超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用楊勇（浙江省電力試驗(yàn)研究所，浙江省杭州市310014）1引言人類進(jìn)入21世紀(jì)以后，超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用將成為電力科技領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。目前超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步， 正迅速地由實(shí)驗(yàn)階段轉(zhuǎn)入實(shí)際的工程應(yīng)用，將把電力科技的發(fā)展帶入一個(gè)嶄新的階段。早在1911年，荷蘭物理學(xué)家Onnes首先發(fā)現(xiàn)在溫度接近絕對(duì)零度即液態(tài)氦溫度時(shí)（4K= 269. 2T）,金屬汞的電阻完全消失這一超導(dǎo)現(xiàn)象。 以后人們一直在尋找具有更高溫度的超導(dǎo)材料，可是直到1973年才發(fā)現(xiàn)了臨界溫度在23. 2 K的鈮錯(cuò)合金（Nb3Ge）超導(dǎo)材料，臨界溫度從4 K 上升到23. 2

2、 K整整花了 62年時(shí)間。由于要獲得液態(tài)氦非常困難，超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用始終處于實(shí)驗(yàn)階段。1988年超導(dǎo)材料的研究取得了重大突破，科學(xué)家Mueller和Bednorz發(fā)現(xiàn)一些多元素合金化合物在溫度達(dá)到130 K （ 143T）時(shí)就呈現(xiàn)出 超導(dǎo)特性，而要達(dá)到這一溫度使用液態(tài)氮就能實(shí)現(xiàn)。二位科學(xué)家因此而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。因?yàn)橐簯B(tài)氮的價(jià)格僅是液態(tài)氦的1/50左右，維持超導(dǎo)狀 態(tài)所需的冷卻系統(tǒng)造價(jià)大大下降，為超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件?，F(xiàn)在美國(guó)、日本以及歐洲一些主要工業(yè)國(guó)家都以極大的熱情， 投入了大量資金，積極開(kāi)展超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究工作，并且已在超導(dǎo)電力設(shè)備的實(shí)用化方面

3、取得了相當(dāng)大的成果。2超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1超導(dǎo)電纜電力電纜是超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中很有發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用之一。相同截面的超導(dǎo)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(dǎo)電纜輸送容量大、損耗小，電網(wǎng)的電壓等級(jí)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(nèi)擴(kuò)大電力輸送容量以滿足迅速增長(zhǎng)的電力需要，在原有地下管道內(nèi)用超導(dǎo)電纜替代常規(guī)的銅芯電纜是解決方案之一。3條單相長(zhǎng) 130 m、24 kV，輸送電流達(dá)2. 4 kA的超導(dǎo)電纜，現(xiàn)正在美國(guó)底特律市的Frisbie變電站敷設(shè)，這將是世界上第一條正式投入商業(yè)運(yùn)行的超導(dǎo)電 纜

4、山。它的基本截面構(gòu)造如圖1所示?？谶@條超導(dǎo)電纜由世界最大的電纜制造商之一 Pirelli電纜公司和美國(guó)超導(dǎo)公司ASC合作研制，其中關(guān)鍵的超導(dǎo)體是由銀合金的陶瓷化合物 BSCCO（秘-鍶-鈣-銅-氧化物）構(gòu)成，這種帶狀超純化合物在超導(dǎo)狀態(tài)下的電流密度極高，尺寸僅4mm寬、0.2 mm厚。超導(dǎo)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(zhì)和保護(hù)外套。電纜中心是流動(dòng)的液態(tài)氮制冷劑，要將超導(dǎo)體冷卻至大約一200弋左右， 電纜在運(yùn)行中需要配備制冷維護(hù)系統(tǒng)。預(yù)計(jì)這條電纜將于2001年初正式投運(yùn)，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用低溫絕緣介質(zhì)，則輸送容量將會(huì)進(jìn)一步提高。此外， 美國(guó)Southwire

5、公司的12.5 kV/1.25 kA超導(dǎo)電纜即將在美國(guó)喬治亞州安裝，日本東京電力公司的66 kV/2 kA超導(dǎo)電纜也已通過(guò)試 驗(yàn)。2.2超導(dǎo)變壓器如果用超導(dǎo)材料替代銅來(lái)作變壓器繞組，變壓器的重量就會(huì)大大減輕，噪聲大大減小，而且因不用變壓器油而無(wú)火災(zāi)之憂，即使發(fā)生泄漏，液態(tài) 氮蒸發(fā)到空氣中對(duì)環(huán)境也無(wú)害，并且變壓器工作在低溫下其使用壽命要長(zhǎng)得多，更重要的是進(jìn)一步減少了損耗，過(guò)載能力強(qiáng)且對(duì)系統(tǒng)過(guò)流有限制作 用。美國(guó)Waukesha公司在1997年就研制了 1 MVA的超導(dǎo)變壓器2，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。繞制線圈的超導(dǎo)材料采用極細(xì)的復(fù)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，有的 超導(dǎo)變壓器將繞組和鐵芯全部置于液氮容器內(nèi)。還有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在繞組導(dǎo)線中流動(dòng)制冷劑。該公司已計(jì)劃于2001年中期在美國(guó)威斯康新州投運(yùn) 一臺(tái)正常容量5 MVA、過(guò)載容量10 MVA/26.4 kV的超導(dǎo)變壓器。ABB公司的一臺(tái)三相18.7 kV/630 kVA的超導(dǎo)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(nèi)瓦配電網(wǎng)中成功運(yùn)行2年多時(shí)間?？?.3超導(dǎo)電機(jī)口超導(dǎo)發(fā)電機(jī)具有更高的發(fā)電效率，更小的重量和幾何尺寸。1977年美國(guó)電力研究院（EPRI）就開(kāi)始1200MVA超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的概念設(shè)計(jì)，1994 年美國(guó)GE公司在美國(guó)能源部的資助下，開(kāi)

7、始100 MVA超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的研制3。由于發(fā)電機(jī)采用超導(dǎo)轉(zhuǎn)子其產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度大大高于同容量普通發(fā) 電機(jī)。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(jī)的端電壓，甚至可取消升壓變直接將發(fā) 電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行，而損耗要比普通發(fā)電機(jī)下降50%以上。普通發(fā)電機(jī)與概念設(shè)計(jì)的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)尺寸及性能比較見(jiàn)圖3和表1.超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的另一個(gè)突出特點(diǎn)是有利于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)的電抗越小，系統(tǒng)就越穩(wěn)定。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的電抗大約只有普通發(fā) 電機(jī)的1/4左右，因此在系統(tǒng)電抗相對(duì)較小時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定極限增加了約4倍?？诹硗鈱?duì)超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)的實(shí)用化研究也取得很大進(jìn)展，美國(guó)Relian

8、ce公司的150 kW、1 800 rpm超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)已通過(guò)試驗(yàn)，更大容量的7453 730 kW超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)正在研制中?？?.4超導(dǎo)限流器（SFCL） 口在電力系統(tǒng)中使用的限流器應(yīng)具有這樣的功能：在正常運(yùn)行時(shí)幾乎沒(méi)有損耗，而一旦系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)又能瞬間限制短路電流，當(dāng)故障電流消失后 又立即恢復(fù)正常狀態(tài)。超導(dǎo)限流器就具有這樣的功能。在正常情況下超導(dǎo)限流器處于超導(dǎo)狀態(tài)，損耗極?。欢谙到y(tǒng)發(fā)生故障時(shí)又能立即轉(zhuǎn)為非超 導(dǎo)狀態(tài)，這種導(dǎo)電狀態(tài)的躍變可在小于1 ms內(nèi)完成，進(jìn)而限制短路電流維持系統(tǒng)穩(wěn)定。電力系統(tǒng)采用超導(dǎo)限流器后系統(tǒng)設(shè)備的短路容量值可大為 減少，從而增大電網(wǎng)的輸送容量與規(guī)模，減少設(shè)備投資?？谀壳耙?/p>

9、有基于各種工作原理的超導(dǎo)限流器問(wèn)世4，圖4是一種磁屏蔽式超導(dǎo)限流器的基本結(jié)構(gòu)。這種限流器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)次級(jí)繞組短路的變壓 器，系統(tǒng)電流通過(guò)初級(jí)繞組，次級(jí)繞組是一個(gè)超導(dǎo)環(huán)，它所產(chǎn)生的磁通幾乎完全抵消了初級(jí)繞組產(chǎn)生的磁通，因此正常工作情況下的阻抗極?。幌?統(tǒng)故障時(shí)的短路電流將使次級(jí)繞組的電流密度超過(guò)臨界值而不再超導(dǎo)，不能再抵消初級(jí)繞組產(chǎn)生的磁通，初級(jí)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(fù)正常。超導(dǎo)限流器是目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用較成功的超導(dǎo)電力設(shè)備，ABB公司的1.2 MVA磁屏蔽型三相超導(dǎo)限流器1997年就已投入實(shí)際運(yùn)行，它可在幾ms時(shí)間內(nèi)將60 kA的短路電流限制到約700 A。美國(guó)L

10、ockheed Martin公司研制的15 kV/20 kA超導(dǎo)限流器已于1999年在美國(guó)加州 Edison變電站投入試驗(yàn)運(yùn)行?？?.5超導(dǎo)儲(chǔ)能器（SMES）口口超導(dǎo)儲(chǔ)能是通過(guò)流過(guò)超導(dǎo)線圈的直流電建立磁場(chǎng)，將電能以LI2/2的電磁能形式儲(chǔ)存于磁場(chǎng)中。釋放能量時(shí)又將電磁能轉(zhuǎn)換成交流電能，其能量 的釋放速度非?？?，通常僅需幾ms。因?yàn)槌瑢?dǎo)的直流電阻幾乎為零，所以這種能量的儲(chǔ)存不會(huì)有損耗，它的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%，而抽水儲(chǔ)能的轉(zhuǎn) 換效率僅為70%左右。因此，超導(dǎo)儲(chǔ)能與抽水蓄能、蓄電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等其他儲(chǔ)能形式相比具有轉(zhuǎn)換效率高、速度快，不受建造場(chǎng)地限制等 優(yōu)點(diǎn)。在大電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行儲(chǔ)能不足的情況下，具有

11、很大的潛在市場(chǎng)。由于超導(dǎo)儲(chǔ)能器可向電網(wǎng)提供較大的瞬時(shí)功率，這對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、增加系統(tǒng)阻尼、提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性也大有好處盧。在美國(guó)就已有 一個(gè)用30 MJ的超導(dǎo)儲(chǔ)能器來(lái)消除大功率遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)中低頻振蕩的實(shí)例6。典型的超導(dǎo)儲(chǔ)能器一次系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。在正常工作情況下，系統(tǒng)電流經(jīng)大功率電子變換器轉(zhuǎn)換成直流注入超導(dǎo)線圈，以電磁能形式儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)檢測(cè)控制系統(tǒng)立即發(fā)出 釋放能量的信號(hào)，此時(shí)儲(chǔ)存的能量在極短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)變換器轉(zhuǎn)化成交流電輸出，以滿足系統(tǒng)的要求。目前，美國(guó)Wisconsin電力公司已在有特殊電壓穩(wěn)定要求的配電網(wǎng)中投運(yùn)了 6個(gè)針對(duì)用戶的小型超導(dǎo)儲(chǔ)能器，美國(guó)超導(dǎo)公司首次向奧地

12、利一家 鋁廠出口的超導(dǎo)儲(chǔ)能器也于2000年4月開(kāi)始安裝，以解決當(dāng)?shù)氐碾妷翰▌?dòng)問(wèn)題。3結(jié)束語(yǔ)綜上所述，在電力系統(tǒng)中采用超導(dǎo)技術(shù)可增加電網(wǎng)的輸送容量、降低損耗、提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性、改善電能質(zhì)量、有利于保護(hù)環(huán)境， 具有非常廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲(chǔ)能器和超導(dǎo)變壓器已發(fā)展到工程實(shí)用階段，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)的研制也取得 了重大進(jìn)展，超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)離我們已并不遙遠(yuǎn)。我國(guó)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(shè)，一個(gè)全國(guó)統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)的格局即將出現(xiàn)。因此建議加強(qiáng)對(duì)超導(dǎo)限流 器、超導(dǎo)儲(chǔ)能器等可改善電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)、有利于系統(tǒng)穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)相對(duì)

13、簡(jiǎn)單的超導(dǎo)電力設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)工作，爭(zhēng)取在超導(dǎo)材料的研究開(kāi)發(fā)、超導(dǎo)設(shè)備 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低成本、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面取得突破。這需要超導(dǎo)研究、電工制造和電力等部門的共同努力來(lái)早日實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)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，