发出一套全新的测试技术和测试装置，使得超导材料临界电流测试速度提升了40倍……
另外，由于示范工程处于上海市中心地带，寸土寸金，超导电缆的敷设可谓是“螺蛳壳里做道场”。
“传统电缆敷设方式主要包括隧道、电缆沟、排管等方式，其中条件最为苛刻的就是排管敷设。但全程排管不仅占地面积小，还能最大程度减少外力对电缆的影响，因此我们选择了全程排管敷设。”宗明介绍。
对于超导电缆而言，这种敷设方式更是难上加难。项目团队成员回忆，除了高落差、多转角、小空间这些地理因素的制约外，他们当时还面临超导电缆冷缩补偿等技术瓶颈。
“超导电缆是在常温下敷设的，敷设好后加入-196℃的液氮，这时超导电缆就会发生冷缩，长度会发生变化。而超导电缆并不是只有超导材料，还包括了绝缘材料、绝热材料、不锈钢等，是一个复杂的‘综合体’，世界上没有一个团队拥有其具体的冷缩数据，包括其敷设时的牵引力、侧压力、弯曲半径等数据。”宗明告诉记者。
全世界首创超导电缆全程排管冷缩补偿方法，实行“泥水平衡顶管”“大角度绕行”工艺……项目团队采用创新技术和巧妙设计，将这些问题一一攻克，同时填补了世界首条商业化运行公里级超导电缆排管敷设经验的空白，节约了70%的用地空间。
线上监测线下巡检
全方位立体式守护超导电缆安全
“实时电流：517A。运行压力：正常。通道环境：正常……”11月30日，宗明打开超导电缆在线监测平台，查看着示范工程各监测点的监测数据。
图③：工作人员正在对超导电缆进行寒潮特巡工作
据介绍，在示范工程沿线，共布设电缆工作井9处，安装了21个智能井盖、80个智能地钉、9个可视化联动装置，以及液氮监测设备和光纤测振装置，搭建起了一张电缆系统运行的监控网。“这些设备的数据全部接入了超导电缆在线监测平台，可实时显示电缆运行温度、压力、电流、通道环境等多维度参量信息，呈现超导电缆及通道内、外部环境的运行实况。”宗明介绍，遇到异常情况，监测系统会发出实时预警，同时可以实现超导电缆系统的无人值守智能调控。
线上监测、线下巡检。为确保万无一失，国网上海市南供电公司还组建了一支多专业运维小组，针对重点区域设备开展红外测温以及电流、温度等重要参量的线下巡检监测，实现对示范工程的全方位立体式守护。
不仅如此，宗明和同事们也会定期对超导电缆进行检修试验，分析超导电缆投运后的真空层、冷却层状态变化及绝缘老化情况等，结合日常运维工作，形成工程运维、状态评价技术体系，并完成运维数据库搭建，进一步填补了相关数据空白。
图④：运维人员正在漕溪变电站内测量超导电缆终端设备运行温度
“我们还搭建了一套用户负荷‘画像’数据库及预测系统，实现对不同温度条件下各用户电流曲线的模拟仿真，帮助调度控制人员更好地预判负荷变化情况，使调度更精准更高效。”宗明告诉记者，示范工程供能用户涵盖居民楼、交通枢纽以及大型商业、产业园区等多种类型，用能习惯千差万别。为做到既能满足不同用户对用电质量的需求，又确保超导示范工程精准保持在合适的负荷区间且不会发生过载情况，运行近两年时间，国网上海市电力公司还充分验证了超导电缆带大负荷运行能力以及制冷系统裕度等，并获得了相关数据。
前段时间，在各项条件具备且确保用户可靠供电的情况下，国网上海市电力公司通过电网运行方式调整，实现用电负荷向超导输电工程的集中，进一步验证超导输电工程在2200安培的设计载流量和极限承载能力。
保持负荷高位运行期间，最高电流达2160.12安培，刷新了我国商用超导输电工程最大实际运行电流的纪录。其间，示范工程的电压、频率、冷却系统功率等重要参数均保持在正常范围内，各系统运转良好，示范工程的整体可靠性得到全面验证。
“迎峰度冬，我们信心满满。”宗明表示，这是一个里程碑，也是一个新起点。“未来，我们还将在公里数和电压等级上继续探索，发掘超导电缆更多的应用场景，将绿色低碳的理念融入到发电、输电、供电、用电的每一步。”
