吳稀西，李占林，肖曼，吳亞彬

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

1 引言

1911年荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯Heike Kamerlingh Onnes發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，即將汞冷卻到－268.98℃時(shí)，汞的電阻會突然消失。隨后的研究中他發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與汞相類似的低溫下失去電阻的特性。經(jīng)過100年的發(fā)展，超導(dǎo)電力技術(shù)已經(jīng)有了深入的發(fā)展，被廣泛的研究應(yīng)用于電力行業(yè)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

目前研究超導(dǎo)電力技術(shù)走在前列的有美國、俄羅斯、日本、韓國等。美國Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室和Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室先后于1985年研制出同軸Nb3Sn交流電纜和直流Nb3Sn電纜，額定電壓分別為135kV和100kV，額定容量分別為1000和5000MVA；在此之前的1982年，Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室還研制出超導(dǎo)儲能系統(tǒng)（SMES），其儲能量達(dá)30MJ，并示范的應(yīng)用于電力系統(tǒng)，結(jié)果表明了該超導(dǎo)儲能系統(tǒng)可以調(diào)制低頻干擾信號，消除電網(wǎng)的低頻振蕩；2006年，美國超導(dǎo)公司（AMSC）研制出高溫超導(dǎo)電纜并投入實(shí)際運(yùn)行，其額定電壓達(dá)138kV，該公司還研制出額定功率達(dá)36.5MW的高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)和額定容量為10MVA的超導(dǎo)同步調(diào)相機(jī)；日本東芝于1994年研制出超導(dǎo)限流器（FCL）；日本通產(chǎn)省于1998年利用NbTi超導(dǎo)線研制出超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，其額定功率達(dá) 70MW［1，2］。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)方面，在超導(dǎo)電力技術(shù)方面開展研究的單位有中國科學(xué)院電工研究所、清華大學(xué)、華中科大、中國電科院及北京云電英納超導(dǎo)電纜公司等。其中，中科院電工所于1998年研制出我國第一根高溫超導(dǎo)電纜，1999年我國第一臺微型超導(dǎo)儲能樣機(jī)問世；2002年，新型高溫超導(dǎo)限流器被成功研制出；2003年研制出交流高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)；2003年，研制出我國第一臺高溫超導(dǎo)變壓器；并先后研制出高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)限流器、高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)變壓器［3，4］。

3 超導(dǎo)電力技術(shù)的研究應(yīng)用及優(yōu)勢

超導(dǎo)電力技術(shù)的根本原理是利用超導(dǎo)體在特殊情況下可以達(dá)到零電阻這一特性，研制各種超導(dǎo)設(shè)備。目前，超導(dǎo)電力技術(shù)主要的研究應(yīng)用有以下幾個(gè)方面［4］:

（1）高溫超導(dǎo)限流器。超導(dǎo)限流器具有檢測、觸發(fā)和限流的功能其，阻抗可以在零和很大值之間轉(zhuǎn)換，反應(yīng)和恢復(fù)的速度都較快。研制應(yīng)用超導(dǎo)限流器可以達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備、改善供電可靠性的目的，并且可以增加輸電容量，以及提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

（2）高溫超導(dǎo)輸電。利用高溫超導(dǎo)電纜可以大大提高輸電密度，降低輸電損失，減少城市輸電用地，適應(yīng)現(xiàn)代城市用電的發(fā)展。

（3）超導(dǎo)儲能系統(tǒng)。風(fēng)能、潮汐能、太陽能等可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，這就要求可再生能源必須與電能儲存系統(tǒng)同時(shí)應(yīng)用才可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并網(wǎng)。而超導(dǎo)儲能系統(tǒng)自身特有的響應(yīng)速度快、功率高、輸出功率可靈活控制等優(yōu)點(diǎn)決定了它可以實(shí)現(xiàn)高效調(diào)度和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)功率平衡，在提高電網(wǎng)供電質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用。

（4）超導(dǎo)電機(jī)。包括超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)。超導(dǎo)電機(jī)，不管是變壓器、發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，都具有極限單機(jī)容量高的特點(diǎn)，并且損耗小、體積小、重量輕，這使它們在土地資源日益緊張、環(huán)境壓力劇增的今天具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

隨著電力系統(tǒng)朝著大容量、大規(guī)模、長距離、高電壓方面發(fā)展，系統(tǒng)出現(xiàn)了很多問題，而超導(dǎo)電力技術(shù)的優(yōu)勢就逐漸凸顯出來，如［4，5］:

（1）短路電流的增大可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的崩潰，而實(shí)際中的限流設(shè)備效果不佳，并且快速熔絲缺少自動(dòng)復(fù)位功能，雖然SF6斷路器可以用來切開故障線路，但其容量有限，約為63kA，采用超導(dǎo)限流器，可以有效解決這一問題，超導(dǎo)限流器在正常時(shí)阻抗為零，故障時(shí)呈現(xiàn)一個(gè)大阻抗，并且集檢測、觸發(fā)和限流于一體，反應(yīng)和恢復(fù)速度快；

（2）隨著城市用電量的增大，依靠以往的電纜在較小的空間輸送大容量的電能已經(jīng)遇到瓶頸，而采用超導(dǎo)輸電可以大大提高空間利用率，并且降低網(wǎng)損；

（3）各種新能源的并網(wǎng)，對大電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性提出了更高的要求，而超導(dǎo)儲能系統(tǒng)反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)可以滿足這個(gè)要求，能夠改善電能質(zhì)量，提高供電可靠性；

（4）常規(guī)電氣設(shè)備占地面積較大，在土地資源日益緊張的今天，有效減少用電占地面積也是一個(gè)不得不考慮的問題，采用超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器及超導(dǎo)電機(jī)，都可以減少用地面積。

4 超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展方向

近年來，世界石化資源愈來愈緊張，環(huán)境壓力也越來越大，人口城市化進(jìn)程也加快，這就要求電力行業(yè)必須發(fā)展新的發(fā)電能源及并網(wǎng)和傳輸技術(shù)，來適應(yīng)時(shí)代的需求。由于超導(dǎo)電力技術(shù)具有上述優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)電力行業(yè)未來發(fā)展的需要，并且已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。文獻(xiàn)［3］指出超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個(gè)方向:

（1）向高電壓等級發(fā)展，即從配電向輸電發(fā)展。超導(dǎo)電力技術(shù)最初的示范及應(yīng)用都是在配電系統(tǒng)領(lǐng)域，電壓等級較低，輸電距離都較短。近年來，各國都已把超導(dǎo)電力技術(shù)推向了輸電領(lǐng)域，例如，荷蘭已開始額定電壓達(dá)50kV的超導(dǎo)電纜的研究［6］；韓國也在推進(jìn)高溫超導(dǎo)輸電的進(jìn)程［7］；美國開始了基于第二代高溫超導(dǎo)材料的三項(xiàng)電阻型及飽和鐵心型的高溫超導(dǎo)限流器的研制工作。

（2）超導(dǎo)裝置向功能集成化方向發(fā)展，并且超導(dǎo)電力技術(shù)的原理愈加多樣化。所謂功能集成化是指，在一種裝置上實(shí)現(xiàn)兩種或多種功能，美國和中國在這方面走在前端:美國已開展用于連接兩座變電站的超導(dǎo)限流電纜的研制工作，該電纜集傳輸功能和超導(dǎo)限流功能于一體，額定電壓達(dá) 13.8kV，額定電流達(dá)4000A［8］。而中科院電工研究所已于2006年研制出一臺集超導(dǎo)限流器和超導(dǎo)儲能系統(tǒng)于一體的超導(dǎo)限流儲能系統(tǒng)［3］，該系統(tǒng)在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)作為超導(dǎo)儲能系統(tǒng)發(fā)揮作用，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，作為超導(dǎo)限流器發(fā)揮作用。

（3）為可再生能源發(fā)電并網(wǎng)服務(wù)。利用超導(dǎo)電力技術(shù)，可以解決各種新能源本身具有的間歇性、不穩(wěn)定性的缺陷，使之在保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性的前提下更好的接入電網(wǎng)，從而為能源危機(jī)和環(huán)境壓力開辟了新的道路。

（4）超導(dǎo)輸電可能向超導(dǎo)直流方向發(fā)展［3］。與超導(dǎo)交流相比，超導(dǎo)直流輸電效率更高，因?yàn)樗鼪]有交流損耗；并且在相同的輸電容量下，直流比交流具有更高的性價(jià)比。中國和日本在超導(dǎo)直流輸電方面都開展了實(shí)驗(yàn)，中科院電工所在建的用于電解鋁廠供電的示范系統(tǒng)，額定電流為10kA，長380m，采用超導(dǎo)直流輸電；日本已建成超導(dǎo)直流輸電電纜試驗(yàn)線，該線長200m，額定電流2kA，由日本中部大學(xué)于2010年建成。

5 超導(dǎo)電力技術(shù)的前景及結(jié)論

5.1 前景

利用超導(dǎo)體零電阻特性發(fā)展起來的超導(dǎo)電力技術(shù)，是一項(xiàng)非常前沿的技術(shù)，具有革命性，連美國能源部都稱其為電力工業(yè)在21世紀(jì)唯一的高技術(shù)儲備。超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用有上文所述的幾個(gè)方面:即超導(dǎo)輸電電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)及超導(dǎo)電機(jī)等。另外，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)尺寸和重量的限制，使其功率容量遇到了瓶頸，鑒于超導(dǎo)電機(jī)單機(jī)容量大、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，其可能成為未來風(fēng)力發(fā)電大型化和規(guī)?；闹匾x擇。

5.2 結(jié)論

由于超導(dǎo)電力技術(shù)由于具有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在面對未來電網(wǎng)安全、電能質(zhì)量、可再生能源接入、遠(yuǎn)距離大容量輸電等方面的要求時(shí)，能充分發(fā)揮它的積極作用。在資源、環(huán)境、人口等各種壓力與日俱增的今天，大力發(fā)展超導(dǎo)電力技術(shù)無疑是一個(gè)好的選擇，超導(dǎo)電力技術(shù)憑借自身的優(yōu)勢，在未來電力工業(yè)中將起到越來越重要的作用。

［1］肖立業(yè)，林良真.超導(dǎo)電力技術(shù)即將帶來電力工業(yè)的革命［J］.物理，2000，29:131.

［2］Shelton Duane et al.http//www.wtec.org/loyola/scpa.

［3］肖立業(yè)，林良真，戴少濤.新能源變革背景下的超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)展前景［J］.物理，2011，40（8）:500 －504.

［4］肖立業(yè).超導(dǎo)電力技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（9）:33－37.

［5］肖立業(yè).超導(dǎo)電力技術(shù)應(yīng)用前景分析［J］.世界科技與研究發(fā)展，2003，25（1）:38 －43.

［6］A.Geschiere，D Willen，Erika Piga.Long Distance Triax HTS Cable:19th International Conference on Electricity Distribution［C］2007，Paper 0196.

［7］A.Geschiere，D.Will¨|n，P.Barendregt，2006“Remaining challenges for HTS，a breakthrough is needed:long distance application”，Session Proceedings Cigre 2006，session no 41.

［8］Norman，S.et al.High teperature superconducting cable field demonstration at Detroit Edison，Physica C，Vol.354:49 －54.