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超导电力技术及其发展前景

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1.引言

超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。近年来 ,随着材料科学的发展 ,超导材料的性能不断优化 ,实现超导的临界温度也越来越高。一旦室温超导体达到实用化、工业化 ,将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。

超导体具有诸多奇特的物理性质,如零电阻特性、完全抗磁特性、宏观量子相干效应等,超导技术就是基于这些性质而发展起来的。超导电力技术则是超导技术与电工技术相结合而产生的一门新技术。超导电力技术主要研究开发各种超导电力装置,以及含超导装置的电力系统的各种特性。超导电力装置具有体积小、重量轻、容量大等基本特点,许多电力装备都可以采用超导技术来提高其性能,如输电电缆、电机、变压器、储能装置等,同时还可采用超导技术研制出常规技术无法实现的新型电力设备,如超导故障电流限制器等。超导电力技术的实际应用,不仅可以极大地提高电力系统中单机容量和电网的输送容量并大大降低电网的损耗,还可以明显改善电能的质量,提高电力系统运行的稳定性和可靠性,提高电网的安全性,并为电网向超大规模方向发展提供技术基础。

2.概述

近年来,超导电力技术受到了世界各国的广泛重视。

1999年,美国开始了 SPI(SuperconductivityPartnershipInitia-tive)计划,开展了如超导电机、超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导磁悬浮飞轮储能等项目的研究。在 “美国电网2030”计划中,还提出了采用超导电力技术建设骨干电网等建议,在其海军舰船先进电力系统计划中也列入了超导推进电机等研究项目。日本在 20世纪 90年代曾实施了 SuperGM等超导电力技术研究计划,并成立了国际超导技术研究中心(ISTEC),其主要电力公司及电机制造厂家均积极参与超导电力技术研究工作。法国、德国、俄罗斯、以色列和印度等都相继开展了超导电力技术研究工作。韩国也于 2001年制定了高温超导技术的十年发展规划。

在超导电力装置方面,国外研究开发的重点主要是高温超导电缆、高温超导限流器、超导储能系统、高温超导变压器、高温超导电动机以及无功功率补偿用的高温超导同步发电机。

过去十余年中在国家863专项计划、国家重点研究基础计划和各地方科技计划的支持下，我国在超导技术领域的研究能力大大加强，取得了一系列的科研成果。目前我国在超导技术领域与国际先进水平的差距正在缩小，形成了具有一定规模的超导技术产业，增强了我国在超导技术领域的国际竞争力。

3.正文

3.1超导电力技术与应用

3.1.1超导电力技术

超导电子技术，即超导技术在弱电方面的应用。其实超导技术突出的特点为电力技术带来了更深刻的革命。与常规技术相比较, 应用超导技术具有很多优越的性能，可以解决若干现有的常规技术难以解决的电力系统中的重大难题。超导发电机可以使发电机的同步电抗减小到常/

5规发电机的1/3,从而提高发电机的稳定送电极限；超导电缆可以降低电网损耗, 减少输电线路占地面积,并以较低电压输送巨大容量的电能,为大城市的高密度送电提供保证；电压等级的降低, 还会使系统绝缘水平下降,电网结构得z 到改善,从而带来巨大的经济效益；超导限流器可以限制系统短路电流,从而降低系统中电气设备的电磁电特别是超导变压器，早在20世纪60 年代, 就引起了人们的注意。与常规变压器相比, 超导变压器在以下几方面具有较大的技术经济优势。a.体积小、重量轻。由于超导线的通电D密度远大于铜等常规导体, 利用超导线材制成的变压器绕组的体积和重量与常规变压器相比,分别只有后者的 30%～70%和40%～60%。b.阻燃。在高温超导变压器中, 液氮既是冷却剂, 又是绝缘的一部分, 而且具有良好的绝缘性能。又由于氮气不可燃, 加上温度极低, 超导压器具有良好的阻燃特性。这一优点可提高变电站、发电厂的安全性能。c.效率高。维护超导所需要的冷却能量是制约变压器效率的关键因素。由于超导线材技术和冷却技术的进步，特别是高温超导线材技术的应用,超导变压器的效率可比常规变压器高出11%～15%。由于高温超导变压器还可以使用直接冷却技术, 使其在低于77K的温区运行, 这可以获得更高的超导稳定性。在过冷却液氮温度(66K)下可达到800kV。但当时的超导线在交变磁场下交流损耗较大, 以致使采用超导材料后的铜耗减少补偿不了由交流损耗引起的热损耗，在经济上没有明显的优越性，加之当时的低温系统可靠性还达不到电力系统对安全可靠性的要求。因此，在20世纪80年代前, 超导变压器的研究没有很大进展。

3.1.2高温超导电缆

高温超导电缆采用无阻和高电流密度的高温超导材料作为载流导体,具有载流能力大、损耗低和体积小的优点,其传输容量将比常规电缆高 3～5倍,而电缆本体的焦耳热损耗几乎为零。虽然在交流运行状态下,它也存在磁滞、涡流等损耗,即交流损耗,但超导电缆只要超过一定长度后,即使考虑到低温冷却和终端所需的电能消耗,其输电损耗也将比常规电缆降低 20%～70%。另外,高温超导电缆是采用液氮作冷却介质,在结构上还可以使其磁场集中在电缆内部,从而防止对环境的污染。同时,液氮冷却的高温超导电缆不会有漏油污染环境和发生火灾的隐患。随着大城市用电负荷的日益增加,高压架空线深入城市负荷中心又受到许多因素的影响,因此往往需要采用地下电缆将电能输往城市负荷中心。在这种情况下,采用高温超导输电电缆有明显的优势,是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。

20世纪 90年代以来,美国、日本、丹麦和韩国等都相继开展了超导输电电缆的研究。2000年 2月,美国 Southwire公司研制了长 30m、12.5kV/1.25kA三相高温超导电缆,并安装在公司总部供电运行。2001年,日本东京电力公司与住友电工合作,研制出 100m、1kA/66kV三相高温超导交流电缆,并进行了冷却、额定电流通电运行、负荷变动、过负荷和耐压等一系列试验。为了研究,2004年日本 Furukawa电气公司和电力工业中心研究所(CRIEPI)等研制了长 500m、77kV/1kA单相高温超导电缆,并进行了高温超导电缆在穿越地下、过河、上下坡等不同安装环境下的性能试验。2006年,美国超导公司(AMSC)、SuperPower公司等在能源部和纽约州等支持下,分别研制出 200m(13.5kV/3kA)、350m(34.5kV/0.8kA)和 660m(138kV/2.4kA)三相高温超导交流电缆,并分别安装在俄亥俄州哥伦布的Bixby变电站、纽约州的Albany和长岛等地并网试验运行。2005年,韩国电力研究所(KEPRI)等与日本住友株式会社合作,研制出长 100m、22.9kV/1.2kA三相高温超导交流电缆。墨西哥也计划在墨西哥市建造 33m、15kV/1.8kA的高温超导电缆,为用户提供更安全可靠的电能。自“九五”开始,我国就开展了高温超导电缆的研究。中国科学院电工研究所与北京有色金属研究总院和西北有色金属研究院合作于 1998年研制成功 1m/2kA高温超导直流输电电缆模型,随后于 2000年又研制出 6m/2kA高温超导直流输电电缆。2002年,中国科学院电工研究所还完成了 10m/1.5kA三相高温超导交流输电电缆的研制。结合高温超导电缆的研制,中国科学院电工研究所还进行了高温超导电缆带材电流分布的均匀性问题、电缆的电磁屏蔽技术、电缆的高电压绝缘和终端绝缘技术、高温超导电缆的焊接技术、高温超导电缆的绕制技术、高温超导电缆冷却技术、高温超导输电电缆系统监控保护技术以及高温超导带材临界电流和均匀性无接触测量技术等研究,取得了一系列成果。2005年,中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司、中国科学院理化技术研究所等合作,研制出 75m、10.5kV/1.5kA三相交流高温超导输电电缆,并于 2005年底安装在甘肃长通电缆公司向车间供电运行。2005年 4月,北京云电英纳电缆公司研发出 33m、35kV/2kA三相交流高温超导输电电缆,安装在云南普吉变电站试验运行。

3.1.3超导电机

超导电机是采用超导线材取代常规的铜导线绕制电机的励磁绕组或电枢绕组。由于超导线的电流密度要比铜导线高约 2个数量级,且几乎无焦耳热损耗,因此超导同步发电机的效率可比常规电机提高 0.5%～0.8%;电机的整机重量可减少 1/3～1/2,且体积小。同时,电机同步电抗可减小到原来的1/4,从而提高了电机的运行稳定性;它还可省去铁芯,使电机的电枢绕组对地绝缘水平大大提高。另外,由于气隙磁通密度可比常规电机大数倍,单机容量可达百万千伏安以上。但是,由于超导绕组必须运行在液氦或液氮温区,且超导绕组电流密度大、绕组,给电机的设计、制造和运行带来一系列新的技术问题。例如,大电流密度和高磁场的超导电机组设计和电磁计算,超导绕组的阻尼屏蔽结构,超导绕组的稳定性和失超保护,超导绕组低温容器的真空绝热和密封技术,超导绕组冷却技术,以及高速旋转下冷却介质输运技术等都需要研究和解决。迄今为止所研制的超导同步发电机只是转子励磁绕组采用超导线圈,电机的定子绕组一般仍然采用常规的铜绕组。这是因为电机的定子绕组是在 50Hz工频下运行的,而超导体在交流运行条件下存在交流损耗。日本自 1988年开始进行超导同步发电机研究,已研制出一台励磁绕组采用 NbTi超导线绕制的 70MV·A超导同步发电机。这台电机采用超临界氦冷却,1997年已经试验成功。原计划准备在此基础上进一步研制 200MV·A超导同步发电机,但至今未进行。1996年,美国 Reliance电力公司(REC)成功地研制出一台转速为 1800r/min的四极高温超导同步电动机,其高温超导线圈是在 27K下运行的。经试验,该电动机输出功率达147kW(比设计的 92kW高出 60%),其效率达 97.1%。1997年,REC开展了 3.7MW(5000hp)的四极高温超导电动机研究工作,目前已完成该机研制工作。2003年,美国 AMSC公司和 ALSTOM公司研制成功 5MW高温超导单极电动机,并在模拟船舶上进行了测试。美国 AMSC公司目前正在研制 36.5MW、转速 120r/min的船舶推进用高温超导电动机。美国海军期望未来的作战舰艇能使用包括高温超导电机、超导限流器、超导电缆、超导变压器在内的高温超导电力系统,美国空军也计划在新一代飞机中使用超导电机。早在 1965年,中国科学院物理研究所与武汉 712研究所合作,就曾采用宝鸡有色金属加工研究所研制的单芯 NbTi超导线,设计、研制一台具有超导转子的 20kW超导电机模型。1977年,上海电机厂研制出一台 400kV·A超导同步发电机并进行了短时间的并网发电试验。1981年,上海发电设备成套设计研究所在 400kV·A超导同步发电机的基础上,开始研制一台新的 400～800kV·A超导同步发电机,该超导电机最长发电实验时间达 1h,并成功并网 5min。1992年,中国船舶重工集团公司武汉 712研究所与中国科学院电工研究所和浙江大学合作,研制成功一台船舶推进用 300kW超导单极电机。近年来,712研究所等还开展了船舶推进用的高温超导电动机研究,2007年研制出 100kV·A、3极、500r/min高温超导电动机。

3.1.4高温超导变压器

与常规变压器相比,高温超导变压器有体积小、重量轻等优点,同时它采用液氮作为冷却剂,没有污染环境或火灾的隐患。高温超导变压器有很强的过载能力,在过载条件下短时间运行只导致冷却功率增加,而常规变压器过载约 10%就有可能导致绝缘损坏。此外,在电力系统中采用超

导变压器,当发生短路时,超导线圈还有限流的作用。1997年 4月,ABB研究中心研制出一台 630kV·A,18.7kV/420V三相高温超导变压器,并安装在日内瓦电力公司下属电厂进行测试和试验运行。日本九州大学与富士公司等合作研制出一台单相 500kV·A,6.6kV/3.3kV的高温超导变压器,该变压器运行于 77K时,效率达 99.1%。当该变压器运行于 66K时,容量可提高到 800kV·A,效率可达 99.3%。1998年初,美国电力公司、IGC公司、橡树岭国家实验室和Rochester燃气电力公司等合作研制完成 1MV·A单相高温超导变压器样机并成功地进行了试验。随后,又计划合作研制出容量为 30MV·A,138kV/13.8kV,60Hz的三相高温超导变压器样机,因为这种容量和电压等级的变压器约占美国今后 20年中等容量变压器销量的 50%。2001年,德国Siemens公司也研制、试验成功用于铁路机车的 1MV·A高温超导变压器样机。2003年,中国科学院电工研究所与新疆特变电工股份有限公司合作先后研制成功 26kV·A、400V(37.5A)/16V(938A)三相高温超导变压器和 45kV·A、2.6kV/160V单相高温超导变压器。在此基础上进而研制出 630kV·A、10.5kV(34.6A)/400V(909A)的高温超导变压器示范样机,于 2005年 12月在新疆特变公司并网试验运行。此外,株洲电力机车车辆厂也开展了电力机车用 300kV·A高温超导变压器的研制。

3.2超导电力技术发展前景及要解决的问题

提高电力系统的稳定性、可靠性、供电品质一直是电力系统要解决的重要问题,随着电网容量的增加和规模的不断扩大,电力系统的短路容量越来越大,而短路电流对电气设备和正常的工业生产将带来很大的危害,甚至可能导致电力系统的崩溃。目前 对付短路故障的办法主要是用断路器直,接开断故障线路,或从电网的结构上和运行方式上来解决降低短路电流问题。因此,要进一步扩大电网的输送容量与规模,必须采用有效的措施限制短路电流。要保障电网安全、经济和可靠运行,必须在电力系统的关键环节点上建立 “电能存取”单元(储能系统),以便对系统给与强有力的支撑。同时,还必须寻找新的措施缓和甚至消除电力系统中的扰动所造成的影响。

节能和减少污染排放量也是当前面临的重大问题,而目前电力系统的效率由于受到铜、铝等基本导电材料的限制,要进一步提高效率和节能是有很大难度的。超导电力技术是从根本上为降低电力系统损耗、提高电力系统输送能力、有效限制故障短路电流、提高电网的安全

性和改善电力系统动态特性开拓的新技术途径。采用超导电力技术,不仅可以大大提高单机容量和电网的输送容量并大大降低电网的损耗,而且还可以明显改善电能的质量、提高电力系统运行的稳定性和可靠性、降低电压等级、提高电网的安全性、降低电网的占地面积和电网的造价及电网的改造成本,并使超大规模电网的实现成为可能。不仅如此,通过大容量的超导输电系统,可将排污的发电厂建在煤矿和油田附近或将核电站建在比较偏远的地区,从而改善人类生存环境的质量。通过超导储能,还可大大改善可再生能源的电能质量,并使其与大电网有效地联结。

超导电力技术不仅是一项民用技术,在国防安全方面也具有重大应用价值。例如,高温超导电动机可以用于军用舰船推进,大大减少舰船电机的体积和重量;高温超导限流器可以用于舰船电力系统短路电流的限制,超导储能系统在提高舰船电力系统稳定性和电能质量方面也将发挥重要的作用。

目前，超导电力技术已有很大的发展，但要在电力系统中真正获得实际应用,还需要进一步开展以下重大课题研究。

1)积极开展超导电力新装置、新原理的探索和研究,开发新型超导电力装置,以使超导电力装置满足电力系统不同运行状态的要求,并能最大限度地发挥超导体的优越性能。要研究大容

量交流电流、高变化率动态电流甚至瞬变脉冲电流条件下的超导线/电缆内的磁通运动与交流损耗机理提出适合超导电力装置各类性能要求的超导线/电缆的合理结构和载流特性,以确保超导电力装置能在各种复杂的动态条件下保持其超导稳定性。研究超导电力装置内部的复杂电磁场优化理论,并以此为依据对超导线圈、超导磁体的结构和位形进行优化设计,减轻在瞬变、动态条件下的电磁应力;开展低温绝缘、传导冷却等相关支撑技术的研究。

2)需要在深入分析各种超导电力装置的工作机理和电磁特性的基础上,研究超导电力装置的内部动态特性,和与电力系统动态相互作用的机理。与传统电力装置相比,超导电力装置具有许多完全不同的特性,正是这些特性使得超导电力技术具有良好的应用前景,而这些特性又必然会对电力系统动态特性产生影响。此外,还要开展含超导装置的电力系统规划、运行,稳定、控制理论,以及经济优化理论和安全保障理论等的研究。

3)开展超导电工技术与电力电子技术相结合的研究,这是超导电力技术发展的重要方向之

一。超导技术和电力电子技术的结合,有可能将诸如超导变压器、超导储能、超导限流器、有源滤波、统一潮流控制器等多个功能集成于一体,同时根据不同电力储能技术具有不同的功能定位,也有可能实现将超导储能系统和其他储能方式有机集成于一体,发挥各种储能技术的综合优势,以应对多种电力事故、提高电力系统的稳定性和改善电力质量。

4.建议

超导电力技术是一门有广泛应用和巨大发展潜力的高技术领域,也是目前国际科技发展的重要前沿,开展超导电力技术研究具有十分重要的理论和实际意义。随着高温超导材料和超导技术的进一步发展,超导电力技术对未来电力系统将会成为最具有影响力的新技术,超导电力技术的应用将大大提高电力工业的发展水平并将促进电力工业重大变革。我国在该领域的研究与应用尚处在发展时期，加大研发投资，提高超导电力技术研究的重视性事关科技、国防、卫生等领域的重大突破。因此一定要注重引导人才向该领域发展，并积极支持。

参考文献

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