高温超导电缆，以其容量大、损耗低、自限流及环境友好等显著优势，正逐渐成为解决城市电网升级难题、实现高效电力传输及赋能大容量电力应用的关键技术。探讨其产业发展趋势，不仅具有深厚的理论基础，更蕴含着重要的工程应用价值。近日，中国工程院黄崇祺院士团队在《中国工程科学》2024年第4期上发表了《高温超导电缆应用场景与产业发展》一文，系统剖析了高温超导电缆的技术特性与应用要素，并详细探讨了其在超级开关站、大电流专线、数据中心供电等多个领域的应用前景。同时，该文还从国际和国内两个视角，全面梳理了高温超导电缆的研发及应用进展，特别是对我国在关键产品研制、关键技术研究以及工程项目实施等方面的情况进行了深入剖析。此外，文章还针对高温超导电缆产业未来发展的挑战，如加强运维技术、攻克大型制冷机技术、降低工程整体造价等，提出了针对性的发展建议，旨在为高温超导电缆产业的高质量发展提供有益参考。

前言

高温超导电缆凭借其大容量、低损耗、自限流以及环境友好等特性，在应对新能源接入对电网的挑战、推动能源互联网建设方面展现出显著优势。其应用不仅有助于降低输电过程中的碳排放，还能有效节约地下管廊空间，同时提升输电容量并增强安全可靠性。鉴于高温超导电缆的重要价值，发达国家纷纷投入研究并实施了一系列重点项目。例如，美国在2019年启动了弹性电网（REG）项目，旨在建设基于高温超导电缆的城市电网；欧洲则在2020年提出了SuperLink项目，致力于攻克12公里长度级别的高温超导电缆技术。此外，韩国还提出了超导平台供电的概念，探索高温超导电缆在轨道交通中的应用。

在我国，随着城市用电需求的持续增长和土地资源的日益紧缺，合理规划土地资源、提升电网输送容量和效率成为了紧迫任务。城市中心区域的用电负荷不断攀升，对供电稳定性和安全性的要求也愈发严格。传统的输电电缆已难以满足日益增长的需求，因此亟需引入中低电压等级的大容量传输设备来强化供电能力。同时，故障电流的问题也随着用电需求的增长而日益凸显，亟需新型解决方案来应对。

在此背景下，《工业和信息化部等七部门关于推动未来产业创新发展的实施意见》提出要加快高温超导材料的创新应用，而《新型电力系统发展蓝皮书》则强调了开展新型输电组网技术创新的重要性。未来，随着低频输电、高温超导直流输电等技术的规模化应用，有望进一步发展为输电与输气一体化的“高温超导能源管道”，为城市电网的升级和高效电力传输提供有力支撑。
当前，随着高温超导材料、低温制冷技术以及产业应用技术的飞速进步，高温超导电缆正逐步从实验室走向商业化应用。国外已有众多高温超导电缆成功投入电网示范和商业运行。在我国，高温超导电缆产业已实现关键材料和设备的国产化，产业链上下游协同发展势头良好。然而，我们也面临着需求牵引不足、配套技术发展滞后等挑战。本文旨在深入探讨高温超导电缆的技术特点、关键要素，并归纳其代表性应用场景。同时，我们将梳理高温超导电缆的研制及应用进展，剖析未来发展的挑战，并给出产业发展建议，以期为高温超导电缆产业的持续健康发展及其在电力传输行业的深度应用提供有益参考。

高温超导电缆的技术特点与应用要素

（一）高温超导电缆的技术特点

“零电阻”与低损耗
高温超导电缆凭借其超导材料，实现了无阻传输电流的能力，使得在传输直流电流时电阻几乎为零。尽管在传输交流电流时，会面临磁滞损耗、涡流损耗和耦合损耗，但高温超导电缆的交流损耗相较于传统电缆仍显著降低，例如，传输数千安培交流电流时的损耗仅为瓦级。

大容量
高温超导电缆的输电能力深受其临界电流和损耗水平的影响。普遍认为，交流超导电缆的输电容量是传统电缆的4至9倍；而对于直流超导电缆，由于其没有交流损耗，其输电容量更是高达传统电缆的10倍以上。随着超导材料技术的不断进步，高温超导电缆的输电容量仍有巨大的增长潜力。

自限流特性
在正常工作状态下，高温超导电缆的超导材料保持“零电阻”状态，以极低的损耗传输电能。然而，一旦电网系统发生短路等故障，导致流经电缆的电流超过临界值，高温超导电缆会迅速失去其超导特性（电阻急剧增加），从而有效地限制了故障电流在电网中的进一步传播。这种自限流特性对于构建超安全电网具有重要意义。

电磁屏蔽与独立热场
高温超导电缆通过采用超导材料作为屏蔽层或采用三相同轴设计，理论上能够完全消除电缆对外产生的外部磁场。其配备的真空杜瓦具有良好的绝热性能，使得电缆能够在低温环境下运行，且不会对外部环境产生散热影响。这种电磁和热方面的独立性，使得高温超导电缆能够采用密集敷设方式来适应狭窄的地下空间，为电网扩容提供了便捷的工程实施条件。
高温超导电缆工程涵盖了电缆系统、制冷系统以及监控系统等多个组成部分，构成了一个复杂而综合的系统。在这个系统中，电能的传输、冷热能的转换以及信息流的传递都至关重要。为了保障高温超导电缆能够在低温环境下稳定运行，冷能接口与液化天然气（LNG）运输等场景的耦合显得尤为重要。同时，制冷机作为系统中的关键设备，负责将高温超导电缆输电过程中的损耗以及漏热负荷带走，其能耗以热能形式通过冷却水得以释放，这也为热能接口与热水应用的耦合提供了可能。此外，监控系统通过采集工程运行参数和状态参数，为电网调度和人工智能大模型的应用提供了便利条件，从而为高温超导电缆乃至整个电网的运行状态评估与控制打下了坚实基础。

在探讨高温超导电缆的应用要素时，我们不得不关注高温超导带材的选择。目前，市场上主要有两种高温超导带材：一种是Bi2Sr2Ca2Cu3O10超导带材，也被称作第一代高温超导带材；另一种则是REBa2Cu3O7-x超导带材，即第二代高温超导带材。这两种带材都具备较高的临界转变温度，可在液氮温度下展现出卓越的超导性能。高临界电流密度是实现高温超导电缆大容量、低损耗特性的关键，而高温超导材料的选择则直接决定了电缆的性能及成本。目前，第二代高温超导带材在成本和性能方面展现出更大的潜力，因此成为了高温超导电缆技术研究的核心内容。未来，进一步提升高温超导带材的临界电流性能以及制备工艺的稳定性，将是该领域研究的重要方向。
高温超导电缆的运行环境需要维持在液氮温区，这离不开专门的制冷设备来确保低温条件。对于长达数千米的高温超导电缆工程，其冷量需求通常达到数十千瓦。尽管高温超导电缆本身的损耗低于传统电缆，但制冷机的工作效率会影响到电缆的损耗放大，甚至可能削弱其节能优势。因此，大型制冷设备作为高温超导电缆工程中的关键设备，其性能对工程的节能水平和安全性至关重要。
此外，智能化监控技术也是不可或缺的。由于高温超导电缆涉及众多运行参数，这些参数的稳定控制对于确保电缆的安全运行至关重要。智能化监控技术能够实时采集和处理这些参数，为电缆的精细控制提供支持，从而挖掘出更多的应用价值。

另一方面，高性能真空杜瓦的设计也是高温超导电缆工程中的一项关键技术。由于电缆运行在液氮温区，与外部环境存在显著的温差，因此会产生漏热现象，给系统带来热负荷。真空杜瓦采用高真空和多层超级绝热材料等技术，有效降低热量传输，确保电缆在低温环境下稳定运行。

高温超导电缆的应用场景

（一）超级开关站

大型城市的中心电网面临着负荷密度高、通道资源有限的挑战，这往往导致区域供电紧张。为了缓解这一矛盾，通常会在220 kV变电站周围增设布点开关站来扩大供电范围。然而，普通开关站受到进线输送容量和出线仓位限制，往往难以满足实际用电需求。高温超导电缆的引入，使得在负荷中心区域建设超级开关站成为可能。这种超级开关站不仅能替代4~5个传统开关站，还具备高压变电站的等效功能，从而减少了中心城区的空间需求，提高了供电设施建设的可行性。通过建设超级开关站，可以将大型城市的高压／超高压变电站外移，甚至节省一至两级高压变电站，进而显著降低输电损耗、节约宝贵的城市土地资源，并避免高压变电站建设可能引发的环境影响评价问题。

（二）大电流专线

大型电力用户，如金属冶炼工厂、大型化工厂和大型空分厂，通常采用高电压等级接入，再经由用户变电站降压为低电压为厂区供电。然而，通过采用高温超导电缆来构建大电流专线，这些用户可以享受更为高效、经济的供电方式。这种专线能够直接从高压变电站的低电压出线端以大电流、低电压的形式为用户供电，从而减少了用户侧降压变压器的需求，降低了投资成本和输电能耗。此外，大电流专线还可作为大型发电站的大电流母线使用，其低损耗、大容量的特性使得输电损耗得以减少，同时节约了宝贵的通道空间。

在追求节能减排的高能耗行业中，高温超导电缆迎来了宝贵的应用机遇。以钢铁行业为例，其冶炼碳排放量占全国总量的15%，主要归因于高炉-转炉长流程的冶炼方式。为了降低碳排放，电炉冶炼的短流程炼钢成为行业发展的趋势，这也为高温超导电缆提供了广阔的市场空间。值得一提的是，大型冶炼厂通常配备有空分厂，其副产品液氮可被用于高温超导电缆的制冷系统，从而节省了制冷机的能耗，进一步降低了高温超导电缆的应用成本。

（三）数据中心供电

随着数字化转型的加速，我国数据中心产业蓬勃发展，年均用电量增速超过10%，2023年总耗电量高达962×1011 kW·h。主流的供配电方案采用2N双母线架构的交流不间断电源进行集中供电。然而，若采用直流高温超导电缆进行供电（见图3），通过将逆变单元布置在远离机房的位置，可以充分利用其大容量和无阻特性来降低输电损耗并简化供电结构。此外，这种供电方式也为风电/光伏发电的直流并入以及储能系统的直接并入提供了便捷的条件。

（四）新能源驱动的电解铝与电解水制氢

电解铝行业作为高耗能产业，其碳排放问题备受关注。为了降低碳排放，优化能源结构、提高清洁能源使用比例、采用大电流电解槽以及发展新材料和新工艺等成为关键途径。根据《减污降碳协同增效实施方案》，到2030年，电解铝使用可再生能源的比例预计将提升至30%。在此背景下，相关企业研发了分布式光伏直流接入电解铝母排的技术，有效减少了逆变和整流过程中的电能损耗，为电解铝生产带来了实际效益。同时，铝电解槽的大型化发展也取得了显著进展，目前主流型号包括500 kA、600 kA和660 kA规格。利用高温超导电缆的“零电阻”特性，可以显著降低母线电压损失，进而减少铝电解过程的能耗。此外，高温超导电缆的高载流能力也使得母线尺寸得以显著缩小，例如，一根直径小于200 mm的直流高温超导电缆便可替代数十万平方毫米的金属母排。

全球氢气消费中，电解水制氢的占比虽然目前仅为1%，但其未来发展空间巨大。氢能与可再生能源具有天然的互补性，“风光氢储”的开发模式在“三北”地区等风、光资源丰富的区域具有显著价值。碱性电解水制氢和质子交换膜电解水制氢是当前商业化的主要制氢技术，它们通过直流电流驱动水分子的氢原子与氧原子分离，制氢效率高度依赖于电流大小。因此，大容量、“零电阻”的直流高温超导电缆成为了这些制氢技术的理想选择。通过将新能源电力接入电解铝和电解水制氢车间，高温超导直流电缆不仅大幅降低了输电损耗，还简化了变压、整流和逆变等过程，从而提高了效率并节约了投资。