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摘要：高温超导电缆与传统的铜电缆相比，具有损耗低、容量大和体积较小等特点。利用高温超导电缆输电，是解决大功率输电的有效途径。超导电缆由支撑体、超导导体层、电气绝缘层、超导屏蔽层、常导屏蔽层、低温杜瓦、外护套组成。超导导体分为CORC导体、Roebel导体、堆叠式导体。本文对高温超导电缆通电导体结构作出了分析，并对高温超导电缆通电导体结构的研究方向进行了展望。
关键词：高温超导;电缆;制作原理;结构优化
1、引言
高温超导电缆采用无阻的、高电流密度的超导材料作为导体，具有体积小、重量轻的优点，可以实现低损耗、高效率、大容量输电。但是，由于超导导线的超导体部分是由脆性陶瓷材料制成，抗弯曲性能较低[1]如果电缆的弯曲直径较小，则在电缆的弯曲过程中会使超导导线产生较大的应变，如该应变超过导线的临界弯曲应变值，会导致导线的临界电流急剧下降，从而严重影响整个电缆的超导性能。因此，有必要优化超导导体结构，从而进一步简化结构、减小超导电缆体积。目前，除了常见的CORC导体和RACC导体，堆叠式导体成为研究热点[2]。
2、常规超导导体结构简介
如图1所示，高温超导电缆由支撑体、超导导体层、电气绝缘层、超导屏蔽层、常导屏蔽层、低温杜瓦管、外护套组成。高温超导电缆的传输损耗仅为传输功率的0.5%，比常规电缆5-8%的损耗要低得多。在重量、尺寸相同的情况下，与常规电力电缆相比，高温超导电缆的容量可提高3-5倍、损耗下降60%，可以明显地节约占地面积和空间，节省宝贵的土地资源。
高温超导导体层是超导电缆传输的核心功能层。目前通常采用的是CORC导体结构，另外还有RACC导体结构，近年来，堆叠式导体结构由于其机械强度大、稳定性好、载流量更高的优点，引起了广泛关注。
2.1 CORC导体
如图2所示，CORC导体，是一种研究设计的新型超导导体，主要由三部分组成，中心骨架、高温超导带材、耐高低温绝缘胶带。中心骨架：截面积较小的铜棒或铜绞线;高温超导带材：以螺旋的形式缠绕在中心骨架上;耐高低温绝缘胶带：包裹缠绕好的超导带材。CORC导体结构的特点：高载流、低电感、低交流损耗、高工程电流密度。CORC导体中心骨架外径较超导电缆小很多，所以其临界载流密度很高。
2.2 RACC导体
RACC导体最显著的特点在于其与众不同的结构，这种结构载流均匀、可以减小交流损耗，使得RACC导体具有低交流损耗和高载流能力的特点。研究发现宽度较小的高温超导导体和位置交换的超导结构可以减少交流损耗，因为磁场的磁力线可以进入超导带材的内部间隙，但是在生产上细丝状的高温超导导体并不能实现，并且简单的切割不利于实际生产[4]。RACC导体结构由特定形状的涂层导体相互换位组装而成，结构如图3所示所示。
RAAC导体/电缆的优点是实现了完全换位，电流均匀分布;缺点是垂直带面磁场高，对临界电流影响大。临界电流衰减大，浪费带材、成本高、力学性能差、不紧凑，需要环氧浸泽固化。因此作为输电系统，RACC导体/电缆的应用值得商榷，在高场磁体应用方面应更具有优势。
3、高温超导电缆导体结构优化
本節主要介绍高温超导电缆的股线结构特点，目前主流的研究方向上，高温超导股线主要两种结构：方形截面和圆形截面。本节会详细介绍几种前沿股线结构的排列方式和套管方式，同时将实验结果对比分析个中优势。
3.1 TSTC结构
TSTC（Twisted Stacked-Tapes Cable）导体/电缆是由麻省理工学院（MIT）Takayasu T等人提出的一种新型超导导体，由超导带材直接堆叠在一起，形成矩形截面超导导体，然后扭绞形成平行排列的高温超导导体。由于TSTC导体/电缆将超导带材平行堆叠，带材能够相互支撑，可以防止带材受到的应力过于集中，并且多根带材扭绞可以减轻带材侧向弯曲程度，在弯曲半径为140mm时，由24根带材组成的TSTC导体/电缆临界电流退化仅为6%，因此TSTC导体/电缆可用于制作超导线圈。在实际使用过程中，一般会为了对超导带材进行保护，将超导堆叠导体嵌入有螺旋沟槽的金属芯导体，外加金属护套的方式构成超导导体。
3.2扭绞圆股线（RS）
2013年，Uglietti D等人提出一种高载流容量超导圆截面结构导体，其结构中心部分类似TSTC导体的布局结构，采用平行的REBCO带材堆叠扭绞而成，然后使用2根挤有方形沟槽的半圆形截面铜棒将其夹紧，堆叠带材和铜棒进行镀锡焊接后扭绞制作成圆截面股线（Round Strand，RS）[23-25]。在77K液氮温度下每根股线的临界电流大约为1.15kA。
4、结论
本文介绍了超导电缆性能特点及其结构组成，重点分析了超导导体的CORC、Roebel和堆叠式结构。其中，堆叠式超导导体/电缆具有力学性能高、排列紧凑，机械强度大，节省空间，载流能力强等结构的优点，目前在自场条件下，计算模型得到的结果是2380.6A;在有外磁场的条件下，在较低的外磁场下具有各项同性并在较高的外磁场下有较弱的各项异性，通过多种数据分析可以找出最佳的载流性能点，在今后的超导电缆研制中，有望通过采用堆叠式超导导体结构，进一步优化超导电缆性能。
参考文献
[1]田祥，张大义. 高温超导电缆绝缘生产线控制系统的设计[J]. 电线电缆，2018（3）：65-66.
[2]宗曦华，魏东. 高温超导电缆研究与应用新进展[J]. 电线电缆，2013（5）：1-3.
[3]时晨杰. 第二代高温超导体超导股线交直流特性研究[D]. 华北电力大学（北京），2016.
[4]宗曦华. 高温超导电缆研究及前景分析[J]. 新材料产业，2017（7）：23-27.
关键词：高温超导;电缆;制作原理;结构优化
1、引言
高温超导电缆采用无阻的、高电流密度的超导材料作为导体，具有体积小、重量轻的优点，可以实现低损耗、高效率、大容量输电。但是，由于超导导线的超导体部分是由脆性陶瓷材料制成，抗弯曲性能较低[1]如果电缆的弯曲直径较小，则在电缆的弯曲过程中会使超导导线产生较大的应变，如该应变超过导线的临界弯曲应变值，会导致导线的临界电流急剧下降，从而严重影响整个电缆的超导性能。因此，有必要优化超导导体结构，从而进一步简化结构、减小超导电缆体积。目前，除了常见的CORC导体和RACC导体，堆叠式导体成为研究热点[2]。
2、常规超导导体结构简介
如图1所示，高温超导电缆由支撑体、超导导体层、电气绝缘层、超导屏蔽层、常导屏蔽层、低温杜瓦管、外护套组成。高温超导电缆的传输损耗仅为传输功率的0.5%，比常规电缆5-8%的损耗要低得多。在重量、尺寸相同的情况下，与常规电力电缆相比，高温超导电缆的容量可提高3-5倍、损耗下降60%，可以明显地节约占地面积和空间，节省宝贵的土地资源。
高温超导导体层是超导电缆传输的核心功能层。目前通常采用的是CORC导体结构，另外还有RACC导体结构，近年来，堆叠式导体结构由于其机械强度大、稳定性好、载流量更高的优点，引起了广泛关注。
2.1 CORC导体
如图2所示，CORC导体，是一种研究设计的新型超导导体，主要由三部分组成，中心骨架、高温超导带材、耐高低温绝缘胶带。中心骨架：截面积较小的铜棒或铜绞线;高温超导带材：以螺旋的形式缠绕在中心骨架上;耐高低温绝缘胶带：包裹缠绕好的超导带材。CORC导体结构的特点：高载流、低电感、低交流损耗、高工程电流密度。CORC导体中心骨架外径较超导电缆小很多，所以其临界载流密度很高。
2.2 RACC导体
RACC导体最显著的特点在于其与众不同的结构，这种结构载流均匀、可以减小交流损耗，使得RACC导体具有低交流损耗和高载流能力的特点。研究发现宽度较小的高温超导导体和位置交换的超导结构可以减少交流损耗，因为磁场的磁力线可以进入超导带材的内部间隙，但是在生产上细丝状的高温超导导体并不能实现，并且简单的切割不利于实际生产[4]。RACC导体结构由特定形状的涂层导体相互换位组装而成，结构如图3所示所示。
RAAC导体/电缆的优点是实现了完全换位，电流均匀分布;缺点是垂直带面磁场高，对临界电流影响大。临界电流衰减大，浪费带材、成本高、力学性能差、不紧凑，需要环氧浸泽固化。因此作为输电系统，RACC导体/电缆的应用值得商榷，在高场磁体应用方面应更具有优势。
3、高温超导电缆导体结构优化
本節主要介绍高温超导电缆的股线结构特点，目前主流的研究方向上，高温超导股线主要两种结构：方形截面和圆形截面。本节会详细介绍几种前沿股线结构的排列方式和套管方式，同时将实验结果对比分析个中优势。
3.1 TSTC结构
TSTC（Twisted Stacked-Tapes Cable）导体/电缆是由麻省理工学院（MIT）Takayasu T等人提出的一种新型超导导体，由超导带材直接堆叠在一起，形成矩形截面超导导体，然后扭绞形成平行排列的高温超导导体。由于TSTC导体/电缆将超导带材平行堆叠，带材能够相互支撑，可以防止带材受到的应力过于集中，并且多根带材扭绞可以减轻带材侧向弯曲程度，在弯曲半径为140mm时，由24根带材组成的TSTC导体/电缆临界电流退化仅为6%，因此TSTC导体/电缆可用于制作超导线圈。在实际使用过程中，一般会为了对超导带材进行保护，将超导堆叠导体嵌入有螺旋沟槽的金属芯导体，外加金属护套的方式构成超导导体。
3.2扭绞圆股线（RS）
2013年，Uglietti D等人提出一种高载流容量超导圆截面结构导体，其结构中心部分类似TSTC导体的布局结构，采用平行的REBCO带材堆叠扭绞而成，然后使用2根挤有方形沟槽的半圆形截面铜棒将其夹紧，堆叠带材和铜棒进行镀锡焊接后扭绞制作成圆截面股线（Round Strand，RS）[23-25]。在77K液氮温度下每根股线的临界电流大约为1.15kA。
4、结论
本文介绍了超导电缆性能特点及其结构组成，重点分析了超导导体的CORC、Roebel和堆叠式结构。其中，堆叠式超导导体/电缆具有力学性能高、排列紧凑，机械强度大，节省空间，载流能力强等结构的优点，目前在自场条件下，计算模型得到的结果是2380.6A;在有外磁场的条件下，在较低的外磁场下具有各项同性并在较高的外磁场下有较弱的各项异性，通过多种数据分析可以找出最佳的载流性能点，在今后的超导电缆研制中，有望通过采用堆叠式超导导体结构，进一步优化超导电缆性能。
参考文献
[1]田祥，张大义. 高温超导电缆绝缘生产线控制系统的设计[J]. 电线电缆，2018（3）：65-66.
[2]宗曦华，魏东. 高温超导电缆研究与应用新进展[J]. 电线电缆，2013（5）：1-3.
[3]时晨杰. 第二代高温超导体超导股线交直流特性研究[D]. 华北电力大学（北京），2016.
[4]宗曦华. 高温超导电缆研究及前景分析[J]. 新材料产业，2017（7）：23-27.