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摘要：通过检索、筛选、统计和分析国内外有关超导电缆的专利申请，梳理了超导电缆专利技术的申请趋势和地域分布，并对各主要技术分支的发展情况、重要申请人的专利分布和重要专利的技术方案进行分析，这有助于相关领域研究人员全面了解超导电缆的发展态势，对后续的研发工作具有指导意义。
1.超导电缆的基本概况
超导电缆一般指利用超导体在临界温度下形成超导态从而实现电能传输的新型电缆。超导电缆在正常工作状态下可实现无电阻的大电流传输，其导体的传输损耗非常低，即使考虑上制冷系统等其他损耗，其总体损耗仍为常规电缆的一半以下，同时其电流密度也很高，相同直径下其传输容量可达常规电缆的5倍，从而能够很好地解决输电通道空间占用问题。超导电缆因短路故障而失超时阻抗变大，可以提高故障电流限流能力，当故障排除后，又可快速恢复超导传输性能，降低电网故障电流问题等级。另外，超导电缆中作为冷却剂的液氮不存在泄露等安全问题，也不会污染环境，而且超导电缆还具有无电磁辐射和低噪声等特点，能够满足绿色输电网络的需求。超导电缆在原理上构成最理想的输电技术，但由于其建造价格较为昂贵，且技术尚未完全成熟，离广泛应用还需要较长时间。世界首条35kV/km级超导电缆示范工程于2021年12月在上海投运，标志着国内电力系统建设领域的关键技术取得重大突破，相关单位后续积极申报5km级的超导电缆工程，将进一步推动这项新技术的规模化应用。
2.申请量初步统计与分析
2.1申请量年度分布
图1和2显示了超导电缆专利的申请趋势，在20世纪70年代初就已经有超导电缆的国外专利申请，其中1972~1986年为技术萌芽阶段，全球年申请量平均在30件左右，此时超导电缆主要采用低温超导材料，实现超导态条件苛刻，研发成本高，市场前景不明，故专利技术发展缓慢。1987~2005年为技术快速发展阶段，全球年申请量不断增加，更是在2005年超过400件，这是因为1986年高温超导材料出现后，超导态可在液氮环境下实现，使得超导电缆技术取得突破，向实际应用迈出一大步。2006年至今为技术日益成熟阶段，全球年申请量有所下降但是保持在100件以上，随着更多高温超导材料的发现、超导体制备工艺的改进以及超导电缆结构的完善，超导电缆专利技术也取得长足稳定发展。国内的超导电缆专利申请始于20世纪80年代中期，稍晚于国外，2006年之前国内申请趋势与全球申请趋势基本相似，但是2006年之后，国内每年的相关专利申请量则呈明显上升趋势，2020更是接近150件（占到全球专利申请量的四分之三），这是源于近些年我国的电缆行业规模、产量以及增速已稳居世界第一，同时我国将超导电缆作为未来电力传输领域的战略方向，也开展了一系列重大科研项目，当然也离不开我国知识产权法律体系和保护体系的不断健全以及研发人员知识产权意识的不断提升。
2.2申请量地域分布
技术原创国和地区表征了一个国家或地区在该领域的技术储备和技术实力。在超导电缆技术领域，日本（占28%）的申请量稍多于我国（25%），其次是欧洲（占19%，其中法国和德国占绝大部分）和美国（15%），韩国的申请量较少（11%），日本申请量多的原因在于日本在超导材料方面起步早且处于领先地位，而中国则是因为具有多个中长期的重大科研项目，且在规模化应用推广方面不断着力。目标国和地区表征了一个国家或地区的市场在该领域的重要程度。在超导电缆技术领域，日本（占31%）和中国（27%）为目标国的专利申请最多，接着是美国（占17%）、欧洲（占12%）和韩国（占11%），这是因为日本和中国对大容量和高密度的绿色电力传输技术都较为重视，超导电缆需求大。
3.技术发展分支
超导电缆的技术分支大致可以分为基本结构、超导材料、冷却单元和制备方法。通过查找相关技术所涉及的专利申请，对上述四个超导电缆的主要技术分支发展情况进行简单梳理。基本结构：超导电缆由内置外一般包括支撑骨架、超导体层、电绝缘层、热绝缘层以及防护层等。按照导体结构，超导电缆可以分为单相超导电缆、三相平行轴超导电缆和三相同轴超导电缆，而超导体层则可以采用超导带材和超导线材构成，其中带材绕制又可以分为罗贝尔电缆、圆芯导体电缆以及堆叠带电缆。按照绝缘形式，超导电缆可以分为常温绝缘超导电缆和冷绝缘超导电缆，常温绝缘超导电缆的电绝缘层位于热绝缘层外处于常温环境中，而冷绝缘超导电缆的电绝缘层则与超导体层一样处于低温环境中，冷绝缘形式结构相对复杂，但是在工作状态下涡流损耗要小很多。按照电流形式，超导电缆可以分为交流超导电缆和直流超导电缆，其中直流超导电缆因交流损耗基本为零故无需绕制屏蔽层，同时因不存在交变电流带来的邻近效应故无需对超导带材绕制参数进行计算。超导材料：超导电缆中常用的超导材料主要包括铋锶钙铜氧化物、钇钡铜氧化物、二硼化镁和铁基超导体。铋锶钙铜氧化物于1988年被发现，其临界温度可达110K，因不属于稀土类，以其为基础的第一代高温超导材料更具性价比。钇钡铜氧化物于1987年被发现，其临界温度可达90K，首次突破液氮77K的温度壁垒，以其为基础的第二代高温超导材料已实现商业化生产，且具有良好的传输性能。二硼化镁于2001年被发现，其临界温度可达39K，因具备结构简单、成本低廉和便于加工等特点，也得到广泛的研究。铁基超导体于2008年被发现，其临界温度可达55K，因具有金属性，相比其他超导材料更容易被加工成线材或带材。冷却单元：超导电缆的冷却单元可以分为单流道和双流道两大类，其中单流道中骨架由铜绞线或者金属波纹管制成从而构成支撑芯和冷却介质流道，而双流道中由骨架和外层的波纹管形成两个冷却介质流道，其冷却效果更佳。双流道按两个流道中冷却介质的流向又可以分为顺流制冷和逆流制冷，顺流制冷中内、外流道的流向相同，逆流制冷中内、外流道的流向相反，当逆流制冷仅在一端设置制冷单元时称为单端逆流制冷，在两端均设置制冷单元时称为双端逆流制冷。制备方法：超导电缆的制备方法包括粉末管装法、涂层导体法和中心扩散法等，其中涂层导体法多用于钇钡铜氧化物超导带材中，中心扩散法多用于二硼化镁超导线材中，而粉末管装法因工艺简单、成本低廉和易于批量生产，实际应用中最为广泛。粉末管装法大致流程为先将粉体原料装入金属管中，用延展性较好的堵头封住金属管两端，经过旋锻、拉拔、轧制等工艺，获得所需尺寸的线材或带材，最后进行相应的热处理完成制备。
4.重要申请人分析
4.1国外重要申请人分析
通过对国外申请人的申请量进行分析，得到在超导电缆领域的国外申请人的申请量排名情况，其中住友电气工业株式会社的申请量超过1000件稳居第一，尼克桑斯公司的申请量超过400件排名第二，而东京电力株式会社、古河电气工业株式会社和LS电线有限公司的申请量超过200件分列第三至五，美国超导体公司、西门子公司和株式会社藤仓的申请量超过100件位于第六至八，另外一些科研机构如公益财团法人国际超电导产业技术研究中心、学校法人中部大学和麻省理工学院等也有一定量的专利申请。国外超导电缆专利申请人主要集中在日、美、韩、德等头部电缆厂商，这是因为日、美、韩、德等国对超导电缆领域重视度高，同时超导电缆技术的开发周期长，对研发人员水平和技术实施设备要求高，投入费用巨大，导致中小企业参与度较低。
4.2国内重要申请人分析
通过对国内申请人的申请量进行分析，得到在超导电缆领域的国内申请人的申请量排名情况，其中北京云电英纳超导电力技术有限公司的申请量超过100件排在第一，上海市电力公司、深圳供电局有限公司、富通集团超导技术应用有限公司、西部超导材料公司、中国科学院电工研究所、上海电缆研究所、华北电力大学、北京交通大学、上海交通大学等也有一定量的专利申请。国内超导电缆专利申请人主要集中在超导技术公司、电力公司、科研院所和部分高校，这是因为国内超导电缆的研发以各大课题项目和示范工程为主。国内申请人申请量较少的原因在于，相关企业更加注重工程化应用，而科研院所和高校更加注重学术论文发表，相信随着超导电缆技术与市场的日益成熟，国内申请人将在超导电缆专利技术上不断加强战略布局。
5.重要专利分析
5.1国外重要专利分析
住友电气工业株式会社的重要专利JP4174824B2中，其超导电缆通过将多根超导线材在骨架的外部多层缠绕而形成，其中超导线材使用具有螺旋超导纤维的绞合纤维型超导线材和具有直线型超导纤维的非绞合纤维型超导线材，并且至少导体层的最外层包括绞合纤维型超导线材，并且至少导体层的最内层包括非绞合纤维型超导线材，此种组合结构能够降低交流损耗，同时降低电缆制造成本。尼克桑斯公司和美国超导体公司共同申请的重要专利US7304826B2中，通过检测超导电缆上的故障电流，在预定时间段内根据故障电流和至少一个先前的故障电流确定在超导电缆中耗散的累积总能量，根据累积的总耗散能量来确定是否将超导电缆从公用电网断开，从而提高了超导电缆的使用安全性。LS电线有限公司的重要专利KR102340762B1中，其超导电缆包括通电层，其中通电层位于各超导线材的两表面上，由在常温下具有通电性的金属材料构成，用以增强构成超导导体层的各超导线材的机械强度，使故障电流的分流路径多样化，同时还能够减小骨架的直径和重量。
5.2国内重要专利分析
北京云电英纳超导电缆有限公司的重要专利CN100367420C中，其超导电缆导体由混合层、超导层和金属层的组合而形成，其中混合层为中电流层，由超导导体和金属导体混合而成，超导层为大电流层，金属层为小电流层，在相同传输容量下，能够简化超导电缆制造工艺，同时增大超导电缆导体的机械强度，提高超导电缆失超保护能力。深圳供电局有限公司的重要专利CN110570985B中，通过将通电导体转移至板材上，并对板材进行卷板处理，从而省略超导电缆制造过程中需要通过拖拽将通电导体转移至低温杜瓦管的步骤，避免因通电导体与低温杜瓦管之间产生摩擦而造成通电导体的磨损，提高超导电缆使用寿命。富通集团超导技术应用有限公司的重要专利CN107876659B中，通过设计超导电缆弯曲装置，仅使伸缩杆驱动运动臂围绕铰接点摆动，即可挤压超导电缆按设计的弧度弯曲成型，其中弧形挡片与超导电缆为面接触，可以有效保证超导电缆在弯曲过程中既不会受到伤害又能按需弯曲成型，该弯曲装置适用于多种尺寸超导电缆。
6.结语
超导电缆具有多种优点，在原理上构成最理想的输电技术，但是离大规模产业化应用还有一大段距离。通过对超导电缆专利技术进行统计分析可知，超导电缆仍处于不断发展的阶段，我国作为仅次于日本的技术原创国和目标国，在超导电缆领域呈赶超趋势。根据对重要申请人和重要专利的分析，超导电缆结构优化以及制备方法改进是其迈向市场的重要研究方向。
作者：江成龙 单位：国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心
