什么是超导电力技术

什么是超导电力技术

编者按：超导电力技术是利用超导体的特殊物理性质与电力工程相结合而发展起来的一门新技术。本文简要介绍了超导电力装置的特点及国际发展动态，概述了中科院电工所超导电力研究的发展情况

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，利用超导体的这些特殊性质可以获得强磁场、储存电能、制作超导电力装置、实现磁悬浮以及测量微弱磁场信号等。

超导电力技术主要研究、开发各种超导电力装置、研究含超导装置的电力系统的各种特性，包括电力系统和超导电力装置的相互作用和影响、系统规划、设计、运行、控制、保护等。许多电力装备都可以采用超导体来提高其性能，如输电电缆、电机、变压器和储能装置等，同时还可采用超导体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。超导电力装置具有体积小、重量轻、容量大等特点，在电力系统中应用超导技术可提高电机单机容量、提高电网的输送容量、降低电网的损耗、实现电能储存、限制短路电流，因而可以改善电能的质量、提高电力系统运行的稳定性和可靠性，从而为电网向高效安全和超大规模方向发展提供了新的技术途径。

超导电力技术多年来一直受到了世界各国的重视，特别是1986年发现高超导材料以后，由于高超导体可以在比低超导体所需的液氦区（4.2K）高得多的液氮区（77K）下运行，高超导电力装置的研究更是备受重视。同时，由于美国和欧洲近年来相继发生了多次大的停电事故，因而促使西方和工业界进一步加快超导电力技术的研究步伐。1999年，美国开始了S PI（Superconductivity Partnership Initiative）研究计划，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，提出了采用超导电力技术建设骨干电网等建议，美国还在其海军舰船先进电力系统计划中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。在欧洲，法国、德国、俄罗斯、以色列及印度等都相继开展了超导电力技术研究工作，韩国也于2001年制定了高超导技术的十年发展规划。中科院电工所在国家“863”计划和国家自然科学基金的支持下，于上世纪90年代初就逐步开展超导电力装置及其应用的研究。目前，包括我国在内的世界各国，在高超导输电电缆、高超导故障电流限制器、高超导电机、高超导变压器以及超导磁储能系统等研究方面，已取得实质性进展。

一、超导电力装置的特点及国际发展动态

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

1.高超导电缆

高超导电缆采用无阻和高电流密度的高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。

自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、12.5 kV/1.25kA三相高超导电缆，并安装在公司总部供电运行。2001年，日本东电力公司与住友电工合作，研制出100m、1k A/66kV三相高超导交流电缆，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。2004年日本Furukawa电气公司和电力工业中心研究所（CRIEPI）等研制了500m长、77kV/1kA单相高超导电缆，并进行了高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（1 38kV/2.4kA）三相高超导交流电缆，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合作，研制出100m长、22.9kV/1.2kA三相高超导交流电缆。墨西哥也计划在墨西哥市建造33m、15kV/1.8kA的高超导电缆，为用户提供更安全更可靠的电能。

2.超导故障限流器

超导故障限流器主要是利用超导体的超导态——正常态转变的物理特性，实现对故障短路电流的限制。超导故障限流器可融检测、触发和限流于一体，且反应速度快、正常运行时损耗很低、能自动复位，是十分理想的限流装置。1989年以来，美国、德国、法国、瑞士和日本等国家都相继开展了高超导限流器研究。美国通用原子能公司等已研制成功一台1 5kV/1.2kA超导故障限流器，它可将最大短路电流从20kA限制到4kA，即将短路电流限制到20％。瑞士ABB研究中心一直从事屏蔽型超导故障限流器的研究， 1996年成功地研制出一台用Bi2212材料制成10.5kV/70A屏蔽型三相高超导限流器，该限流器能在第一个半周波内将短路电流从60kA限制到700A，1997年它已安装在Lontsch变电站进行试运行。

2002年，瑞士ABB研究中心又用Bi2212材料研制出0.8kA（rms）/8kV电阻型高超导限流器，它可以将短路电流从20kA（rms）限制到2.7kA（rms），该限流器已在瑞士Baden 的电力实验室试验成功。1999年，德国西门子公司与加拿大Hydro-Quebec电力公司合作完成了利用YBCO薄膜研制0.77kV/135A电阻型限流器。他们在此基础上将进一步研制1.0MVA 电阻型限流器。德国卡尔斯鲁厄研究中心技术物理研究所和Nexans公司等合作，用Bi2212材料研制了10kV/10MVA电阻型三相高超导限流器。

3.超导变压器研究

在超导变压器研究方面，ABB研究中心于1997年4月研制出一台630kVA、18.7kV/420 V三相高超导变压器，并安装在日内瓦电力公司下属电厂进行测试和试验运行。与此同时，日本九州大学与富士公司等合作研制出一台单相500kVA、6.6kV/3.3kV的高超导变压器，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800kVA，效率可达99.3％。1998年初，美国电力公司、IGC公司、橡树国家实验室和Rochester燃气电力公司等合作研制完成1MVA单相高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30MVA、138kV/13.8kV、60Hz的三相高超导变压器样机，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Sieme ns公司也研制、试验成功用于铁路机车的1MVA高超导变压器样机。

4.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。