超导技术的发展及其在电力系统中的应用

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1、超导技术的发展及其在电力系统中的应用超导技术的发展及其在电力系统中的应用引言　　人类进入21世纪以后，超导技术应用将成为电力科技领域最具发展潜力的技术之一。目前超导技术在电力系统中的应用已取得长足的进步，正迅速地由实验阶段转入实际的工程应用，将把电力科技的发展带入一个崭新的阶段。　　早在1911年，荷兰物理学家Onnes首先发现在温度接近绝对零度即液态氦温度时(4K＝－269．2℃)，金属汞的电阻完全消失这一超导现象。以后人们一直在寻找具有更高温度的超导材料，可是直到1973年才发现了临界温度在23．2K的铌锗合金（Nb3Ge）超导材料，临界温度从4K上升到23．2K整

2、整花了62年时间。由于要获得液态氦非常困难，超导技术在电力系统中的应用始终处于实验阶段。　　1988年超导材料的研究取得了重大突破，科学家Mueller和Bednorz发现一些多元素合金化合物在温度达到130K（－143℃）时就呈现出超导特性，而要达到这一温度使用液态氮就能实现。二位科学家因此而获得了诺贝尔奖。因为液态氮的价格仅是液态氦的1／50左右，维持超导状态所需的冷却系统造价大大下降，为超导技术在电力系统中的应用创造了有利的条件。现在美国、日本以及欧洲一些主要工业国家都以极大的热情，投入了大量资金，积极开展超导技术在电力系统中的应用研究工作，并且已在超导电力设备的

3、实用化方面取得了相当大的成果。2　超导技术在电力系统中的应用2.1超导电缆　　电力电缆是超导技术在电力系统中很有发展潜力的应用之一。相同截面的超导电缆载流量大约是普通铜芯电缆的3～5倍，电能损耗极小，而重量要轻得多。因此和普通电缆相比，超导电缆输送容量大、损耗小，电网的电压等级可以大大下降。人口稠密的大城市在供电电压不变的情况下，要在有限的空间内扩大电力输送容量以满足迅速增长的电力需要，在原有地下管道内用超导电缆替代常规的铜芯电缆是解决方案之一。3条单相长130m、24kV，输送电流达2．4kA的超导电缆，现正在美国底特律市的Frisbie变电站敷设，这将是世界上第一条

4、正式投入商业运行的超导电缆〔1〕。它的基本截面构造如图1所示。这条超导电缆由世界最大的电缆制造商之一Pirelli电缆公司和美国超导公司ASC合作研制，其中关键的超导体是由银合金的陶瓷化合物BSCCO(铋-锶-钙-铜-氧化物)构成，这种带状超纯化合物在超导状态下的电流密度极高，尺寸仅4mm宽、0.2mm厚。超导薄带绕在一柔性空心芯管上，外层覆盖有保温材料，最外层则是常温下的绝缘介质和保护外套。电缆中心是流动的液态氮制冷剂，要将超导体冷却至大约－200℃左右，电缆在运行中需要配备制冷维护系统。预计这条电缆将于2001年初正式投运，若结构设计采用低温绝缘介质，则输送容量

5、将会进一步提高。此外，美国South超导电动机已通过试验，更大容量的745～3730kVA磁屏蔽型三相超导限流器1997年就已投入实际运行，它可在几ms时间内将60kA的短路电流限制到约700A。美国LockheedMartin公司研制的15kV/20kA超导限流器已于1999年在美国加州Edison变电站投入试验运行。2.5超导储能器(SMES)超导储能是通过流过超导线圈的直流电建立磁场，将电能以LI2/2的电磁能形式储存于磁场中。释放能量时又将电磁能转换成交流电能，其能量的释放速度非常快，通常仅需几ms。因为超导的直流电阻几乎为零，所以这种能量的储存不会有损耗

6、，它的转换效率高达95%，而抽水储能的转换效率仅为70%左右。因此，超导储能与抽水蓄能、蓄电池储能、飞轮储能等其他储能形式相比具有转换效率高、速度快，不受建造场地限制等优点。在大电网经济运行储能不足的情况下，具有很大的潜在市场。由于超导储能器可向电网提供较大的瞬时功率，这对稳定系统电压、增加系统阻尼、提高系统的动态和静态稳定性也大有好处〔5〕。在美国就已有一个用30MJ的超导储能器来消除大功率远距离输电网中低频振荡的实例〔6〕。典型的超导储能器一次系统简图如图5所示。在正常工作情况下，系统电流经大功率电子变换器转换成直流注入超导线圈，以电磁能形式储存起来，当电网出现波动

7、时检测控制系统立即发出释放能量的信号，此时储存的能量在极短的时间内经变换器转化成交流电输出，以满足系统的要求。目前，美国Wisconsin电力公司已在有特殊电压稳定要求的配电网中投运了6个针对用户的小型超导储能器，美国超导公司首次向奥地利一家铝厂出口的超导储能器也于2000年4月开始安装，以解决当地的电压波动问题。3结束语综上所述，在电力系统中采用超导技术可增加电网的输送容量、降低损耗、提高系统运行的稳定性和可靠性、改善电能质量、有利于保护环境，具有非常广阔的应用前景。现在超导电缆、超导限流器、超导储能器和超导变压器已发展到工程实用阶段