第686期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《超级电缆》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——超级电缆
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：蔡传兵，上海大学上海市高温超导重点实验室教授。
郭 亮，中国科学院力学研究所工程师。
讲座时间：2025年7月28日～8月3日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——超级电缆
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。电力的发展给城市的发展注入了活力，但是密如蜘蛛网般的电线、电缆却给我们的城市美观带来了压力，那什么时候可以露出我们美丽的城市天际线，似乎超导电缆可以解决这个问题。什么是超导电缆？通过短片进入我们今天的节目。随着社会经济的发展，现代城市对电力的需求越来越大，相应地作为输送电力的电缆数量也越来越多，不断增加的电缆让原本狭小的城市空间更加局促，也带来了各种安全隐患。2021年12月，一条长1.2公里的超导电缆，开始为上海徐家汇地区4万多户家庭和核心商业街供电，这条导电缆能解决传统电缆的问题吗？我们首先给大家介绍一下今天请来的两位嘉宾，一位是上海大学上海市高温超导重点实验室的教授蔡传兵，欢迎您蔡先生！另外一位是中国科学院力学研究所的工程师郭亮，两位先给我们做一个科普，这个电线跟电缆之间的区别是什么？电线的话一般来说，它是针对我们用户端的，比如说我们家庭里面有很多，它一般是承载的电流也比较小，日常生活都碰到。而电缆，我们家里也有，但更多的我们指大电流传输过程中，比如说城市之间的还有我们城市主干网里面，输配电里面。您是指用途上的区别？
这个用途上之外有很重要的区别，在结构上是不同的，因为一个电缆肯定包括很多电线缠绕在一起，由一个多股的导体形成这样一个电缆。电线和电缆除了表面上看起来的区别，用途都不一样，在性能上有什么区别？电线和电缆有点像公路里边我们主干线和支流，那我们这个电缆。主路和辅路？对，主路和辅路都算道路，但是它建筑的这种方式和规范，和它的一些要求。功能也完全不同。完全都不同，主路上你跑的车要快，这个时候我们就用变缆通到这个支流上可能就用电线，在家里边日常生活中，其实咱们也能粗浅地看得出来。比如说，咱们现在充手机的电线和咱们插电视电脑的电源线，你能够粗细就不一样，绝缘体这个厚度也不一样。其实就是因为通过的电流是不一样的，所以电流越大的我就要更粗一点，它结构安全性要更可靠一点。那咱们的主电缆就要更粗，它的结构就要求会更高。
过去的电缆的不足，体现在哪些方面？以前传统用的这种电缆，都是基于这种铜的或者铝的导线，电流通过金属的时候它就会发热，发热的时候就必然带来这种能量的损耗。我们原来用传统的电缆很粗的，它的直径大概能在30到40公分（厘米），跟我们家里边这个脸盆的那个口径差不多，一股一股的，还有好多股，体积也很大。2010年世博会之前，要进行当地的电网改造，从世博会园区跨过黄浦江再到市中心，像南京路、北京路核心地带用的电缆是个常规电缆，电压等级比较高，所以导致它的绝缘层非常厚。绝缘层厚就导致电缆体积大，（要求的）地下空间就跟我们的地铁，单向的隧道的空间一样。所在上海煤、气、水、电各种的通讯（信）管道非常复杂的情况下，要找这种空间非常地难。没地儿了。那时候才想到超导电缆，同样供给能力的情况下，它占地面积比较小，就节约了空间。我就可以不在地面上去支这些杆了，我们就走地下就可以了。走地下了之后，城市就干净整洁了，整个的市容市貌也好，还是我们城市的功能化可能会更加完善。两位给我们解释一下，什么是超导电缆？
我们传统电缆就是铜和铝组成的核心体，然后再加上它的绝缘部分，形成一个整体结构，但是超导电缆就是用超导材料代替了原来的铜和铝，形成的电缆结构。我们说超导电缆它最核心的就是它的电阻是非常小的，它的电阻变小了之后不发热了，那么这个时候这个能量的损失减到最低，所以这个“超”字其实起到的是减少电阻、减少损耗的这样一个作用。现在我们用的超导电缆，用的什么材料？我们现在超导电缆，里面的核心是超导材料，这是超导现象的应用。超导到底是怎样的一种现象呢？我们通过短片去了解一下。1911年，荷兰物理学家昂内斯将水银冷却到约零下268.8摄氏度时，发现电阻瞬间下降到零。此后，昂内斯陆续发现，在足够低温的状态下，许多金属和合金的电阻都可以变为零。这种电阻突然消失的现象被称为超导现象，而这些可以产生超导现象的材料被称为超导材料，但是要让材料下降到约零下268.8摄氏度是极为困难的一件事，这极大地限制了超导电缆的研发及大规模应用。那么我国的超导电缆，经历过什么样的发展阶段呢？超导电缆在我们国家的发展的情况是什么样的？我们的现在超导电缆是高温超导材料，实际上是1987年，我们国家中科院物理所赵忠贤院士他们发现的这种原始材料。后来，我们逐渐地采取各种工艺，使它实现一个可实用化。说到这儿，我们应该去了解一下我国的超导电缆是怎么发展起来的？我们通过短片去了解一下。
超导现象发现后，人们不断探索超导体的实际应用。上个世纪八十年代，科学家们发现不同超导材料的超导临界温度不同。1987年，中国科学院物理研究所的赵忠贤团队和国际上几个小组几乎同时发现了高温超导体。将超导体的临界温度提高到了零下183摄氏度，这比最初的零下268.8摄氏度高出将近100摄氏度，这一重大发现使得超导电缆的大规模研制成为可能。1998年，中国科学院电工所研制出了我国第一条一米长的超导电缆，成为了我国自主研发超导电缆的开端。从1998年的时候，那时候就已经研究出了这一米长的小样，到今天我们都在研究什么呢？这里面就涉及到超导电缆里面的核心叫高温超导带材，带材的制备过程还是比较复杂的，就像我们砌墙一样，要砌得很整齐的这种超导材料，它的性能才会好，才会带来很强的电流。如果墙砌歪了或简单的砖结构，就成混凝土的石子一样的都是颗粒，它的载流能力很弱，不能通大电流，哪怕一个掉点都使它整个性能会失败，或者就不能使用，这么长时间来我们做的工作，就在怎么把这个材料从短样放大到长样。我们在上个世纪（一九）九几年开始的时候，往往可能就是用10个小时才能做成这样一个几米长的一个带材。为了加快速度，加快产业化，我们把原来的工艺进行改进，用新的装备使它每小时能生产出百米长的超导带材，所以这个过程都是逐步进行的。到2003、2004年的时候，我们国家有各种的研发机构，去把超导材料编成一个电缆，编成几十米长的电缆，之后有个重大的突破就是中科院电工所，用在一个冶炼铝厂使超导电缆真正走入到用户端。说到这个话题，我们看看我们记者编辑的短片。
2012年，我国的超导电缆首次走入用户端，在河南投入实际运营，这条长度360米的超导电缆为一家冶炼铝厂输送电力，它是当时世界上传输电流最大的高温超导直流电缆，运行之后与相同容量的常规电缆相比节能率达到了65%以上。2013年一条更实用的新型高温超导电缆，在上海一家大型炼钢厂投入示范运行，为超导电缆未来的大规模应用奠定了基础。2021年9月，一条400米长的超导电缆开始为深圳的标志性建筑“平安大厦”供电，这标志着我国的超导电缆开始走入普通百姓的生活中。同年12月，国家电网引入一条长1.2公里的超导电缆，为上海徐家汇地区4万多户家庭和核心商业街供电，这条目前世界上用户数量最多的超导电缆，标志着我国的超导电缆技术走在了世界最前列，具有划时代的意义。划时代的意义，您能给我们解释一下吗？因为超导需要一个低温环境，就像我们冰箱里面的氟利昂，液氮在里面走的话，需要一个保护的绝热的环境。就是你生产一米宽的冰箱容易，但是生产一公里宽的冰箱就难了。是，你们要把超导的材料放在一个一公里长的管廊里面，这个管廊要绝热，要绝缘保护好，所以这个就需要一个逐步的从小到大的放大过程，对于各种技术的要求还是很高的，另外就是上海市中心。市中心的应用。中心地带，它的象征意义是完全不一样的，在使用的过程中，它的安全性要求非常高，因为给很多敏感的用户（供电）不能停电，不能出问题，现在目前运行下来还是蛮好的。
厂子可能断电了，也就断了。那我敢于在上海徐家汇地区这样一个非常重要的地区来使用它，这个时候前边已经做了很多很多的校核的工作，它的可靠性一定要提升非常大的一个等级。上海1.2公里的超导电缆，还有跟我们类似的吗？国际上的对比？德国超导电缆有1公里10千伏，供电用户只是我们的三分之一，电缆的结构也有所不同。我们不光要看这个长度方面，因为长度方面，它其实主要还是看需求端、节点之间的距离有多长，我们的电压等级其实差了很多。它的电压等级比较低。那这个电压怎么理解？咱们按水压来理解，就是你可以想象我为这个地方供水的话，那我肯定有个水塔，我的水塔是35米高和10米高，这两个不同的水塔，我给一个地区供水的时候，完全就可以想象，那一定是越高的，能供的用户数也越多，那么难度也要求越高。对你的整个的可靠性和要求，完全不在一个等级上，咱们的性能方面和咱们的可靠性方面一定是比它强的。那我们的科研人员付出了这么大的努力，做到了世界领先的这样的一个程度，超导电缆它的优势体现在哪些地方？
我们现在用的超导电缆就可以用低压传输，那么低压我们可以低到比如35千伏，实现原来200多千伏的效能。它支持这个低压输电方面，您给我们解释一下。正常咱们现在的这种电网里边，为了让传输的过程中少耗电，少消耗，我们传输的时候的电压都会设得非常高。像三峡的电站输到上海市，有80万伏的超高压，这么高的电压到我们的用户端，220、380伏，这是一个巨大的电压差，就通过各种等级的变压器，使它减少到我们用户端，电流要一级一级地降压，最后才能降到你家用的220伏，从主干线到支线，一点一点地去“卸货”，从几百千伏到几十千伏，这个过程中。变压器的体积和占地面积，那也都是不可忽略的造价成本也很高，用低压传输，那么这个时候它的变压的难度一下就下降下来了。那变压器的整个的它的购置、材料、成本、占地，我们都是可以有一个非常大的减少的，对我们整个电力传输来说，无论从造价还是从地理的节省空间来说，都是有很大的好处的。再另外一个就是我们的电的质量，安全稳定性可能更高。我记得我小的时候，因为电网不发达，经常有电灯泡闪烁的现象就是电压不稳定，但现在我们整个国家整个电网结构改造以后，还是不错的，但是一旦碰到雷电或者有特殊的短路情况，也会出现一种电网的故障情况，比如地震、灾难天气，就像当年广西的雪灾，雪灾过后很快使高压线瘫痪了，这样好多地方大停电，包括美国马萨诸塞州曾经出现过，2003年大面积的瘫痪，这种对于现代社会来说不可思议的，如果出现无论是对人们的生活，对经济生产都取得（造成）重大的损失。说到这个话题，我们看看我们记者编辑的短片。
2003年8月14日，美国东北部部分地区以及加拿大东部地区出现了大范围的停电。调查发现，是电力公司未能及时修剪输电线附近的树枝，导致过于繁茂的树枝让三条输电线短路，大量电流突然涌入相邻线路，由于没有及时调节，巨大的电流无路可走，在迂回数千公里的输电线和变压站之间乱窜，相关线路因不堪负荷而停止运转。大停电波及美国从中西部到东北部的数个州和加拿大的局部地区，上千万用户受到影响，造成数十亿美元的经济损失，是美国历史上最严重的停电事故。超导电缆怎么就会带来这种安全性的改变呢？所有的电缆它都会有一个电流的这种极限值，我就按照额定电流来供电就好了。那么突然间可能会来一个大电流，比如说雷击了，超了我原来的额定功率了，它就直接就断掉了，就跟咱们家保险丝一样，断掉了。瞬间烧掉了，那你只能再推一下闸，或者如果它真的断了，你就要再接一下。而超导有一个特点就是它平时的时候，我就是这么（传输）额定电流的，这个时候它是电阻为零的，那么正常就是没有损耗了。如果你突然间给它一个大电流，不是说它断了，而是它变回正常的导体了，那么正常导体就会有电阻了，你给我这个大电流，就被我这个电阻的热能就消耗掉了。就相当于你可以理解成我有一个“盾”在防御着。平时我就不拿一个“盾”，我就放在一边，突然间你要是给我一个，我接受不了这个能力的时候，我就把“盾牌”举起来了，我就变成正常的“士兵”了。
那么这时候由于你的这个是瞬态的，所以你的东西都打到我的“盾”上了之后，我发现你又没有这么大的持续电流了，“盾”又拿下来了，我就接着再工作，其实是一个非常重要的一个作用，有自调整的功能。那除此以外，传统的电缆体积也很大。传统的电缆是12根，我们现在一根的超导电缆代替了12根，体积上应该是节省了接近70%的空间，体积以及施工的难度和它整个包括维护的等等的一系列，难度就都会降下来。建设成本也会进一步降低。空间的成本也减少了？对，维护成本也就跟着就降低了，另外就是容量上面可以代替原来的六七倍，这样一个载流能力。荷载增加了六七倍？就是为将来供电量增长提供保障。它的荷载增加了，那同时它对电力的传输损耗是不是也会相应降低？电流的损耗其实是我们最不想看到的一种情况，尤其是在传输的过程中，它其实就白白浪费掉了。超导电缆最核心的其实就是它的电阻是非常小的。比如说原来我们正常输电的时候，100度（千瓦时）电输过去可能会有7%左右的消耗在传输的过程中，那么用了我们这个超导电缆，它的电阻就非常非常低了。通过超导电缆如果直流的话，就没有电（流）损耗，交流的话达到1%左右，也是原来的七分之一。这个对于我们的意义有多大？
按照全国我们的输电整个的总量来说，我们每年这7%如果节约下来，大概能节约3到4个三峡工程发出来电量。您的意思就是我们全国都用上这个超导电缆，全国就可以节省3到4个三峡电站发出的电量，所以这是非常可观的。说到这个话题，我们看看我们记者编辑的短片。超导电缆一旦被广泛应用，可以为电力系统带来诸多好处。目前世界上距离最长、输送容量最大的超导电缆位于上海徐汇商业区，它全长1.2公里，输电能力为35千伏，它全程地下铺设，占地面积节省了70%，埋入地下的超导电缆，不仅节省了电缆的建设成本，保障了城市的用电安全，也改善了城市的环境。我们的超导电缆在地下穿行的时候，安全性怎么保障？因为它体积比较小，可以不用隧道，找到地下的起起伏伏的管廊空间去穿这些超导线，但是这里面就带来一个问题，在穿的过程中要注意安全，在拉伸的牵引过程中不要破坏它的真空度，一旦真空度破坏了，输电就带来危险。这也是对我们技术层面的一个考验。这次上海的示范项目就是把很多的传感器放在里面，就并列地在这个管道的沿途加了光纤传感器，测试它的压力，也可以测试它的温度，还有其他的一些重要参数，以此来保证超导电缆的稳定运行。可是我们付出的成本跟节省的成本之间划得回来吗？
目前大家很关心这个事，因为这次我们选择的地区做这工作，也是希望验证技术的同时还要评估经济的可行性，因为这是首根公里级的城市电缆，如果仅仅从这个示范项目来说，从电缆本体来说，目前价格还是比较高的。但是电力公司也进行了核算，如果把整个电缆工程整体算进去，因为它体积减少了，缆线也减少了，整体来说现在目前成本还是可以相当的，即使在示范阶段都可以达到一个平衡阶段。我们可以粗略地算笔账，说一说它的推广性吗？首先是城市内部的改造，传统的电缆供给不足，需要进行负载的增加，在我们上海市有很多应用场景，就在我们这次选择徐家汇地区的同时，也有其他线路。有个最长的线路五公里就在上海市，就亟需要改造，将来也再通过超导电缆去进行实施。另外上海市跟其他城市一样，在上海市中心还有一些架空线没有入地，随着超导技术的成熟，输电技术成熟，这些架空线也跟其他地区一样要进行入地，这方面就是需求量也是在有不少的增长。目前超导电缆的发展和研发方面，还存在哪些问题呢？未来超导电缆能不能普及应用，确实是需要进一步地降低成本，跟铜和铝的导线同样具有性价比，这样就有利于发展。将来随着长度的增长，然后批量化的制备，无论是材料本身，无论是电缆本体的制作和低温系统，这个都会把价格降下来，跟传统电缆有可匹配的价格，同时又节省了电（流）损耗，这个显然是被看好的。
我们只要能做出一米，就说明这事儿肯定可行，但最后你要综合考虑成本和工艺难度，最后你能不能用在千家万户，那么后边是我要交给产业化部门，要有很多的东西要进行多琢磨，多做实验。比如说光纤其实在十几年前，它还是个很新的一种传输方式，虽然速度快，但是价格就高，发现只要它新技术被大家认可了，很快工业化生产能跟得上大规模生产、市场大，那么价格很快就会降到非常低的一个水平。那么这个时候，它的造价可能就不再是我们考虑（的）问题了，没准超导电缆也是这样一个路径，只要它被认可了，发现能够大规模生产价格的事情，成本的事情，可以交给市场。随着未来的发展，如果真的大面积地推广和使用的话，带来的贡献是什么呢？老城区也是我们说核心，城市的核心，你想改造点东西其实是非常难的，它要求的标准也很高，而且用户其实需求也很大。你像我们经常说这个老城区平房或者是一些这种比较老的这种楼房，可能用电的时候，家里微波炉、热水器、电暖器就不能一起点，点完了之后老的线路它就老化了。承受不了。哎，它就跳闸了。超导电缆它其实能够在这个维度帮助原来已经达到极限的这种老城区，我可以提高它的这种用电量的能力。老城区比如说我改造了之后，变成一个特别大的综合体，这时候电量需求大，原来可能就没办法，而现在我们有了这种方式，我就可以说在中心我们可以再建大的这种商场，或者说其他这种大楼，因为我的电能能够匹配它了。
未来我们每一个城市都往大型化综合方向去发展，那如果用传统的电缆，可能我们的空间会越来越拮据，有了这种超导电缆给我们带来的空间非常大了。除此之外，就是特别是电力供给到用户端，它的损失减少以后，电费有可能会下降。这个是使我们千家万户都得到收益，价格下降以后人们使用电，就不要有所顾忌了，电费很便宜了，大家就可以放心地用各种电器了。我们很多以前不能用的家用电器，比如说我必须用燃气的，或者必须用石化能源的，我现在都可以用电的这种方式来替代。而电的汽车充电，实际上是非常重要的一件事。超导电缆在家庭使用给新能源汽车充电上，会是什么样的贡献？电动汽车大家都知道，其实是可以用咱们常压的这种220伏的来充电的，但是充电基本上可能要充24小时，甚至更长的时间才能充满。但是，如果你有充电桩，可能两个小时甚至两个小时不到就能充满。充电桩就不是所有的地方都能装的，我们现在这种老旧小区，居委会就不会给你装充电桩，没有这么大的电流（设施）。那么这个其实就是因为我们现在给不了这么多的电能，有用户端的需求，这时候如果我们超导电缆，一旦能够大规模地实行，那么充电桩就不再是问题了，就至少在电能或者电量的方面，它就不再是问题了，那么就会建出更多的充电桩。那现在其实很多时候，比如说咱们春节的时候，回家很多电车就要排队在那儿充电，那么这种现象可能就会逐渐地减少了。那么随着咱们用的清洁能源的比例越来越高，我在家里边用的都是清洁能源，那么这个时候其实变相地把双碳的指标达到了，那么用了很多清洁能源来替代传统这种燃油、燃气，接受度越来越高了，我们这个双碳指标也就能完成了。所以在这些维度上，其实它能够体现的这个价值要远远多于直观看到的材料成本，或者把这个东西传输到这儿，能减了多少损耗的电量，那其实在更深的这个维度上，它可能能带来更大的贡险。
另外就是这个技术本身在发展，其他有一些新的技术跟它结合，比如说液化天然气，西气东输这个工程的管廊已经存在的。底下的液化天然气，它有低温的环境，低到温度是110开（尔文），跟我们的超导体，临界的转变温度还是很相似的。如果把这两者结合起来，那就真正变成一个输气输电这种，叫超级能源管道。在技术上行得通吗？基于我们现在高温超导温度，把液化天然气进行调温，调得低一点点，去年（2021年）我们国家刚刚结题的一个重点研发计划，已经做成10多米的能源管道。这个能源管道已经在某一个变电站实施了，未来如果把高温超导转变温度，真正实现的比现在的温度再高一点点，这种新材料如果发现，做成这种输电材料。大大节省了成本，电和气用一个管道就可以了。这是一个中国的创新、创举，还有即使如果高温超导没有再大的临界温度的突破，现在都是氢能源。氢能源有一个储存的方式，和运输的方式就是用液氢，液氢它的温度是20开（尔文），也是非常低的温度。这个液氢跟我现有的超导体结合起来，一个是输送这个氢燃料，另外也就是输出电能，当然要解决安全问题，很多技术问题要解决，但是一旦要实施的话，这两种能源方式同时进行，那就非常有价值、有意义了。感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多的节目内容，可以下载央视频收看我们过往的节目。好了，我是胜春，咱们今天的节目就到这儿了，我们下期节目再见。
