啊，这就是超导电缆呀！
上小学一年级的时候大家就知道了，电缆是能量或信号的传输装置。一般长这样：
也有的长这样（密集恐惧症慎点）：
专门用来传输能量的电缆，叫电力电缆。正如著名教育家孔乙己说：电力电缆有八种分类方法。比如按芯数分，按电压等级分，按绝缘材料分，按导体材料分……但不管怎么分，都有一个共同特点（此处可以抢答）：
有电阻！有电阻！有电阻！
1827年，欧姆老师指出，金属的两端的电压与电流成正比，即V=I*R。
焦耳老师在1841年指出，有电阻就会将电能耗散掉变成热，损耗的功率与电流平方成正比，即Q=I^2*R。
所以，为了减少送电路上的损失，普遍采用提高电压降低电流的方案。特高压就是这个技术路线的极致了。
超导的发现，给电力传输带来了新的希望。超导现象发现于1921年，不知道的同学请点这里：超导群侠传：开山鼻祖——昂尼斯。
因为超导体没电阻，也就不用高电压了，变压器省了、高压开关省了、大铁架子省了……电力界的人越想越开心。然鹅，超导需要制冷。由于低温超导体要用液氦冷却，制冷代价过高，所以，低温超导电缆的工程实践不出意料的均以失败而告终。
1987年高温超导体发现后，由于制冷工质可采用廉价的液氮，使用超导体进行无损电能传输终于成为现实。
YBCO发现者赵忠贤院士镇楼
特别是第一代Bi系高温超导带材和第二代Y系高温超导带材的先后成功商业化生产，高温超导电缆进入快速发展期，成为超导电力设备研发领域最接近商业化和实用化的发展方向。
下面这个图直观的告诉我们超导带和铜线的载流能力差异，有点儿降维打击的感觉。
图 相同的载流能力所需的导体量
下面这幅图则直观的给出了输送相同容量，超导电缆和常规电缆所需的路径走廊尺寸。左边粗的是超导电缆所需的，右边8个细的是常规电缆所需的。
图 相同的输送容量所需的走廊占地
在低损耗、大容量、低电压、少占地等显著优势驱动下，近二十年来，国内外已有多条/组高温超导电缆进行试验验证或投入示范运行。这些试验或工程示范项目在电缆构型选择方面，早期大多采用了不同的技术路线，随后逐渐由相同或相似构型的超导电缆投入示范运行。这种发展趋势生动体现了早期技术试错、中期技术总结与改进的先进装备研发特点。
那么，超导电缆究竟长什么样呢？
别急，都看到这里了，不差这一分钟。下面这就一一道来。
三相独立式/单芯式
图 冷绝缘单相超导电缆型式（骨架为铜丝束）
三相独立式每相电缆骨架常见为铜丝束（上图）和波纹管（下图），铜丝束可改善暂态过程的热稳定性，波纹管可改善电缆通电导体的冷却效果。也有为了提高超导电缆抗短路电流能力，将超导层设计为并联铜稳定层的方式。
三芯式
三芯式是将三根独立的单芯电缆捆扎扭绞装入同一个低温杜瓦中，各单芯电缆的结构与三相独立式冷绝缘电缆的其中一相类似，如下所示。
由于每相通电导体的磁场均被超导屏蔽层约束，故相间磁场影响较小。相对三相独立型式，三芯式结构非常紧凑。由于较小口径的波纹管不利于超导带绕制，并且出于提高热稳定性的考虑，三芯式超导电缆一般都采用铜丝束骨架。
为获得更紧凑的结构，日本的研究团队采用了切割的窄带。另，三芯电缆中的单芯不宜尺度过大，否则会因刚性增加而不利于三芯的扭绞并保持结构的紧凑，这决定了三芯式电缆并不适用更高电压等级，比如110 kV或更高。
这种构型在日本、美国、韩国等国家都有工程示范。我国也有采用这个构型的电缆示范工程，由国家电网牵头，示范地在上海，正在进行中。
新闻速递：我国首条公里级高温超导电缆工程在沪开工（http://sh.xinhuanet.com/2020-05/01/c_139022437.htm）。
三相同轴式
三相同轴式是在同一个骨架上同轴绕制三相超导体，从内到外依次为骨架、三相超导体及相间绝缘、屏蔽层、低温杜瓦管，如下图所示。
图 三相同轴式超导电缆结构
相比于三芯式，三相同轴式结构更加紧凑，三相平衡时无需屏蔽也可达到对外无电磁场影响，所以屏蔽层不必采用超导带、而采用铜即可满足屏蔽要求，这降低了近一半的超导带材的用量。然而其内部三相之间的电磁场是强耦合在一起的，各相均受到来自其他两相的磁场影响，交流损耗较单芯式要大。该构型提供了两个独立的液氮通道，能以“内进外出”的形式对通电导体进行冷却。
这种构型最有代表性的是德国的Ampacity项目。国内，南方电网深圳供电局正在紧锣密鼓组织实施采用这种构型的超导电缆示范工程。该工程的超导电缆连接滨河站和星河站，建成后将为深圳市地标建筑平安大厦供电。以下重点，注意背诵
：北京交通大学应用超导研究中心是本项目的超导电缆系统总设单位。
悬挂架空式
为了解决以上三种电缆结构安装地点有局限的问题，美国Los Alamos的研究人员提出了一种可架空的高温超导电缆设计。
图 悬挂架空式超导电缆的截面
电缆的三相呈品字形安装于同一低温管内，平行布置一条薄壁不锈钢液氮管路，沿程开有很多小孔，故小孔中喷出的液氮吸收来自通电导体和杜瓦管的热量而汽化。即环境热量被液氮的潜热吸收。真空泵将热氮气抽出超导电缆。由于液氮的潜热远大于其比热，这种构型使用液氮很少，超导电缆的重量极大减轻，可如架空线安装安装地点更为灵活。
图 安装效果示意
超导带堆叠系列
前述型式的超导电缆中，为了获得大电流，采用的是在圆柱骨架上铺开多根并联超导带的方法。美国麻省理工学院的Makoto Takayasu等人提出了一种由超导带堆叠形成通电导体的超导电缆，也称之为多级绞合电缆。该设计首先使用多条超导带堆叠形成一个通电单元，堆叠方式可以是层叠也可以是轴对称堆叠。而后由这些基本的通电单元形成通电导体的一相，一相可以由一个单元或多个单元组成，如下图所示。这种电缆设计的目的是为了从多个扁平的高温超导带中制造出高紧凑、大电流的电缆。
2013年，Giuseppe Celentano等人设计了一种扭曲堆叠电缆，如下图所示，电缆中央圆形通道为冷却通道，铁心开通五个插槽插入Cu带和30根超导线，外边包覆不锈钢带和用于加固的金属套。相比于MakotoTakayasu的自由堆叠，这种扭曲堆叠电缆固定了扭曲角度和形状，更便于控制内部形态，进而获得更为优化的电磁设计。
KIT设计一种堆叠超导电缆，设计目的是实现长距离电缆的简单制造，优化工程电流密度，简化导线连接。在这种导体设计中，使用不同厚度的超导带填充在镀铜外壳内，以允许从超导带侧面进行电流转移和电流再分配，此外，它还允许在导体接头中进行简单的电流传递，这避免了许多其他方案中使用的复杂的带-带连接。由于这种形式，导体被命名为HTS-交叉导体或HTS-Croco。
2014年，美国麻省理工学院的Makoto Takayasu等人出来双同轴电缆的概念，双同轴电缆由一根内电缆和一根外电缆组成，外电缆有两种不同类型的同轴电缆。例如，内部电缆是由一个扭曲的堆叠磁带电缆(TSTC)和外部是螺旋缠绕带型电缆，如下图所示。实验证明，一种由TSTC内电缆和包线式外电缆组成的双同轴电缆，内外电缆的纵向磁场相互促进，纵向场可使内缆的载流能力提高20%以上。双同轴电缆可以提供大电流紧凑型电力电缆，具有较低的热损耗。
最后，总结一下：使用二代带材、采用低温绝缘、提高载流能力、减少带材用量都是未来的发展趋势，也是最接近实用化和商业化的方向。在新型构型中，扭曲堆叠式、双同轴式都可以获得更大的载流能力，悬挂架空式使电缆的安装地点更广泛，圆芯式导体有更小的交流损耗，快速冷却型使电缆冷却速度加快。虽然新结构都还处于概念设计阶段或实验室原型样机验证阶段，但是这些构型的提出也为交流高温超导电缆的发展提出更多可能。实现规模化、实用化，必须要继续向更大载流能力、更低损耗、更紧凑结构、更节约成本和更广泛的适用范围的方向发展。
本文部分内容取自“交流高温超导电缆构型研究综述”, 低温与超导, 第47卷，第6期
作者：徐莹
编辑校对：王邦柱