超導(dǎo)輸電技術(shù)的應(yīng)用及問題

研究生課程考核試卷科目:新型輸電技術(shù)教師： 科目:新型輸電技術(shù)教師： 題目：超導(dǎo)輸電的應(yīng)用及問題姓名：學(xué)號：專業(yè)： 電力系統(tǒng) 類別：學(xué)術(shù)型上課時間： 2015年5月?2015年7月 考生成績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師（簽名） 重慶大學(xué)研究生院制超導(dǎo)輸電的應(yīng)用及問題摘要：我國電力資源與負(fù)荷資源分布極度不匹配，電力的遠(yuǎn)距離輸送不可避免，特別是未來可再生能源的規(guī)模開發(fā)與利用，將會進(jìn)一步加劇這種不匹配的格局。因此大規(guī)模的電力遠(yuǎn)距離輸送在我國尤其重要。超導(dǎo)輸電技木由于其輸送容量密度大、損耗極小，是實現(xiàn)大規(guī)模電力遠(yuǎn)距離輸送的潛在解決方案之一。本文就超導(dǎo)輸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，首先講解了超導(dǎo)輸電的原理，進(jìn)一步，對國內(nèi)外超導(dǎo)輸電的應(yīng)用發(fā)展情況做出詳細(xì)介紹，并分析了超導(dǎo)輸電技木的優(yōu)點和大規(guī)模應(yīng)用的實現(xiàn)問題0關(guān)鍵詞：超導(dǎo)輸電高溫超導(dǎo)超導(dǎo)電纜低溫絕緣1.引言我國電力資源與負(fù)荷資源分布極度不匹配，電力的遠(yuǎn)距離傳輸不可避免，特別是未來可再生能源的規(guī)模開發(fā)與利用，將會進(jìn)一步加劇這種不匹配的格局，大規(guī)模的電力遠(yuǎn)距離輸送在我國尤其重要。但傳統(tǒng)的電纜受銅、鋁等基本導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率限制，損耗不可避免。尤其在長距離輸變電過程中，由于線纜造成的損耗約占總線路損耗的70%左右。同時，隨著電能消費密度的不斷增長，送電通道越來越緊張，常規(guī)技術(shù)以不能滿足負(fù)荷中心高密度大容量送電的要求。在日本東京、大阪等大城市中，中心電力消費密度己達(dá)到80-100MW/kin2,大容量高密度送電問題十分突出⑴。為減少電能輸變過程中的損失，也必須采用新型輸電方式來實現(xiàn)資源節(jié)約型電能輸送。超導(dǎo)輸電技術(shù)是利用高密度載流能力的超導(dǎo)材料發(fā)展起來的新型輸電技術(shù)。運(yùn)用超導(dǎo)輸電電纜作為電能傳輸媒介。由于超導(dǎo)材料的載流能力可以達(dá)到100?1000A，mm%大約是普通銅或者鋁的載流能力的50?500倍，且其傳輸損耗兒乎為零（直流下?lián)p耗為零，工頻交流下有少量交流損耗【2】。正是由于超導(dǎo)輸電有諸多優(yōu)點，且能夠有效解決損耗和大容量大電流傳輸?shù)膯栴}，所以近年來超導(dǎo)輸電技術(shù)受到各國的重視，先后有多個國家開展了超導(dǎo)輸電技術(shù)的研究。本文就超導(dǎo)輸電的發(fā)展現(xiàn)狀，重點介紹國內(nèi)外超導(dǎo)輸電的應(yīng)用，并分析超導(dǎo)輸電技術(shù)存在的問題。2.超導(dǎo)輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用近兒年來，關(guān)于超導(dǎo)技術(shù)的成果接連不斷，讓人們看到了超導(dǎo)技術(shù)的巨大作用和廣闊的應(yīng)用前景。至此，許多國家把超導(dǎo)技術(shù)當(dāng)作21世紀(jì)具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)來重點發(fā)展，而重中之重就是加快超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用，以促進(jìn)電力能源工業(yè)的重大變革。2.1.超導(dǎo)原理及超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)很低的溫度下，物體會形成一個核外層電子公用的狀態(tài)，這就是物質(zhì)的超導(dǎo)態(tài)，核外層電子處于公用的狀態(tài)的物體就是超導(dǎo)體。處于超導(dǎo)狀態(tài)的物體電阻非常小，而電纜在傳輸電能過程中主要的損耗就是電阻造成的。因此，采用超導(dǎo)電纜進(jìn)行電能傳輸可以有效的減少電能損耗。1-外護(hù)套；2-電絕緣；3-熱絕緣：4-高溫超導(dǎo)帶材：5-波紋管骨架；6-LN2；7-低溫恒溫管內(nèi)管；8-低溫恒溫管外管圖1常溫絕攜高溫超導(dǎo)電纜示意圖圖1所示是超導(dǎo)電纜的一般結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)電纜主要由電纜本體、終端以及低溫制冷裝置組成〔％超導(dǎo)電纜本體還包括電纜芯、電絕緣和低溫恒溫管，其電纜芯是由超導(dǎo)線帶繞成，它裝在維持電纜芯所需低溫的低溫恒溫管中。電纜芯的超導(dǎo)線帶在終端通過電流引線與外部電源或負(fù)荷相連接。超導(dǎo)電纜的低溫恒溫管一般采用具有高真空和超級絕熱的雙不銹鋼波紋管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)保證了超導(dǎo)電纜的柔性和保持夾層高真空度。超導(dǎo)電纜絕緣有常溫絕緣和低溫絕緣兩種絕緣方式。常溫絕緣超導(dǎo)電纜的電絕緣層是處在電纜低溫恒溫管外的常溫區(qū)，它可以采用常規(guī)電纜的電絕緣材料和技術(shù)，低溫絕緣超導(dǎo)電纜的電絕緣層是直接纏包在導(dǎo)體上，并與導(dǎo)體一起處在低溫區(qū)，這樣電纜尺寸將更緊湊。為了防止電纜載流時產(chǎn)生磁場對周圍環(huán)境的影響，通常在絕緣層外還加有屏蔽層。2.2.國外超導(dǎo)輸電技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用自20世紀(jì)90年代中期以來，液氮溫度的高溫超導(dǎo)材料制備技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，從而引發(fā)了世界范圍內(nèi)的超導(dǎo)輸電技術(shù)研充開發(fā)熱潮.美國、歐洲、日本、中國和韓國等都相繼開展了高溫超導(dǎo)電纜的研究，完成了多組高溫超導(dǎo)輸電電纜的研制，研究重點主要集中在高溫超導(dǎo)交流輸電電纜。美國南方電線公司于1991年首先將30m長、12.5kV/1.25kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜安裝在其總部進(jìn)行供電運(yùn)行；丹麥于2001年研制出30m長36kV/2kA的三相交流高溫超導(dǎo)電纜并進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行實驗。此后，國際上有多組更長距離的高溫超導(dǎo)電纜并入實際電網(wǎng)運(yùn)行，主要集中在美國，包括長度分別為200m、350m等三相交流高溫超導(dǎo)電纜，均已完成研制，并投入到實際電網(wǎng)示范運(yùn)行。2008年4月美國紐約州長島市電力局（LIPA）、美國超導(dǎo)公司（AMSC）聯(lián)合宣布：世界上第一條高溫超導(dǎo)電纜己在商業(yè)電網(wǎng)中投入運(yùn)行。該電纜用3根高溫超導(dǎo)電纜和138千伏電壓將574兆瓦的電力傳輸約600米【4】。日本多年來一直致力于超導(dǎo)輸電電纜的研充與開發(fā)，1997年日本住友電氣公司、古河電氣公司，以及日本電力公司等己合作開展高溫超導(dǎo)輸電電纜樣機(jī)的研制o2004年日本在經(jīng)濟(jì)、通商和工業(yè)省的支持下，F(xiàn)unilawa電氣公司和電力工業(yè)中心研充所（CRIEPI）等研制出500m長、77kV/lkA單芯高溫超導(dǎo)電纜。2006年，日本住友公司完成了全球第一組以商業(yè)化方式訂制的100m長、22.9kV/1.25kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜的開發(fā)并交付韓國使用。目前在世界范圍內(nèi)，在較長距離的高溫超導(dǎo)電纜的研究開發(fā)方興未艾，高溫超導(dǎo)電纜的實用化步伐正在加速，韓國啟動了500m、22.9kV/1.25kA的三相交流高溫超導(dǎo)電纜的研制，電纜安裝在首爾韓國電力公司附近的配電網(wǎng)中，于2011年9月投入示范運(yùn)行;美國超導(dǎo)公司與韓國LS電纜公司于2009年9月建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，共同推進(jìn)韓國現(xiàn)有電力傳輸網(wǎng)采用高溫超導(dǎo)電纜的進(jìn)程，預(yù)計在未來五年內(nèi)將實現(xiàn)50km高溫超導(dǎo)電纜在實際商業(yè)電網(wǎng)中的使用和服務(wù)。德國從2012年起規(guī)劃建設(shè)長達(dá)1公里的高溫超導(dǎo)輸電電路，輸電電壓10kV,輸電功率40MW，計劃四年建成。如果建成，該條高溫超導(dǎo)線路將成為世界上最長的高溫超導(dǎo)輸電試驗線路。俄羅斯近期也分別啟動了超導(dǎo)輸電電纜研制項目，以期在超導(dǎo)輸電技術(shù)發(fā)展中取得優(yōu)勢。由于直流輸電的優(yōu)勢以及發(fā)展新能源的需求，近年來，超導(dǎo)直流輸電技術(shù)的研究與開發(fā)備受重視。2010年，日本中部大學(xué)完成了一組200m長±10kV/2kA高溫超導(dǎo)直流電纜的研制和實驗。韓國擬計劃在濟(jì)州島智能電網(wǎng)示范項目中，研發(fā)一組500m長、80kV/60MW的超導(dǎo)直流輸電電纜，并利用該電纜作為可再生能源接入電網(wǎng)的通道。2011年5月，德國就開展千公里級高溫超導(dǎo)直流輸電示范工程的建設(shè)，召開了國際可行性專題研討會。同年8月日本召開的第一屆亞洲一一阿拉伯可持續(xù)能源論壇，提出開發(fā)撒哈拉太陽能和風(fēng)能發(fā)電，并采用超導(dǎo)直流輸電技術(shù)將電力輸送到歐洲和日本的宏偉計劃。為此，日本住友電氣己經(jīng)啟動了一項旨在利用超導(dǎo)直流輸電構(gòu)造全球性可再生能源網(wǎng)絡(luò)的前期研究項目。2.3.我國超導(dǎo)輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用我國自“九五”以來，即開展高溫超導(dǎo)電纜的研究。1998年中國科學(xué)院電工研究所與西北有色金屬研究院和北京有色金屬研究總院合作，研制成功Im長、IkA的秘系高溫超導(dǎo)直流輸電電纜模型，隨后乂先后完成6m長、2kA高溫超導(dǎo)直流輸電電纜和10m長、10.5kV/1.5kA三相交流高溫超導(dǎo)輸電電纜的研制與實驗。2004年中國科學(xué)院電工研究所與甘肅長通電纜公司等合作研制成功75m長、10.5kV/1.5kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜，先后安裝在甘肅長通電纜公司和白銀超導(dǎo)變電站中運(yùn)行至今。2004年4月北京云電英納超導(dǎo)電纜公司研制成三相交流、33.5m長、35kV/2kA的高溫超導(dǎo)電纜，并在昆明普吉變電站投入運(yùn)行。2011年中國科學(xué)院電工研究所與河南中孚公司合作，在中孚鋁冶煉廠建成360m長、電流達(dá)10kA的高溫直流超導(dǎo)電纜，如圖2所示，2012年9月投入實際運(yùn)行。這是目前世界上傳輸電流最大的高溫超導(dǎo)輸電工程。圖2世界上最大傳輸電流的超導(dǎo)電纜2013年12月上海電纜所在寶山鋼鐵股份有限公司研發(fā)的長50m、額定容量120M^k的低溫絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)投入實際供電線路使用［習(xí)。這是我國國內(nèi)首條示范運(yùn)行的CD絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)。以上工程的實施，為我國高溫超導(dǎo)電纜設(shè)計、制造和運(yùn)行積累了經(jīng)驗。當(dāng)前，高溫超導(dǎo)電纜的總體發(fā)展趨勢是:以示范工程為突破口，進(jìn)一步發(fā)展實用化高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)，逐步實現(xiàn)在更大容量、更長距離的電力傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，從過去以開發(fā)交流超導(dǎo)電纜為主，到目前開始并重推進(jìn)直流超導(dǎo)電纜的研究開發(fā)與示范。3.超導(dǎo)輸電技術(shù)的優(yōu)點及問題超導(dǎo)輸電技術(shù)無損耗、載流能力強(qiáng)、傳輸功率密度大的特點，使得超導(dǎo)輸電技術(shù)有廣闊的發(fā)展前景。但超導(dǎo)輸電技術(shù)需要依賴?yán)鋮s裝置和良好的絕緣材料，且導(dǎo)電金屬本身一般較為稀有，造價高昂。因此，直到目前為止，大部分超導(dǎo)輸電線路都處于試驗階段，且長度都小于1公里。3.1.超導(dǎo)輸電的優(yōu)勢超導(dǎo)輸電線路容量大。一條±800kV的的超導(dǎo)直流輸電線路的傳輸電流可達(dá)10?50kA,輸送容量可達(dá)1600-8000萬kW,是普通特高壓直流輸電的2~10倍。超導(dǎo)電纜最大的優(yōu)點就是損耗低。由于超導(dǎo)輸電系統(tǒng)兒乎沒有輸電損耗（交流輸電時存在一定的交流損耗），其損耗主要來自循環(huán)冷卻系統(tǒng)（對于交流輸電也是如此）。因此,其輸電總損耗可降到常規(guī)電纜的25%?50%。由于直流輸電時超導(dǎo)電纜有著更為優(yōu)良的性能，所以近年來各國超導(dǎo)輸電技術(shù)的一個研究重點是高溫超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)。由于載流密度高，超導(dǎo)輸電系統(tǒng)的安裝占地空間小，土地開挖和占用減少，征地需求小，使利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施敷設(shè)超導(dǎo)電纜成為可能。且超導(dǎo)輸電導(dǎo)線截面積較普通銅電纜或鋁電纜大大減少，輸電系統(tǒng)的總重量可大大降低。此外，超導(dǎo)輸電技術(shù)能夠大大增加系統(tǒng)的靈活性。由于超導(dǎo)體的載流能力與運(yùn)行溫度有關(guān)，可通過降低運(yùn)行溫度來增加容量，解決了傳統(tǒng)電纜輸送容量不能越限的問題，使得輸電系統(tǒng)運(yùn)行更加靈活。現(xiàn)有的超導(dǎo)輸電系統(tǒng)多以液氮作為冷卻劑，但可以作為冷卻液的物質(zhì)有很多。如果采用液氫或液化天然氣等燃料作為冷卻介質(zhì)，則超導(dǎo)輸電系統(tǒng)就可變成“超導(dǎo)能源管道”，即在輸送電能的同時也運(yùn)送其他能源，從而在未來能源輸送中具有更大的應(yīng)用價值，拓展輸送系統(tǒng)的多用途功效。例如，從新疆向中東部地區(qū)供應(yīng)液化天然氣和可再生能源電力，就可采用這樣的“超導(dǎo)能源管道”。由于上述優(yōu)越性，超導(dǎo)輸電技術(shù)可為未來電網(wǎng)提供一種全新的低損耗、大容量、遠(yuǎn)距離電力傳輸方式。3.2.超導(dǎo)輸電技術(shù)存在的問題在高溫超導(dǎo)輸電示范工程方面，國內(nèi)外己取得了一系列成果，但輸電電纜最長僅610m,最高額定電壓138kV,運(yùn)行時間普遍較短，具有明顯的研發(fā)電纜在電網(wǎng)試運(yùn)行的性質(zhì)，與高溫超導(dǎo)輸電的實際應(yīng)用尚有差距。要實現(xiàn)使高溫超導(dǎo)輸電盡快成熟到能進(jìn)入國家未來電網(wǎng)建設(shè)計劃，進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)與運(yùn)營總目標(biāo)，在技術(shù)上尚需解決如下問題：1）高溫超導(dǎo)電纜采用液氮溫度下工作的超導(dǎo)帶材作為導(dǎo)體層替代常規(guī)輸電的室溫工作的銅鋁導(dǎo)線，其發(fā)展需要解決多方面的相關(guān)技術(shù)，諸如電纜結(jié)構(gòu)和繞制技術(shù)、電纜絕緣技術(shù)、電纜終端與接頭技術(shù)、低溫杜瓦管技術(shù)、液氮制冷與循環(huán)冷卻技術(shù)以及安全運(yùn)行技術(shù)等。為了適應(yīng)未來超導(dǎo)電纜大批量生產(chǎn)的需要，還要做大量工作。此外，超導(dǎo)電纜冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性是決定超導(dǎo)輸電可靠性的最重要因素，研究開發(fā)出最佳的長距離超導(dǎo)電纜的冷卻技術(shù)無疑是一項十分重大的任務(wù)。因此，要發(fā)展高溫超導(dǎo)輸電還必須部署長期持續(xù)的示范工程工作，以求在輸電工程的設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)方面取得突破。2） 目前，Bi-2223/Ag高溫超導(dǎo)導(dǎo)線己實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，它在低場下的性能與價格較YBCO帶材有一定優(yōu)勢，但由于其電磁性質(zhì)具有顯著各向異性，同時其電流密度將隨磁場增大而急劇下降，從而限制它的應(yīng)用范圍。YBCO超導(dǎo)體具有更為優(yōu)異的磁場下性能，電磁性質(zhì)各向異性也較Bi2333/Ag小一數(shù)量級。由于不需要銀作為基體材料，近年來一直是超導(dǎo)材料領(lǐng)域的研究熱點回。超導(dǎo)帶材要獲得實際應(yīng)用還必須針對千米級的長帶開展工作，解決關(guān)鍵制備技術(shù)，并進(jìn)一步提高其性價比。發(fā)展高溫超導(dǎo)輸電至關(guān)重要的是超導(dǎo)材料要在技術(shù)性能和價格方面都有新的、重大突破并形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)。3） 要真正實現(xiàn)高溫超導(dǎo)輸電的規(guī)?；瘜嶋H應(yīng)用，必須發(fā)展長距離、合理高效、安全可靠的大型液氮溫區(qū)的低溫制冷冷卻系統(tǒng)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。整個低溫制冷冷卻系統(tǒng)的發(fā)展與成熟還需大力發(fā)展一系列關(guān)鍵低溫技術(shù)，主要包括：高效、長壽命和高可靠性的大型制冷機(jī)的研發(fā)、長距離超導(dǎo)電纜冷卻流程的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)和低溫輸配技術(shù)、低漏熱低溫杜瓦管的優(yōu)化設(shè)計以及低溫系統(tǒng)監(jiān)控與保護(hù)技術(shù)等。4）高溫超導(dǎo)輸電線路是由超導(dǎo)電纜和一、二次電氣設(shè)備構(gòu)成，由于超導(dǎo)輸電電纜可比常規(guī)輸電電流大，因此研發(fā)高載流、容量/功率匹配、性能符合要求的換流等一次設(shè)備和監(jiān)控、繼保等二次設(shè)備并實現(xiàn)線路/系統(tǒng)的科學(xué)規(guī)劃、建設(shè)、管理和運(yùn)營也是發(fā)展高溫超導(dǎo)輸電的重要任務(wù)。4.總結(jié)超導(dǎo)輸電技術(shù)有大容量高密度傳輸