超导技术在强电领域的应用及市场分析

超导技术在强电领域的应用及市场分析
作者：王醒东
来源：《新材料产业》 2012年第3期
文/王醒东富通集团有限公司
自1911年发现超导现象后，至今已整整100年。

在这百年里，无数科技工作者一直为寻求高临界转变温度的超导材料和推进超导技术实用化而奋斗。

如今，低温超导材料（以液氦为制
冷剂）铌钛合金（N b T i）和铌三锡（N b3S n）已用于低温高场磁体，一代铋（B i）系高温超导（以液氮为制冷剂）带材已实现商业化（主要指B i2S r2C a2C u3O10，简称B i2223），二代Y系（指Y B a2C u3O7，简称Y B C O）高温超导材料也在实用化的途中。

虽然超导技术
神秘的面纱还没有被完全揭开，但不可否认，超导技术是具有战略意义的高新技术，具有重要
的应用价值和巨大的开发前景。

按照应用领域，超导技术可分为强电应用（超导磁体、超导电缆、超导限流器和超导变压
器等）和弱电应用（超导滤波器和超导量子干涉仪等）。

随着能源的不断紧张，各国已把超导
在强电领域的应用作为重点发展方向，并有望在5 ～10年后形成一定的产业规模。

本文旨在介绍超导技术在强电领域的应用，重点介绍超导磁体、超导电缆、超导限流器、
超导储能和超导变压器的特点和研发情况，阐述我国发展超导技术的必要性，并对市场进行展望。

一、高温超导强电应用
1.超导磁体
超导磁体以超导材料作为励磁线圈，利用了其在超导态下的完全抗磁性（迈斯纳效应），
耗能较少，且体积小、稳定性高，可以产生10T以上的高稳态磁场（NbTi和Nb3Sn可分别产生10T和20T的稳态磁场）。

而常规磁体要产生如此大的磁场，成本很大，需要消耗大量的冷却
水和电能。

目前，超导磁体已应用于高能物理和核磁共振仪等仪器设备上。

此外，绝大多数的超导产
品都需要超导磁体，如超导变压器、超导限流器和超导电机等，所以超导磁体是目前超导强电
领域市场份额最大的产品，达到29%，见图1。

当前超导磁体的最大市场还是医学领域使用的磁共振成像（M R I），超导M R I用于病人检测时，分辨率高、成像清晰、磁场和时间稳定性好。

我国的发达地区和大医院，一般采用超导M R I ；而欠发达地区医院一般采用的是永磁M R I。

超导磁体是超导M R I的核心部件，目前主要依赖于进口，价格昂贵，造成病人检测费用高，
一旦超导M R I国产化，在同样的性能条件下，设备售价将有望降低20%～40%。

超导磁体最为直观的应用是超导磁悬浮列车，这种列车环保、快速、舒适，作为短距离的交通工具，发展前景极为广阔。

超导磁体的发展和应用，必会带动我国超导材料的发展和产业化，推动我国超导技术的研究和开发进程。

2.超导电缆
传统电缆以金属铜或铝作为导电介质。

据统计，在电能输送过程中，约有7%的电能白白浪费了，每年损失达千亿千瓦时。

2010年全国发电量为41 413亿kWh，全社会用电量41 923亿kWh，用电量大于发电量，部分地区用电偏紧。

此外，我国用电负荷分布不均，多集中在华中、华东和沿海地区。

若以传统电缆作为输电载体，实施“西电东输”战略，巨大的电能浪费仍将无法避免。

如采用超导技术输电，则具有以下优势（特点）：①功率输送密度高，可以实现低压大电流输电；②质量小、体积小、损耗低，减小了占地空间，缩短了电器距离；③采用液氮作为冷却剂可环保。

由于超导电缆的独特优势，美国、日本、韩国和中国等均在大力发展超导输电技术，并制定了相应的发展战略。

表1列出了已经运行和正在实施超导项目的相关信息。

3.超导电机
超导电机（发电机和电动机）的结构与常规电机相似，只是将常规电机中的绕组用超导材料代替。

与常规电机相比，超导电机质量轻、体积小、噪声低、效率高。

自1995年以来，美国能源部就致力于军用超导电机的研发，而欧洲和日本也早就开始了用于船舶推进器的超导电机和超导发电机的研发，日本已经先后研制了30M V A和50M V A的超导发电机。

早在1983年，我国在武汉“712”研究所等单位联合研制了第一台低温单极超导电机，现在，“712”研究所又积极与北京英纳超导技术有限公司展开合作，准备研制300k W级高温超导样机，据预测，到2016年左右，超导电机有望引来黄金发展期，如图2所示。

基于超导电机在军事上的应用及其他性能优势，目前各国都在抓紧超导电机的开发，已在进行中的超导电机项目见表2。

4.超导限流器
随着经济的持续发展，电网的需求和规模也不断扩大。

目前我国的发电量和装机容量已位居世界第2位，形成了以三峡电网为中心的全国性电力系统，实现了电能的合理利用，提高了电网的运行效率。

但同时也带来了一些问题，如电网系统遇到较大扰动时（短路时），较大的短路电流将严重损害电气设备，更有可能导致电网系统的崩溃。

现行电网系统采用六氟化硫（SF6）断路器直接断开线路故障，受到现有技术的限制，要进一步提高其限流能力非常困难，且其属于被动式限流，不适应现代化电网发展的需要。

如采用超导材料制成限流器，在电路发生短路时，限流器发生失超，产生大电阻，就能够将短路电流限制到电网可接受水平，保证电路系统的稳定性，避免短路电流带来的危害；当短路电流排除后，超导限流器可自行恢复至超导态，为下一次电路故障做好准备。

采用超导限流器替代传统S F6断路器可大大提高电网的稳定性、改善电路可靠性、保护电器设备和降低电网的建设和改造成本。

超导限流器集检测、触发和限流于一体，正因为超导限流器有如此多的优点，所以市场对超导限流器的需求显得非常迫切。

2005年8月，我国10.5kV/1.5kA超导限流器在湖南娄底实现并网运行，现场运行7000h 后，于2006年12月退出电网运行，取得了良好的示范效果。

我国天津电力公司的220kV超导限流器也即将挂网运行。

超导限流器主要类型有电阻型、磁屏蔽型、桥路型、饱和铁心型、感应型、混合型和三相电抗器等，目前研究较多的是饱和铁芯型超导限流器。

超导限流器发展过程示意图可见图3。

5.超导储能装置
将超导线圈置于磁场中，使此线圈处于超导态，撤去磁场后，根据电磁感应原理，线圈中将产生感应电流，只要使此线圈处于超导态，电流便会长期持续下去，这便是超导储能装置的基本原理。

超导储能装图3 超导限流器发展过程示意图置是将电能以电磁能的形式储存起来，释放时又可将电磁能转化为电能传回电网或作他用，反应速度非常快，仅需几毫秒，同时能量转换效率也很高（达到95%）。

超导储能器可短时间内释放巨大能量，可用于激光器。

目前，
超导储能器主要是应用于电网，在电网小负荷运行时，储存多余的电能，在用电高峰时，又释
放电能补偿电网，避免了电能的供需矛盾，大大提高了电网的稳定性。

超导储能装置样机研发
情况见表3。

6.超导变压器
现今的变压器主要采用铜作为绕组，质量和体积较大，此外变压器中还有用来起绝缘和散
热作用的油，污染环境且易燃。

若将绕组替换为超导材料，不仅可以降低变压器质量、体积，
还可以提高效率。

超导变压器以液氮作为制冷剂，对环境无污染。

日本和德国正开发火车牵引
用超导变压器，中国科学院电工研究所也研制出世界首台三相高温超导变压器样机，此举标志
我国已进入超导变压器研发的先进行列。

超导变压器研发情况概括如表4。

二、我国发展超导技术的意义和市场
超导技术是能够推动国民经济发展和社会进步的科学，技术含量和附加值很高。

超导磁体
可广泛应用于各种设备上，超导电缆、变压器、储能装置和限流器的发展，有助于提高我国电
力系统的输送容量和改善电能的稳定性，尤其是在能源紧张、人们对电能质量要求越来越高的
现代社会，发展超导技术显得尤为重要。

随着电力体制的改革和资源配置优化的需要，国家鼓励并推进了跨省级、跨区域电网互联，预计到2020年左右，我国将实现全国电网互联。

此外，2009年国家电网提出了“建设智能电网”战略，“十二五”规划中，科技部也对加快“智能电网”给予了全面的扶持，国家的一系
列政策给超导技术（尤其是超导强电应用领域）带来了发展契机。

推动超导强电技术的研究与
开发，实现超导技术的产业化应用，不仅是现实需要，也是我国电力发展的长远战略。

三、结语
超导的发展虽历经百年，但其技术及相关产品仍处于示范运行或样机阶段，全面产业化还
有待时日（图4列出了几种超导产品发展预期）。

总体上看，我国的超导技术水平与国际发展
水平仍有差距，但我国的科研院所与企业已经意识到超导技术的巨大价值。

我们相信未来不久，在国家、科研院所和企业的共同的努力下，超导技术必会全面实用化。

10.3969/j.issn.1008-892X.2012.03.007。