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摘要：通過檢索、篩選、統計和分析國內外有關超導電纜的專利申請，梳理了超導電纜專利技術的申請趨勢和地域分布，并對各主要技術分支的發展情況、重要申請人的專利分布和重要專利的技術方案進行分析，這有助于相關領域研究人員全面了解超導電纜的發展態勢，對后續的研發工作具有指導意義。
1.超導電纜的基本概況
超導電纜一般指利用超導體在臨界溫度下形成超導態從而實現電能傳輸的新型電纜。超導電纜在正常工作狀態下可實現無電阻的大電流傳輸，其導體的傳輸損耗非常低，即使考慮上制冷系統等其他損耗，其總體損耗仍為常規電纜的一半以下，同時其電流密度也很高，相同直徑下其傳輸容量可達常規電纜的5倍，從而能夠很好地解決輸電通道空間占用問題。超導電纜因短路故障而失超時阻抗變大，可以提高故障電流限流能力，當故障排除后，又可快速恢復超導傳輸性能，降低電網故障電流問題等級。另外，超導電纜中作為冷卻劑的液氮不存在泄露等安全問題，也不會污染環境，而且超導電纜還具有無電磁輻射和低噪聲等特點，能夠滿足綠色輸電網絡的需求。超導電纜在原理上構成最理想的輸電技術，但由于其建造價格較為昂貴，且技術尚未完全成熟，離廣泛應用還需要較長時間。世界首條35kV/km級超導電纜示范工程于2021年12月在上海投運，標志著國內電力系統建設領域的關鍵技術取得重大突破，相關單位后續積極申報5km級的超導電纜工程，將進一步推動這項新技術的規模化應用。
2.申請量初步統計與分析
2.1申請量年度分布
圖1和2顯示了超導電纜專利的申請趨勢，在20世紀70年代初就已經有超導電纜的國外專利申請，其中1972~1986年為技術萌芽階段，全球年申請量平均在30件左右，此時超導電纜主要采用低溫超導材料，實現超導態條件苛刻，研發成本高，市場前景不明，故專利技術發展緩慢。1987~2005年為技術快速發展階段，全球年申請量不斷增加，更是在2005年超過400件，這是因為1986年高溫超導材料出現后，超導態可在液氮環境下實現，使得超導電纜技術取得突破，向實際應用邁出一大步。2006年至今為技術日益成熟階段，全球年申請量有所下降但是保持在100件以上，隨著更多高溫超導材料的發現、超導體制備工藝的改進以及超導電纜結構的完善，超導電纜專利技術也取得長足穩定發展。國內的超導電纜專利申請始于20世紀80年代中期，稍晚于國外，2006年之前國內申請趨勢與全球申請趨勢基本相似，但是2006年之后，國內每年的相關專利申請量則呈明顯上升趨勢，2020更是接近150件（占到全球專利申請量的四分之三），這是源于近些年我國的電纜行業規模、產量以及增速已穩居世界第一，同時我國將超導電纜作為未來電力傳輸領域的戰略方向，也開展了一系列重大科研項目，當然也離不開我國知識產權法律體系和保護體系的不斷健全以及研發人員知識產權意識的不斷提升。
2.2申請量地域分布
技術原創國和地區表征了一個國家或地區在該領域的技術儲備和技術實力。在超導電纜技術領域，日本（占28%）的申請量稍多于我國（25%），其次是歐洲（占19%，其中法國和德國占絕大部分）和美國（15%），韓國的申請量較少（11%），日本申請量多的原因在于日本在超導材料方面起步早且處于領先地位，而中國則是因為具有多個中長期的重大科研項目，且在規模化應用推廣方面不斷著力。目標國和地區表征了一個國家或地區的市場在該領域的重要程度。在超導電纜技術領域，日本（占31%）和中國（27%）為目標國的專利申請最多，接著是美國（占17%）、歐洲（占12%）和韓國（占11%），這是因為日本和中國對大容量和高密度的綠色電力傳輸技術都較為重視，超導電纜需求大。
3.技術發展分支
超導電纜的技術分支大致可以分為基本結構、超導材料、冷卻單元和制備方法。通過查找相關技術所涉及的專利申請，對上述四個超導電纜的主要技術分支發展情況進行簡單梳理?；窘Y構：超導電纜由內置外一般包括支撐骨架、超導體層、電絕緣層、熱絕緣層以及防護層等。按照導體結構，超導電纜可以分為單相超導電纜、三相平行軸超導電纜和三相同軸超導電纜，而超導體層則可以采用超導帶材和超導線材構成，其中帶材繞制又可以分為羅貝爾電纜、圓芯導體電纜以及堆疊帶電纜。按照絕緣形式，超導電纜可以分為常溫絕緣超導電纜和冷絕緣超導電纜，常溫絕緣超導電纜的電絕緣層位于熱絕緣層外處于常溫環境中，而冷絕緣超導電纜的電絕緣層則與超導體層一樣處于低溫環境中，冷絕緣形式結構相對復雜，但是在工作狀態下渦流損耗要小很多。按照電流形式，超導電纜可以分為交流超導電纜和直流超導電纜，其中直流超導電纜因交流損耗基本為零故無需繞制屏蔽層，同時因不存在交變電流帶來的鄰近效應故無需對超導帶材繞制參數進行計算。超導材料：超導電纜中常用的超導材料主要包括鉍鍶鈣銅氧化物、釔鋇銅氧化物、二硼化鎂和鐵基超導體。鉍鍶鈣銅氧化物于1988年被發現，其臨界溫度可達110K，因不屬于稀土類，以其為基礎的第一代高溫超導材料更具性價比。釔鋇銅氧化物于1987年被發現，其臨界溫度可達90K，首次突破液氮77K的溫度壁壘，以其為基礎的第二代高溫超導材料已實現商業化生產，且具有良好的傳輸性能。二硼化鎂于2001年被發現，其臨界溫度可達39K，因具備結構簡單、成本低廉和便于加工等特點，也得到廣泛的研究。鐵基超導體于2008年被發現，其臨界溫度可達55K，因具有金屬性，相比其他超導材料更容易被加工成線材或帶材。冷卻單元：超導電纜的冷卻單元可以分為單流道和雙流道兩大類，其中單流道中骨架由銅絞線或者金屬波紋管制成從而構成支撐芯和冷卻介質流道，而雙流道中由骨架和外層的波紋管形成兩個冷卻介質流道，其冷卻效果更佳。雙流道按兩個流道中冷卻介質的流向又可以分為順流制冷和逆流制冷，順流制冷中內、外流道的流向相同，逆流制冷中內、外流道的流向相反，當逆流制冷僅在一端設置制冷單元時稱為單端逆流制冷，在兩端均設置制冷單元時稱為雙端逆流制冷。制備方法：超導電纜的制備方法包括粉末管裝法、涂層導體法和中心擴散法等，其中涂層導體法多用于釔鋇銅氧化物超導帶材中，中心擴散法多用于二硼化鎂超導線材中，而粉末管裝法因工藝簡單、成本低廉和易于批量生產，實際應用中最為廣泛。粉末管裝法大致流程為先將粉體原料裝入金屬管中，用延展性較好的堵頭封住金屬管兩端，經過旋鍛、拉拔、軋制等工藝，獲得所需尺寸的線材或帶材，最后進行相應的熱處理完成制備。
4.重要申請人分析
4.1國外重要申請人分析
通過對國外申請人的申請量進行分析，得到在超導電纜領域的國外申請人的申請量排名情況，其中住友電氣工業株式會社的申請量超過1000件穩居第一，尼克桑斯公司的申請量超過400件排名第二，而東京電力株式會社、古河電氣工業株式會社和LS電線有限公司的申請量超過200件分列第三至五，美國超導體公司、西門子公司和株式會社藤倉的申請量超過100件位于第六至八，另外一些科研機構如公益財團法人國際超電導產業技術研究中心、學校法人中部大學和麻省理工學院等也有一定量的專利申請。國外超導電纜專利申請人主要集中在日、美、韓、德等頭部電纜廠商，這是因為日、美、韓、德等國對超導電纜領域重視度高，同時超導電纜技術的開發周期長，對研發人員水平和技術實施設備要求高，投入費用巨大，導致中小企業參與度較低。
4.2國內重要申請人分析
通過對國內申請人的申請量進行分析，得到在超導電纜領域的國內申請人的申請量排名情況，其中北京云電英納超導電力技術有限公司的申請量超過100件排在第一，上海市電力公司、深圳供電局有限公司、富通集團超導技術應用有限公司、西部超導材料公司、中國科學院電工研究所、上海電纜研究所、華北電力大學、北京交通大學、上海交通大學等也有一定量的專利申請。國內超導電纜專利申請人主要集中在超導技術公司、電力公司、科研院所和部分高校，這是因為國內超導電纜的研發以各大課題項目和示范工程為主。國內申請人申請量較少的原因在于，相關企業更加注重工程化應用，而科研院所和高校更加注重學術論文發表，相信隨著超導電纜技術與市場的日益成熟，國內申請人將在超導電纜專利技術上不斷加強戰略布局。
5.重要專利分析
5.1國外重要專利分析
住友電氣工業株式會社的重要專利JP4174824B2中，其超導電纜通過將多根超導線材在骨架的外部多層纏繞而形成，其中超導線材使用具有螺旋超導纖維的絞合纖維型超導線材和具有直線型超導纖維的非絞合纖維型超導線材，并且至少導體層的最外層包括絞合纖維型超導線材，并且至少導體層的最內層包括非絞合纖維型超導線材，此種組合結構能夠降低交流損耗，同時降低電纜制造成本。尼克桑斯公司和美國超導體公司共同申請的重要專利US7304826B2中，通過檢測超導電纜上的故障電流，在預定時間段內根據故障電流和至少一個先前的故障電流確定在超導電纜中耗散的累積總能量，根據累積的總耗散能量來確定是否將超導電纜從公用電網斷開，從而提高了超導電纜的使用安全性。LS電線有限公司的重要專利KR102340762B1中，其超導電纜包括通電層，其中通電層位于各超導線材的兩表面上，由在常溫下具有通電性的金屬材料構成，用以增強構成超導導體層的各超導線材的機械強度，使故障電流的分流路徑多樣化，同時還能夠減小骨架的直徑和重量。
5.2國內重要專利分析
北京云電英納超導電纜有限公司的重要專利CN100367420C中，其超導電纜導體由混合層、超導層和金屬層的組合而形成，其中混合層為中電流層，由超導導體和金屬導體混合而成，超導層為大電流層，金屬層為小電流層，在相同傳輸容量下，能夠簡化超導電纜制造工藝，同時增大超導電纜導體的機械強度，提高超導電纜失超保護能力。深圳供電局有限公司的重要專利CN110570985B中，通過將通電導體轉移至板材上，并對板材進行卷板處理，從而省略超導電纜制造過程中需要通過拖拽將通電導體轉移至低溫杜瓦管的步驟，避免因通電導體與低溫杜瓦管之間產生摩擦而造成通電導體的磨損，提高超導電纜使用壽命。富通集團超導技術應用有限公司的重要專利CN107876659B中，通過設計超導電纜彎曲裝置，僅使伸縮桿驅動運動臂圍繞鉸接點擺動，即可擠壓超導電纜按設計的弧度彎曲成型，其中弧形擋片與超導電纜為面接觸，可以有效保證超導電纜在彎曲過程中既不會受到傷害又能按需彎曲成型，該彎曲裝置適用于多種尺寸超導電纜。
6.結語
超導電纜具有多種優點，在原理上構成最理想的輸電技術，但是離大規模產業化應用還有一大段距離。通過對超導電纜專利技術進行統計分析可知，超導電纜仍處于不斷發展的階段，我國作為僅次于日本的技術原創國和目標國，在超導電纜領域呈趕超趨勢。根據對重要申請人和重要專利的分析，超導電纜結構優化以及制備方法改進是其邁向市場的重要研究方向。
作者：江成龍 單位：國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心
