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徐家匯，上海中央活動區(qū)之一。這里，高樓林立，車水馬龍。夜幕之下，霓虹閃爍，繽紛璀璨。其背后，是深埋地下的管廊里，一條全長1.2公里的35千伏超導(dǎo)電纜提供的電力支撐。

這條選址上海市徐匯區(qū)中心地段、長度達(dá)1.2公里的示范線，核心技術(shù)國產(chǎn)化率達(dá)100%，創(chuàng)造了諸多世界紀(jì)錄：世界輸送距離最長、接頭數(shù)量最多、輸送容量最大的商業(yè)化運(yùn)行超導(dǎo)輸電工程，世界首個為城市負(fù)荷中心供電的公里級超導(dǎo)輸電工程，世界唯一使用全程排管敷設(shè)的超導(dǎo)輸電工程。

作為世界首條35千伏公里級超導(dǎo)輸電示范工程，自正式投入運(yùn)行以來，這條線路已連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行超過700天，累計為上海徐家匯商圈等徐匯區(qū)核心區(qū)域4.6萬戶用戶供電3.2億度，開創(chuàng)了公里級超導(dǎo)電纜在大型城市核心區(qū)域運(yùn)行的先例。日前，工程順利實(shí)現(xiàn)滿容量運(yùn)行，刷新了全球商用超導(dǎo)輸電工程最大實(shí)際運(yùn)行容量的紀(jì)錄。

與傳統(tǒng)電纜相比，超導(dǎo)電纜的優(yōu)勢何在？研發(fā)過程中遇到了哪些難題，科研人員是如何一步步攻克的？迎峰度冬之時，這條輸電線路面臨哪些挑戰(zhàn)？記者帶您一探究竟。

高溫超導(dǎo)電纜其實(shí)溫度并不高

一根“史上最強(qiáng)電纜”堪比四到六根傳統(tǒng)電纜

進(jìn)入12月，上海將迎來一年中最冷的兩三個月，迎峰度冬保供工作成為能源電力行業(yè)的重中之重。國網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司的運(yùn)維人員張寒，1日一大早就來到長春變電站。

在他腳下，有一個-196℃的極寒世界。

這里是世界首條35千伏公里級超導(dǎo)輸電示范工程的進(jìn)口端。張寒當(dāng)天的任務(wù)就是對超導(dǎo)電纜運(yùn)行的終端設(shè)備和外部環(huán)境進(jìn)行巡檢。

“主要是為了監(jiān)測整條線路的運(yùn)行環(huán)境是否安全穩(wěn)定?！眹W(wǎng)上海市南供電公司總工程師宗明告訴記者，對于示范工程而言，超導(dǎo)特性是它有別于常規(guī)輸電線路的關(guān)鍵所在。

記者了解到，傳統(tǒng)電纜中的輸電介質(zhì)通常是由銅、鋁組成的合金導(dǎo)體，具有一定的電阻，在電力輸送過程中會產(chǎn)生相應(yīng)電能損耗。而超導(dǎo)輸電則是利用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)特性，使電力傳輸介質(zhì)接近于零電阻，相應(yīng)地，電能傳輸損耗趨近于零，從而實(shí)現(xiàn)低電壓等級的大容量輸電，即“窄通道大容量”。

在35千伏的設(shè)計電壓下，一根超導(dǎo)電纜能輸送超過2000安培的大電流?！跋喈?dāng)于四到六根相同電壓等級的傳統(tǒng)電纜。在滿足供電需求的同時，可以減少城市電網(wǎng)中高壓電纜的使用，簡化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省占用空間?！弊诿鞲嬖V記者，正是體積小、重量輕、傳輸容量大、電能損耗低、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，使得超導(dǎo)輸電被視為當(dāng)今電力行業(yè)最具革命性的前沿技術(shù)之一，超導(dǎo)電纜也被稱為“史上最強(qiáng)電纜”。

但超導(dǎo)材料有它的臨界溫度，只有低于臨界溫度，才能形成超導(dǎo)體。據(jù)介紹，該示范工程所使用的超導(dǎo)電纜的核心材料是我國自主研發(fā)的第二代高溫超導(dǎo)帶材。

“雖然名字叫‘高溫超導(dǎo)’，實(shí)則溫度并不高，要在-196℃以下的環(huán)境中才能維持其超導(dǎo)態(tài)?！弊诿鬟M(jìn)一步解釋說，早在1911年，荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于-268.95℃時，水銀的電阻突然降為0，呈現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)。后來發(fā)現(xiàn)不同材料的超導(dǎo)臨界溫度不同，為了使超導(dǎo)材料更具實(shí)用性，科學(xué)家們開始探索高溫超導(dǎo)，一度將超導(dǎo)體的臨界溫度提高到-183℃。35千伏公里級超導(dǎo)輸電示范工程中使用的第二代高溫超導(dǎo)帶材的臨界溫度是-196℃，而這也正是液氮的溫度。

記者了解到，超導(dǎo)輸電工程的一個難點(diǎn)就是如何維持電纜的超導(dǎo)態(tài)，也就是如何使電纜中的輸電介質(zhì)始終處于其臨界溫度及以下。“所以科研人員就想辦法讓線纜被液氮包裹起來?！弊诿髡f，獨(dú)特的電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計解決了這一難題。

如果把這條超導(dǎo)電纜剖開，大家會看到獨(dú)創(chuàng)的、類似“三色圓珠筆”的結(jié)構(gòu)——外層的雙層柔性真空絕熱管中，包裹著三股相互絕緣的超導(dǎo)纜芯，仿佛三根“筆芯”，用以傳送三相交流電。運(yùn)行時，“三色圓珠筆”里充滿液氮，在冷卻系統(tǒng)加持下，讓整條輸電線路始終處于-196℃的臨界溫度。

新技術(shù)新裝備新工藝

解決“螺螄殼里做道場”等諸多難題

事實(shí)上，早在1998年，我國就制備出了首條一米長的超導(dǎo)電纜小樣。2012年，一條長360米的超導(dǎo)電纜為河南一家企業(yè)輸送電力，這是我國超導(dǎo)電纜首次走入用戶端，也是當(dāng)時世界上傳輸電流最大的高溫超導(dǎo)直流電纜。2021年9月，一條400米長的超導(dǎo)電纜，開始為深圳的標(biāo)志性建筑“平安大廈”供電，標(biāo)志著我國超導(dǎo)電纜開始走入普通百姓的生活。同年12月，一條長1.2公里、創(chuàng)造諸多世界紀(jì)錄的示范工程建成投運(yùn)，為上海徐匯區(qū)核心區(qū)域4萬多戶家庭和商戶供電，標(biāo)志著我國超導(dǎo)電纜技術(shù)走在了世界最前列。

從一米到公里級，“二十年磨一劍”，磨的是超導(dǎo)電纜的核心——高溫超導(dǎo)帶材。

“制備一米長的電纜小樣容易，但要想放大到幾百米，甚至上千米，并不容易?！弊诿骰貞?，從高溫超導(dǎo)帶材的制備，到材料測試，再到電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計、頂管敷設(shè)等，每一個環(huán)節(jié)都是一座“高峰”。

據(jù)介紹，高溫超導(dǎo)帶材的制備過程十分復(fù)雜，就像砌墻一樣，要砌得很整齊，才會具備優(yōu)良的性能，也才能負(fù)載很強(qiáng)的電流，如果砌歪了或者哪怕有一點(diǎn)瑕疵，它的性能就會受到很大影響，甚至不能使用。

而示范工程雖然只有1.2公里，但制備這條超導(dǎo)電纜卻使用了近280公里的超導(dǎo)材料?！俺瑢?dǎo)材料的生產(chǎn)效率、成品率等，都跟不上現(xiàn)實(shí)需要。”宗明介紹，2017年時，上海擁有的兩家超導(dǎo)材料企業(yè)，每家的年產(chǎn)能還不足百公里。

超導(dǎo)材料臨界電流的測試，也是一大難題。記者了解到，超導(dǎo)材料的臨界電流指標(biāo)決定了超導(dǎo)帶材能否承載大電流。如果按照通用測試方法對280公里超導(dǎo)材料進(jìn)行測試，預(yù)計測試時間將超過4年。

時間不等人。國網(wǎng)上海市電力公司組建超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略聯(lián)盟，公司紀(jì)委聚焦重點(diǎn)工程開展政治監(jiān)督，上下游通力合作，共性技術(shù)共同研發(fā)。最終，攻關(guān)團(tuán)隊發(fā)明了超導(dǎo)涂層快速成相技術(shù)和生產(chǎn)裝備，使得超導(dǎo)層的成膜速度成百倍提升，降低生產(chǎn)成本的同時有效提升產(chǎn)能，解決了超導(dǎo)帶材批量化制備的瓶頸問題?？偨Y(jié)超導(dǎo)帶材在液氮中的冷卻機(jī)制和升流速率的變化規(guī)律，開發(fā)出一套全新的測試技術(shù)和測試裝置，使得超導(dǎo)材料臨界電流測試速度提升了40倍……

另外，由于示范工程處于上海市中心地帶，寸土寸金，超導(dǎo)電纜的敷設(shè)可謂是“螺螄殼里做道場”。

“傳統(tǒng)電纜敷設(shè)方式主要包括隧道、電纜溝、排管等方式，其中條件最為苛刻的就是排管敷設(shè)。但全程排管不僅占地面積小，還能最大程度減少外力對電纜的影響，因此我們選擇了全程排管敷設(shè)?！弊诿鹘榻B。

對于超導(dǎo)電纜而言，這種敷設(shè)方式更是難上加難。項目團(tuán)隊成員回憶，除了高落差、多轉(zhuǎn)角、小空間這些地理因素的制約外，他們當(dāng)時還面臨超導(dǎo)電纜冷縮補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)瓶頸。

“超導(dǎo)電纜是在常溫下敷設(shè)的，敷設(shè)好后加入-196℃的液氮，這時超導(dǎo)電纜就會發(fā)生冷縮，長度會發(fā)生變化。而超導(dǎo)電纜并不是只有超導(dǎo)材料，還包括了絕緣材料、絕熱材料、不銹鋼等，是一個復(fù)雜的‘綜合體’，世界上沒有一個團(tuán)隊擁有其具體的冷縮數(shù)據(jù)，包括其敷設(shè)時的牽引力、側(cè)壓力、彎曲半徑等數(shù)據(jù)?！弊诿鞲嬖V記者。

全世界首創(chuàng)超導(dǎo)電纜全程排管冷縮補(bǔ)償方法，實(shí)行“泥水平衡頂管”“大角度繞行”工藝……項目團(tuán)隊采用創(chuàng)新技術(shù)和巧妙設(shè)計，將這些問題一一攻克，同時填補(bǔ)了世界首條商業(yè)化運(yùn)行公里級超導(dǎo)電纜排管敷設(shè)經(jīng)驗的空白，節(jié)約了70%的用地空間。

線上監(jiān)測線下巡檢

全方位立體式守護(hù)超導(dǎo)電纜安全

“實(shí)時電流：517A。運(yùn)行壓力：正常。通道環(huán)境：正?！?1月30日，宗明打開超導(dǎo)電纜在線監(jiān)測平臺，查看著示范工程各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

據(jù)介紹，在示范工程沿線，共布設(shè)電纜工作井9處，安裝了21個智能井蓋、80個智能地釘、9個可視化聯(lián)動裝置，以及液氮監(jiān)測設(shè)備和光纖測振裝置，搭建起了一張電纜系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控網(wǎng)?！斑@些設(shè)備的數(shù)據(jù)全部接入了超導(dǎo)電纜在線監(jiān)測平臺，可實(shí)時顯示電纜運(yùn)行溫度、壓力、電流、通道環(huán)境等多維度參量信息，呈現(xiàn)超導(dǎo)電纜及通道內(nèi)、外部環(huán)境的運(yùn)行實(shí)況?！弊诿鹘榻B，遇到異常情況，監(jiān)測系統(tǒng)會發(fā)出實(shí)時預(yù)警，同時可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的無人值守智能調(diào)控。

線上監(jiān)測、線下巡檢。為確保萬無一失，國網(wǎng)上海市南供電公司還組建了一支多專業(yè)運(yùn)維小組，針對重點(diǎn)區(qū)域設(shè)備開展紅外測溫以及電流、溫度等重要參量的線下巡檢監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對示范工程的全方位立體式守護(hù)。

不僅如此，宗明和同事們也會定期對超導(dǎo)電纜進(jìn)行檢修試驗，分析超導(dǎo)電纜投運(yùn)后的真空層、冷卻層狀態(tài)變化及絕緣老化情況等，結(jié)合日常運(yùn)維工作，形成工程運(yùn)維、狀態(tài)評價技術(shù)體系，并完成運(yùn)維數(shù)據(jù)庫搭建，進(jìn)一步填補(bǔ)了相關(guān)數(shù)據(jù)空白。

“我們還搭建了一套用戶負(fù)荷‘畫像’數(shù)據(jù)庫及預(yù)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對不同溫度條件下各用戶電流曲線的模擬仿真，幫助調(diào)度控制人員更好地預(yù)判負(fù)荷變化情況，使調(diào)度更精準(zhǔn)更高效?！弊诿鞲嬖V記者，示范工程供能用戶涵蓋居民樓、交通樞紐以及大型商業(yè)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)等多種類型，用能習(xí)慣千差萬別。為做到既能滿足不同用戶對用電質(zhì)量的需求，又確保超導(dǎo)示范工程精準(zhǔn)保持在合適的負(fù)荷區(qū)間且不會發(fā)生過載情況，運(yùn)行近兩年時間，國網(wǎng)上海市電力公司還充分驗證了超導(dǎo)電纜帶大負(fù)荷運(yùn)行能力以及制冷系統(tǒng)裕度等，并獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)。

前段時間，在各項條件具備且確保用戶可靠供電的情況下，國網(wǎng)上海市電力公司通過電網(wǎng)運(yùn)行方式調(diào)整，實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷向超導(dǎo)輸電工程的集中，進(jìn)一步驗證超導(dǎo)輸電工程在2200安培的設(shè)計載流量和極限承載能力。

保持負(fù)荷高位運(yùn)行期間，最高電流達(dá)2160.12安培，刷新了我國商用超導(dǎo)輸電工程最大實(shí)際運(yùn)行電流的紀(jì)錄。其間，示范工程的電壓、頻率、冷卻系統(tǒng)功率等重要參數(shù)均保持在正常范圍內(nèi)，各系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，示范工程的整體可靠性得到全面驗證。

“迎峰度冬，我們信心滿滿?！弊诿鞅硎?，這是一個里程碑，也是一個新起點(diǎn)?！拔磥?，我們還將在公里數(shù)和電壓等級上繼續(xù)探索，發(fā)掘超導(dǎo)電纜更多的應(yīng)用場景，將綠色低碳的理念融入到發(fā)電、輸電、供電、用電的每一步?！?/p>

原標(biāo)題：電力高速暢通無“阻” 探訪世界首條35千伏公里級超導(dǎo)輸電示范工程