超導技術的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用

1、超導技術的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用楊勇（浙江省電力試驗研究所，浙江省杭州市310014）1引言人類進入21世紀以后，超導技術應用將成為電力科技領域最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g之一。目前超導技術在電力系統(tǒng)中的應用已取得長足的進步， 正迅速地由實驗階段轉入實際的工程應用，將把電力科技的發(fā)展帶入一個嶄新的階段。早在1911年，荷蘭物理學家Onnes首先發(fā)現在溫度接近絕對零度即液態(tài)氦溫度時（4K= 269. 2T）,金屬汞的電阻完全消失這一超導現象。 以后人們一直在尋找具有更高溫度的超導材料，可是直到1973年才發(fā)現了臨界溫度在23. 2 K的鈮錯合金（Nb3Ge）超導材料，臨界溫度從4 K 上升到23. 2

2、 K整整花了 62年時間。由于要獲得液態(tài)氦非常困難，超導技術在電力系統(tǒng)中的應用始終處于實驗階段。1988年超導材料的研究取得了重大突破，科學家Mueller和Bednorz發(fā)現一些多元素合金化合物在溫度達到130 K （ 143T）時就呈現出 超導特性，而要達到這一溫度使用液態(tài)氮就能實現。二位科學家因此而獲得了諾貝爾獎。因為液態(tài)氮的價格僅是液態(tài)氦的1/50左右，維持超導狀 態(tài)所需的冷卻系統(tǒng)造價大大下降，為超導技術在電力系統(tǒng)中的應用創(chuàng)造了有利的條件?，F在美國、日本以及歐洲一些主要工業(yè)國家都以極大的熱情， 投入了大量資金，積極開展超導技術在電力系統(tǒng)中的應用研究工作，并且已在超導電力設備的實用化方面

3、取得了相當大的成果。2超導技術在電力系統(tǒng)中的應用2.1超導電纜電力電纜是超導技術在電力系統(tǒng)中很有發(fā)展?jié)摿Φ膽弥?。相同截面的超導電纜載流量大約是普通銅芯電纜的35倍，電能損耗極小，而重 量要輕得多。因此和普通電纜相比，超導電纜輸送容量大、損耗小，電網的電壓等級可以大大下降。人口稠密的大城市在供電電壓不變的情況下， 要在有限的空間內擴大電力輸送容量以滿足迅速增長的電力需要，在原有地下管道內用超導電纜替代常規(guī)的銅芯電纜是解決方案之一。3條單相長 130 m、24 kV，輸送電流達2. 4 kA的超導電纜，現正在美國底特律市的Frisbie變電站敷設，這將是世界上第一條正式投入商業(yè)運行的超導電 纜

4、山。它的基本截面構造如圖1所示?？谶@條超導電纜由世界最大的電纜制造商之一 Pirelli電纜公司和美國超導公司ASC合作研制，其中關鍵的超導體是由銀合金的陶瓷化合物 BSCCO（秘-鍶-鈣-銅-氧化物）構成，這種帶狀超純化合物在超導狀態(tài)下的電流密度極高，尺寸僅4mm寬、0.2 mm厚。超導薄帶繞在一柔性空 心芯管上，外層覆蓋有保溫材料，最外層則是常溫下的絕緣介質和保護外套。電纜中心是流動的液態(tài)氮制冷劑，要將超導體冷卻至大約一200弋左右， 電纜在運行中需要配備制冷維護系統(tǒng)。預計這條電纜將于2001年初正式投運，若結構設計采用低溫絕緣介質，則輸送容量將會進一步提高。此外， 美國Southwire

5、公司的12.5 kV/1.25 kA超導電纜即將在美國喬治亞州安裝，日本東京電力公司的66 kV/2 kA超導電纜也已通過試 驗。2.2超導變壓器如果用超導材料替代銅來作變壓器繞組，變壓器的重量就會大大減輕，噪聲大大減小，而且因不用變壓器油而無火災之憂，即使發(fā)生泄漏，液態(tài) 氮蒸發(fā)到空氣中對環(huán)境也無害，并且變壓器工作在低溫下其使用壽命要長得多，更重要的是進一步減少了損耗，過載能力強且對系統(tǒng)過流有限制作 用。美國Waukesha公司在1997年就研制了 1 MVA的超導變壓器2，其結構如圖2所示。繞制線圈的超導材料采用極細的復合多芯線，高低壓繞組均置于液態(tài)氮中，而鐵芯則于處常溫下。因液態(tài)氮的冷卻成

6、本較低，為簡化結構，有的 超導變壓器將繞組和鐵芯全部置于液氮容器內。還有的結構設計是在繞組導線中流動制冷劑。該公司已計劃于2001年中期在美國威斯康新州投運 一臺正常容量5 MVA、過載容量10 MVA/26.4 kV的超導變壓器。ABB公司的一臺三相18.7 kV/630 kVA的超導變壓器繞組也是采用BSCCO 材料，液氮冷卻溫度為77 K，鐵芯為常溫，已在瑞士的日內瓦配電網中成功運行2年多時間。口2.3超導電機口超導發(fā)電機具有更高的發(fā)電效率，更小的重量和幾何尺寸。1977年美國電力研究院（EPRI）就開始1200MVA超導發(fā)電機的概念設計，1994 年美國GE公司在美國能源部的資助下，開

7、始100 MVA超導發(fā)電機的研制3。由于發(fā)電機采用超導轉子其產生的磁場強度大大高于同容量普通發(fā) 電機。這一方面大幅度減小了定子鐵芯的尺寸，有利于提高定子繞組的絕緣水平，另一方面也提高了發(fā)電機的端電壓，甚至可取消升壓變直接將發(fā) 電機并入電網運行，而損耗要比普通發(fā)電機下降50%以上。普通發(fā)電機與概念設計的超導發(fā)電機尺寸及性能比較見圖3和表1.超導發(fā)電機的另一個突出特點是有利于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般來說，發(fā)電機的電抗越小，系統(tǒng)就越穩(wěn)定。超導發(fā)電機的電抗大約只有普通發(fā) 電機的1/4左右，因此在系統(tǒng)電抗相對較小時，系統(tǒng)的穩(wěn)定極限增加了約4倍。口另外對超導電動機的實用化研究也取得很大進展，美國Relian

8、ce公司的150 kW、1 800 rpm超導電動機已通過試驗，更大容量的7453 730 kW超導電動機正在研制中?？?.4超導限流器（SFCL） 口在電力系統(tǒng)中使用的限流器應具有這樣的功能：在正常運行時幾乎沒有損耗，而一旦系統(tǒng)發(fā)生故障時又能瞬間限制短路電流，當故障電流消失后 又立即恢復正常狀態(tài)。超導限流器就具有這樣的功能。在正常情況下超導限流器處于超導狀態(tài)，損耗極??；而在系統(tǒng)發(fā)生故障時又能立即轉為非超 導狀態(tài)，這種導電狀態(tài)的躍變可在小于1 ms內完成，進而限制短路電流維持系統(tǒng)穩(wěn)定。電力系統(tǒng)采用超導限流器后系統(tǒng)設備的短路容量值可大為 減少，從而增大電網的輸送容量與規(guī)模，減少設備投資?？谀壳耙?/p>

9、有基于各種工作原理的超導限流器問世4，圖4是一種磁屏蔽式超導限流器的基本結構。這種限流器實質上是一個次級繞組短路的變壓 器，系統(tǒng)電流通過初級繞組，次級繞組是一個超導環(huán)，它所產生的磁通幾乎完全抵消了初級繞組產生的磁通，因此正常工作情況下的阻抗極小；系 統(tǒng)故障時的短路電流將使次級繞組的電流密度超過臨界值而不再超導，不能再抵消初級繞組產生的磁通，初級繞組阻抗變大而限制了短路電流；系 統(tǒng)故障消失后又可恢復正常。超導限流器是目前電力系統(tǒng)中應用較成功的超導電力設備，ABB公司的1.2 MVA磁屏蔽型三相超導限流器1997年就已投入實際運行，它可在幾ms時間內將60 kA的短路電流限制到約700 A。美國L

10、ockheed Martin公司研制的15 kV/20 kA超導限流器已于1999年在美國加州 Edison變電站投入試驗運行?？?.5超導儲能器（SMES）口口超導儲能是通過流過超導線圈的直流電建立磁場，將電能以LI2/2的電磁能形式儲存于磁場中。釋放能量時又將電磁能轉換成交流電能，其能量 的釋放速度非?？欤ǔH需幾ms。因為超導的直流電阻幾乎為零，所以這種能量的儲存不會有損耗，它的轉換效率高達95%，而抽水儲能的轉 換效率僅為70%左右。因此，超導儲能與抽水蓄能、蓄電池儲能、飛輪儲能等其他儲能形式相比具有轉換效率高、速度快，不受建造場地限制等 優(yōu)點。在大電網經濟運行儲能不足的情況下，具有

11、很大的潛在市場。由于超導儲能器可向電網提供較大的瞬時功率，這對穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、增加系統(tǒng)阻尼、提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性也大有好處盧。在美國就已有 一個用30 MJ的超導儲能器來消除大功率遠距離輸電網中低頻振蕩的實例6。典型的超導儲能器一次系統(tǒng)簡圖如圖5所示。在正常工作情況下，系統(tǒng)電流經大功率電子變換器轉換成直流注入超導線圈，以電磁能形式儲存起來，當電網出現波動時檢測控制系統(tǒng)立即發(fā)出 釋放能量的信號，此時儲存的能量在極短的時間內經變換器轉化成交流電輸出，以滿足系統(tǒng)的要求。目前，美國Wisconsin電力公司已在有特殊電壓穩(wěn)定要求的配電網中投運了 6個針對用戶的小型超導儲能器，美國超導公司首次向奧地

12、利一家 鋁廠出口的超導儲能器也于2000年4月開始安裝，以解決當地的電壓波動問題。3結束語綜上所述，在電力系統(tǒng)中采用超導技術可增加電網的輸送容量、降低損耗、提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性、改善電能質量、有利于保護環(huán)境， 具有非常廣闊的應用前景?，F在超導電纜、超導限流器、超導儲能器和超導變壓器已發(fā)展到工程實用階段，超導發(fā)電機和超導電動機的研制也取得 了重大進展，超導技術在電力系統(tǒng)中大規(guī)模應用的現實離我們已并不遙遠。我國的電力科技發(fā)展必須緊跟世界電力科技發(fā)展的步伐，隨著三峽工程的建設，一個全國統(tǒng)一聯網的格局即將出現。因此建議加強對超導限流 器、超導儲能器等可改善電網運行參數、有利于系統(tǒng)穩(wěn)定且結構相對

13、簡單的超導電力設備的研制開發(fā)工作，爭取在超導材料的研究開發(fā)、超導設備 的結構設計、降低成本、經濟運行等方面取得突破。這需要超導研究、電工制造和電力等部門的共同努力來早日實現。參考文獻George G. Advanced technologieslift the industry to a higher level 口. Transmission & Distribution World，1999，(1).Rubin L. 2001 Yearofthe superconductor 口. Electric World，2000，(3/4).Rabinowitz M. Superconducting power generation J .IEEE PowerEngineering Review， 2000，