第27卷第5期低 温 物 理 学 报Vol.27,No.5 2005年11月CHIN ESE J OURNAL OF LOW TEMPERA TU RE P H YSICS Nov.,2005超导电缆与传统电缆生命周期费用的比较3席海霞 任安林 信　赢北京云电英纳超导电缆有限公司,北京　100176 超导电缆作为高温超导技术电力应用的一个主要发展方向,由于其低损耗、大容量、无污染等优点受到越来越多的关注.本文提供了一组比较超导电缆和传统电缆生命周期费用的计算模型,根据该组模型可以对制冷机价格、超导电缆费用、制冷机效率、电缆负荷状态等因素如何影响超导电缆生命周期费用进行分析,为高温超导的产业化发展提供方向.文章最后给出一组超导电缆与传统电缆的比较实例,关键词:生命周期费用,超导电缆,传统电缆PACC:7400,74901引 言超导电缆作为高温超导技术电力应用的一个主要发展方向,由于其低损耗、大容量、无污染等优点受到越来越多的关注.但是,由于目前超导电缆的造价还很高,超导电缆输电线路的初投资规模巨大,加上超导电缆的工业化生产能力还不高,所以超导电缆的大规模应用还需十年或更长的时间.本文引用了一组比较超导电缆与传统电缆生命周期费用的数学模型,并通过具体实例对影响超导电缆大规模应用的因素进行了分析.2超导电缆简介超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的理想导体.使用超导材料作为导体的电力传输电缆被称为超导电缆.低温超导电缆以液氦作为冷却剂,由于液氦价格昂贵,使得低温超导电缆失去了工业应用的可行性.使用高温超导材料制作超导电缆,可以在液氮的冷却下无电阻地传输电能,由于液氮的价格低廉,使高温超导电缆的大规模应用成为可能.超导电缆主要包括电缆本体、电缆终端和低温制冷系统.其中,电缆本体为电力传输主体,主要依靠超导线材进行电力传输,高温超导线材的运行温区为液氮温区(-196℃).终端3国家863计划(项目编号:2004AA306110),北京市科委2001重大科技项目(项目编号:H020*********),2004云南省合作项目(项目编号:2003BADCA05A041)资助的项目.作者email:xi_haixia@.　收稿日期:20052032315期席海霞等:超导电缆与传统电缆生命周期费用的比较为电缆本体和外部其他电气设备相互连接的端口,主要通过电流引线实现电气连接,运行期间,电流引线的上端处于环境温度,下端处于液氮温区,所以终端还起着完成温度过渡的任务.低温制冷系统带走超导电缆运行期间产生的热损耗,为超导电缆提供超导环境.运行过程中,超导电缆消耗的能量主要包括(1)电缆本体进行电力传输产生的损耗;(2)电缆终端进行电力传输产生的损耗;(3)为保证超导电缆正常运行制冷机所消耗的能量.3电缆生命周期费用计算模型对于超导电缆,我们不仅希望其可以节能,而且还希望节省的这部分能量可以补偿其高昂的初期投资.这样,超导电缆才可能突破应用的局限性,替代传统电缆,获得大规模的应用.本节引入生命周期费用概念和计算模型,对超导电缆和传统电缆的生命周期费用进行比较.对于电缆,生命周期费用由电缆正式输电前的所有初期投资和电缆输电后整个生命周期内的运行费用两部分构成.根据文献[1],可采用如下模型进行计算E s=lI sχs+r((θ+ωs)l+τ)+0.0876εd{ρ[(θ+uωs)l+τ]+uωs l}(1)E s=lI sχs+0.0876dl uωc(2)其中,ω为单位长度电缆损耗,w/m.l为电缆长度,m.θ为单位长度漏热损耗,w/m.τ为终端损耗,w.ρ为带走低温区1W热负荷需要输入的制冷机的功率,称为卡诺系数.P为电缆输送的电功率,w.u为电缆利用率(相对全负荷).I为电流,A.x为电缆价格,＄/kAm.r 为单位热负荷制冷机价格,＄/W.ε为电费,cent/kWh.d为贴现因子.下标s代表超导电缆,c代表传统电缆.式(1)前两项分别为超导电缆和其配套的低温系统的初投资,后一项为超导电缆运行的能量消耗.式(2)的前一项为传统电缆的初投资,后一项为传统电缆运行的能量消耗.式(1)和(2)均没有考虑电缆前期的设计和安装费用,及后期的维护费用,实际应用中,可根据具体情况确定是否考虑相关费用.对一组超导电缆和传统电缆的生命周期费用进行比较时,它们的传输容量通常不同,因此,我们以单位传输功率的生命周期费用为标准进行比较,引入容量系数R=P sP c ,当E sP s=E cP c即E s=R E c(3)时,认为两类电缆的生命周期费用相等.将(1)和(2)带入(3)整理得l=rτ+0.0876εdρτR I cχc-I sχs-r(θ+ωs)+0.0876εd[(Ruωc-uωs)-ρ(θ+uωs)](4)令A=rτ+0.0876εdρτB=RI cχc-I sχs-r(θ+ωs)+0.0876εd[(Ruωc-uωs)-ρ(θ+uωs)]当BΦ0时,任何长度传统电缆的生命周期费用将小于超导电缆的生命周期费用.当B>0979 低 温 物 理 学 报 27卷时,存在一个最小长度l min=AB,当l>l min时,超导电缆的生命周期费用小于传统电缆的生命周期费用.由B=0,得χs=RI cχc-I sχs-r(θ+ωs)+0.0876εd[(Ruωc-uωs)-ρ(θ+uωs)]I s(5)根据式(5),可以得到超导电缆价格与某一或某几个参数的一条或几条曲线,当在曲线上方或曲线上取值时,BΦ0,当在曲线下方取值时,B>0.式(5)可以根据计算和分析需要采用不同的表达方式.综上所述,当所有数据已知时,我们可以根据式(1)和(2)对超导电缆和传统电缆的生命周期费用直接进行计算,并通过引入容量系数R对二者进行比较.如果想分析某一或某几个参数对超导电缆和传统电缆的生命周期费用差距的影响,可以采用式(4)和(5).下面将举出一组实例进行说明.4举 例表1为一组超导电缆与XL PE电缆的运行参数,引自文献[1].表1　超导电缆与X LPE电缆的运行参数名称H TS电缆XL PE电缆电压/kV132138额定电流/A30001080额定传输功率/MVA685258每相终端损耗/W650N/A每相热损耗/W・m-11N/A每相导体损耗/W・m-1126.3运行温度/K65环境温度假设电费为5cent/kWh,XL PE电缆价格为＄100/kAm,贴现因子为14.3(生命周期为40年,贴现率为7%),对制冷机价格和生命周期内平均电缆利用率分别取不同值,则根据式(5)可得到一组超导电缆价格与制冷机相对卡诺效率的曲线图,如图1.结合图1、式(4)和(5),可得如下结论:(1)在曲线下方取值时,超导电缆生命周期费用小于传统电缆.(2)电缆利用率越高,制冷机价格越低,越容易实现超导电缆的生命周期费用小于传统电缆的生命周期费用.(3)制冷机的相对卡诺效率越高,超导电缆价格越低,越容易实现超导电缆的生命周期费用小于传统电缆的生命周期费用.根据文献[2]和[3],制冷机价格、超导线价格、柔性低温保持器价格和制冷机性能的现状和未来可能实现的目标如表2所列:0895期席海霞等:超导电缆与传统电缆生命周期费用的比较　图1　超导电缆价格与制冷机相对卡诺效率的关系曲线图(相对卡诺效率=理想卡诺系数/实际卡诺系数,理想卡诺系数=(环境温度-液氮温度)/液氮温度)表2　制冷机价格、超导线价格、低温保持器价格和制冷机性能的现状和未来名称××制冷机价格/＄・W ××超导线价格/＄・(kAm )-1××低温保持器价格/＄・m -1××制冷机效率/%×××超导电缆价格/＄・(kAm )-1现在10020057610832将来252528830128 ××:表中数据均为国际价格,我国在超导线材的生产能力和价格方面与国际同步,其他几方面均落后于国际水平.×××:用超导线材与低温保持器的价格之和代替超导电缆价格.假设缠绕角度为30°,线材利用率为60%,额定电流为3kA ,三相电缆平行,冷绝缘,三相共用一个低温保持器.计算公式:超导电缆价格(＄/kAm )=超导线价格/cos30°/0.632+低温保持器价格/3/3.根据表2的数据,对于本例中的比较对象,目前超导电缆生命周期费用远远高于XL PE 电缆的生命周期费用,超导电缆只能用在需要扩容但空间受限的特殊场合.将来,当制冷机价格、超导线价格、柔性低温保持器价格和制冷机性能达到表2所列目标时,取电缆利用率u =1,根据式(4)可以得到l min =378m ,当l >l min 时,超导电缆的生命周期费用小于传统电缆的生命周期费用,超导电缆可以在更多的场合使用.5总 结文章提供了计算超导电缆和传统电缆生命周期费用的计算模型式(1)和(2).通过引入容量系数R ,可对超导电缆与传统电缆的生命周期费用进行比较,根据式(5)可以分析制冷机价格、制冷机性能、超导电缆价格、电费、电缆利用率等因素对超导电缆与传统电缆之间的生命周期费用差距的影响.根据式(5),对参数为132kV/3kA 的超导电缆和138kV/1.04kA 的XL PE 电缆进行了生命周期费用的比较,并给出了一组曲线,从曲线中可以明确看出不同因素的影响趋势.结合超导相关技术目前和将来的发展趋势,给出了该组电缆的生命周期费用的比较结果.结果189289 低 温 物 理 学 报 27卷表明随着超导电缆相关部件价格的降低和性能的提高,其生命周期费用将会逐渐降低,并在将来实现大规模推广应用,但目前只能应用于某些特殊的场合.[1]R.S.Silberglitt,Strengt hening t he Grid:Effect of High2Temperature Superconducting Power Technologies onReliability,Power Transfer Capacity,and Energy Use(RAND,CA,2002),39～51.[2]Wolsky,A.M.,H TS cable2status,challenge and opportunity,Proceedings of t he2005DO E Wire DevelopmentWorkshop,VII7～15.[3]M.J.G ouge,Cryogenics Assessment Report(Oak Ridge National Laboratory,2002),3～8.COMPARE OF LIFE2CYC L E COST BETWEENSUPERCON D UCT OR CAB LE AN DCONVENTIONAL CAB LE3X I H AI2X IA R EN A N2L IN X IN Y IN GI nnopower S u perconductor Cable Co.,L t d,Bei j ing,　100176(Received31March,2005) Being one of main developing directions of high temperat ure superconduc2tor technology’s power application,superconductor cable(SC)get s more andmore attention for it s feat ure of low energy loss,large capacity and pollutionf ree.This paper gives a group of mat hematical models to compare t he life2cy2cle co st between SC and conventional cable(CC),by which we can analyzehow t he price of cryo2cooler,t he p rice of SC,efficiency of cryo2cooler,andcable utilization affect t he life2cycle cost of SC,and point out t he indust rializa2tio n directio n of SC.An example of comparing a SC wit h a CC is also presen2ted in t his paper..K eyw ords:superconductor cable(SC),conventional cable(CC),life2cycleco stPACC:7400,74903Project supported in part by China National863plan(Grant No.:2004AA306110),Beijing Municipal G overnment (Grant No.:H020*********)and Yunnan Provincial G overnment(Grant No.:2003BADCA05A041).email:xi_haixia@.。