作者：天涯愛科學(xué)

近日，多家媒體都報道了一條令人興奮的消息：世界最長高溫超導(dǎo)輸電線路纜商業(yè)化示范段于12月22日在上海正式投運，按原計劃成功實現(xiàn)輸送電。這是目前世界上距離最長、輸送容量最大、全商業(yè)化運行的35千伏超導(dǎo)電纜輸電工程。

什么叫做高溫超導(dǎo)呢？超導(dǎo)大家都已經(jīng)很熟悉了，1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體時，世人就被其奇特的性質(zhì)所吸引：零電阻，反磁性，和量子隧道效應(yīng)等。但在此后很長的一段時間內(nèi)，所有已發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體都只是在極低的溫度23K下才顯示出超導(dǎo)性質(zhì)。23K為絕對溫度，相當于-250°C左右，這種溫度在現(xiàn)實生活中很難達到，因此，其實用意義不大。由于工業(yè)上比較容易得到的低溫介質(zhì)是液氮，而氮的沸點為-196°C（77K）。所以，科學(xué)上把77K這個臨界溫度稱為“溫度壁壘”， 直到1987年90K超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，才第一次實現(xiàn)了液氮溫度（77 K）這個溫度壁壘的突破，此后，超導(dǎo)材料的實用性才逐漸得以實現(xiàn)?，F(xiàn)在所說的高溫，是指77K，即-196°C，這是相對于過去20多K而言的，并非是大家所理解的日常溫度甚至幾百度。

那么，如何在-196°C下實現(xiàn)超導(dǎo)輸電呢？我們看看下圖就可以明白了。

高溫超導(dǎo)電纜

如圖所示，液氮從內(nèi)管向外管流動，超導(dǎo)材料則套在內(nèi)外管之間，當液氮流動時，超導(dǎo)材料就會得到冷卻。

上海市35千伏公里級超導(dǎo)電纜示范工程主要有以下4個特點。

一、長度達到公里級

全長1.2公里，為世界最長。由于冷卻條件及材料等限制，過去高溫超導(dǎo)線路一直都很短，只能在數(shù)十米至百米左右的長度下運營。國內(nèi)過去一個比較成功的案例是上海寶鋼集團示范工程，該工程在2013年建成，運營長度僅為50米。雖然長度有限，但是連續(xù)多年的穩(wěn)定運行為后續(xù)其它工程積累了寶貴的經(jīng)驗。

上海寶鋼超導(dǎo)示范工程

在這個基礎(chǔ)之上，超導(dǎo)電纜運營長度不斷取得突破，今年9月份，深圳市向大灣區(qū)第一高樓深圳市平安金融中心供電的一條超導(dǎo)電纜更是長達400百米，創(chuàng)下了國內(nèi)最長記錄。然而僅僅過了三四個月，上海示范段就后來居上，一舉突破了1000米，成為世界之最。

深圳市平安金融中心

二、輸電容量大

據(jù)負責(zé)上海市示范工程的公司奧盛集團稱，該公司的一根超導(dǎo)電纜可替代九根相同電壓等級的傳統(tǒng)電纜。換句話來說，同樣電壓等級的電纜，輸電容量可以擴大9倍。原來是四回共計12根35千伏的常規(guī)電纜，現(xiàn)在只需要一回35千伏超導(dǎo)電纜線就可輸送同等電量，其效益是十分顯著的。

而應(yīng)用于深圳平安金融中心的超導(dǎo)電纜，直徑僅有17.5厘米，但輸電容量就高達43兆伏安，為常規(guī)電纜的5倍，相當于可同時滿足4列時速350公里高鐵的用電需求。

三、損耗低、節(jié)省能源

在液氮溫度下（約-196℃），超導(dǎo)電纜的電阻幾乎為零，加上一些轉(zhuǎn)接頭的損耗，整體導(dǎo)體損耗不足常規(guī)電纜的1/10。即使算上液氮制冷的能量損耗，其運行總損耗也僅為常規(guī)電纜的50%～60%；如果用于直流輸電，電網(wǎng)線損更能降低70%以上。

四、占地面積小，節(jié)省材料。

現(xiàn)代城市特別是超級城市寸土寸金，而且地下管網(wǎng)如蛛網(wǎng)密布，建設(shè)管網(wǎng)成本極高?，F(xiàn)在一條35千伏超導(dǎo)電纜就能達到傳統(tǒng)220千伏電纜的輸送容量，可以替代8～9條相同電壓等級傳統(tǒng)電纜，和過去相比，可節(jié)省70%的地下管廊空間。同時，一公斤超導(dǎo)電纜能完成77公斤普通電纜的輸電量，可以大大節(jié)省傳統(tǒng)銅材用量，經(jīng)濟效益十分可觀。

此外，高溫超導(dǎo)電纜還具有污染少（相對于充油電纜）、低噪音，電磁輻射低等等優(yōu)點。

高溫超導(dǎo)電纜

就在高溫超導(dǎo)技術(shù)逐步走向商業(yè)化的同時，有科學(xué)家提出，既然高溫超導(dǎo)要用到液氮來做冷卻劑，那么，電纜中原來流通液氮的管路能不能換成流通液化天然氣？這樣，同一條線路，一邊輸送電力，一邊輸送液化天然氣，豈不是一舉雙得？液化天然氣的溫度-161.5℃，僅僅比液氮高30多度，只要找到合適的高溫超導(dǎo)材料，就能解決這個問題。而中國科學(xué)家就把這個開創(chuàng)性的設(shè)想變成了現(xiàn)實！

2021年8月份，在河北省霸州市的國家電網(wǎng)公司特高壓桿塔試驗基地，由中國電科院牽頭的世界首個電力與液化天然氣（LNG）混輸超導(dǎo)直流能源管道樣機完成了24小時滿負荷運行試驗。試驗中，運行電壓±100千伏，運行電流1000安培，而液化天然氣輸送流量達到了每分鐘100升。

中國電科院電力與液化天然氣（LNG）混輸超導(dǎo)直流能源管道樣機（河北霸州）

高溫超導(dǎo)電纜畢竟因為成本高、技術(shù)積累少等不足之處，暫時還沒有用在百千米級以上的線路之中。目前將首先應(yīng)用于短距離傳輸電力的場合（如發(fā)電機到變壓器、變電中心到變電站、地下變電站到城市電網(wǎng)端口）及鋼鐵廠、電鍍廠、發(fā)電廠和變電站等短距離傳輸大電流的場合，以及大型或超大型城市電力傳輸?shù)膱龊?。相信?jīng)過一段時間的技術(shù)積累，特別是電力與液化天然氣（LNG）混輸技術(shù)成熟后，高溫超導(dǎo)技術(shù)在中長遠距離的電力傳輸方面將逐步得以實現(xiàn)，到時候可能只需要簡單的復(fù)制粘貼就行了。