作者：@天涯愛(ài)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(cháng)高溫超導輸電線(xiàn)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(shí)現輸送電。這是目前世界上距離最長(cháng)、輸送容量最大、全商業(yè)化運行的35千伏超導電纜輸電工程。

什么叫做高溫超導呢？超導大家都已經(jīng)很熟悉了，1911年發(fā)現超導體時(shí)，世人就被其奇特的性質(zhì)所吸引：零電阻，反磁性，和量子隧道效應等。但在此后很長(cháng)的一段時(shí)間內，所有已發(fā)現的超導體都只是在極低的溫度23K下才顯示出超導性質(zhì)。23K為絕對溫度，相當于-250°C左右，這種溫度在現實(shí)生活中很難達到，因此，其實(shí)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(diǎn)為-196°C（77K）。所以，科學(xué)上把77K這個(gè)臨界溫度稱(chēng)為“溫度壁壘”， 直到1987年90K超導體的發(fā)現，才第一次實(shí)現了液氮溫度（77 K）這個(gè)溫度壁壘的突破，此后，超導材料的實(shí)用性才逐漸得以實(shí)現?，F在所說(shuō)的高溫，是指77K，即-196°C，這是相對于過(guò)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(shí)現超導輸電呢？我們看看下圖就可以明白了。

高溫超導電纜

如圖所示，液氮從內管向外管流動(dòng)，超導材料則套在內外管之間，當液氮流動(dòng)時(shí)，超導材料就會(huì )得到冷卻。

上海市35千伏公里級超導電纜示范工程主要有以下4個(gè)特點(diǎn)。

一、長(cháng)度達到公里級

全長(cháng)1.2公里，為世界最長(cháng)。由于冷卻條件及材料等限制，過(guò)去高溫超導線(xiàn)路一直都很短，只能在數十米至百米左右的長(cháng)度下運營(yíng)。國內過(guò)去一個(gè)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(yíng)長(cháng)度僅為50米。雖然長(cháng)度有限，但是連續多年的穩定運行為后續其它工程積累了寶貴的經(jīng)驗。

上海寶鋼超導示范工程

在這個(gè)基礎之上，超導電纜運營(yíng)長(cháng)度不斷取得突破，今年9月份，深圳市向大灣區第一高樓深圳市平安金融中心供電的一條超導電纜更是長(cháng)達400百米，創(chuàng )下了國內最長(cháng)記錄。然而僅僅過(guò)了三四個(gè)月，上海示范段就后來(lái)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

據負責上海市示范工程的公司奧盛集團稱(chēng)，該公司的一根超導電纜可替代九根相同電壓等級的傳統電纜。換句話(huà)來(lái)說(shuō)，同樣電壓等級的電纜，輸電容量可以擴大9倍。原來(lái)是四回共計12根35千伏的常規電纜，現在只需要一回35千伏超導電纜線(xiàn)就可輸送同等電量，其效益是十分顯著(zhù)的。

而應用于深圳平安金融中心的超導電纜，直徑僅有17.5厘米，但輸電容量就高達43兆伏安，為常規電纜的5倍，相當于可同時(shí)滿(mǎn)足4列時(shí)速350公里高鐵的用電需求。

三、損耗低、節省能源

在液氮溫度下（約-196℃），超導電纜的電阻幾乎為零，加上一些轉接頭的損耗，整體導體損耗不足常規電纜的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電纜的50%～60%；如果用于直流輸電，電網(wǎng)線(xiàn)損更能降低70%以上。

四、占地面積小，節省材料。

現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，建設管網(wǎng)成本極高?，F在一條35千伏超導電纜就能達到傳統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電纜，和過(guò)去相比，可節省70%的地下管廊空間。同時(shí)，一公斤超導電纜能完成77公斤普通電纜的輸電量，可以大大節省傳統銅材用量，經(jīng)濟效益十分可觀(guān)。

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

高溫超導電纜

就在高溫超導技術(shù)逐步走向商業(yè)化的同時(shí)，有科學(xué)家提出，既然高溫超導要用到液氮來(lái)做冷卻劑，那么，電纜中原來(lái)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(xiàn)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材料，就能解決這個(gè)問(wèn)題。而中國科學(xué)家就把這個(gè)開(kāi)創(chuàng )性的設想變成了現實(shí)！

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(gè)電力與液化天然氣（LNG）混輸超導直流能源管道樣機完成了24小時(shí)滿(mǎn)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）混輸超導直流能源管道樣機（河北霸州）

高溫超導電纜畢竟因為成本高、技術(shù)積累少等不足之處，暫時(shí)還沒(méi)有用在百千米級以上的線(xiàn)路之中。目前將首先應用于短距離傳輸電力的場(chǎng)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(chǎng)、電鍍廠(chǎng)、發(fā)電廠(chǎng)和變電站等短距離傳輸大電流的場(chǎng)合，以及大型或超大型城市電力傳輸的場(chǎng)合。相信經(jīng)過(guò)一段時(shí)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，高溫超導技術(shù)在中長(cháng)遠距離的電力傳輸方面將逐步得以實(shí)現，到時(shí)候可能只需要簡(jiǎn)單的復制粘貼就行了。