超導，站在智能電網最前沿

文 Article_王 俊

圖為演示超導體在磁場中的懸浮現象。軌道由鐵環和吸附其上的永久磁鐵材料構成，小車內部裝有超導材料，當材料進入超導態時，小車就會懸浮起來，沿著軌道運動。

智能電網熱潮未退，與之相關的“小概念”也漸次興起，其中之一便是超導概念。在智能電網建設過程中，超導電力技術將發揮關鍵作用，或能在一定程度上決定一個國家智能電網的競爭力。美國甚至宣稱，超導電力技術將是21世紀電力工業唯一的高技術儲備。因此，其產業發展前景被普遍看好。

百年超導

100年前的一天，荷蘭人卡末林·昂內斯意外地發現，將汞冷卻到-268.98℃時，汞的電阻突然消失。后來，他又發現許多金屬與合金都具有和汞相似的低溫下失去電阻的特性。這種特殊的導電性能，被卡末林命名為“超導態”。卡末林的發現震驚了世界，不久，世人便開始把處于超導狀態的導體稱為“超導體”。

1933年，荷蘭人邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的另外一個極為重要的性質，即當某種金屬處于超導狀態時，金屬體內的磁感應強度為零，磁力線似乎一下子被排斥到金屬體外去了。這種現象就是著名的“邁斯納效應”，可以用來判別物質是否具有超導性。此后，世人對超導的研究逐漸深入，取得的成果越來越多，尤其體現在電力工業方面。

美國是人類第三次科技革命的領跑者，也是全球研究超導電力技術的“帶頭大哥”。在20世紀末到21世紀初這段時間里，美國政府多次投入巨資，大力推動超導電力技術的革新。近20年的積蓄和沖刺，一舉奠定了美國在超導電力技術上的壟斷地位。

2001年5月，美國在底特律福瑞斯比變電站的地底成功鋪設了一條長達360多米的超導電纜，這是人類歷史上第一條投入實際應用的超導輸電線路。當時令世界震撼的是，這條重量為123公斤的超導線路，竟然取代了原有的9條重達8100公斤的電纜。緊接著，美國能源部在2003年出臺了《美國電網2030》草案，在草案中明確提出采用超導技術建設本國骨干電網的建議。

2008年4月，美國紐約長島電力局與美國超導公司聯合建設的世界首條高溫超導電纜正式投入商業運行。這對于超導電力技術的商業化應用來說，具有里程碑意義。有關資料顯示，長島超導輸電系統在滿負荷運轉時，能夠滿足30萬戶家庭的用電需求。該系統僅由三根超導電纜組成，輸電能力卻為同等粗細銅導線的150倍，其潛在推廣價值不言而喻。

100年往矣。當年實驗室里的意外發現，在今天已演變成為產值約合75億美元的大蛋糕。國際超導工業界預計，到2020年，全球超導電力技術產值將達到750億美元。因此，國內有不少分析人士認為，超導產業或將迎來10年10倍的井噴式發展。

超導與智能電網

智能電網建成后，將擁有安全穩定、經濟環保、供電品質高、對新能源發電包容性強等特點。超導技術的進步，為智能電網建設提供了有利條件。近幾年來，國際超導電力技術進入高速發展時期，一些超導電力設備，如超導限流器、超導電纜、超導磁儲能系統、超導變壓器、超導發電機等已在電力系統試運行，并取得良好效果。

超導限流器具有優異的限流特性，可以說是目前高壓電網最為理想的限流裝置。相較于傳統的限流電抗器，超導限流器更能滿足智能電網的要求。它能有效防止短路電流對電力設備造成損壞，提高電網安全性，減少電能損耗。在設計新電網或改造舊電網時，通過使用超導限流器，電網建設成本還可以大大降低。上海在去年5月份發布的《推進智能電網產業發展行動方案》中，就明確提出了超導限流器是上海市智能電網產業發展的重點。

超導電纜的發展前景比超導限流器更為廣闊。雖然就目前的技術水平來說，在長距離的電能輸送中，超導電纜因成本過高不太實用，但在350千伏以下電壓等級、短距離、大電流場合中，超導電纜的優勢非常明顯。這是因為，超導電纜的正常運行電阻近乎于零，電流在傳輸中損耗極低；它還可以通過適度降低導體溫度，來調節傳輸電能的潮流分布，從而有利于維護系統穩定。隨著高溫超導電纜技術的進步，未來超導電纜無疑將非常符合智能電網經濟、高效、安全的要求。

超導磁儲能系統是一種利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網的裝置。它具有反應速度快、轉換效率高等優點，不僅可用于降低乃至消除電網的低頻功率振蕩，還可以調節無功功率和有功功率。新能源發電如光伏發電、風力發電、潮汐發電等，通常具有間歇性和不穩定性，超導磁儲能系統便是解決這方面難題、增強智能電網包容性的不二之選。

超導變壓器、超導發電機也各具特色，與超導限流器、超導電纜等，共同代表了當今世界電力技術的最前沿?？梢钥隙ǖ氖?，未來大規模建設智能電網，離不開超導電力技術的支撐。

中美需合作共贏

2011年4月19日，由中國自主研發的世界首座全超導變電站在甘肅白銀正式并網運行。白銀超導變電站是目前世界上唯一的一座配電級全超導變電站，刷新了多項世界紀錄，創造了多項中國第一。它的投運，標志著中國在超導電力技術方面取得了重大突破，也標志著中國超導電力技術開始進入產業化發展階段。

前者行雖遠，后者猶可追。與美國相比，中國對超導的研究起步晚、投入少，政府重視的程度亦稍顯不足。但在國內科技工作者的不懈努力下，二者之間的差距正快速縮小，甘肅白銀超導變電站便是中國趕上來的明證。

“我國的超導電力技術水平處于世界前列，比歐洲稍微高一點兒，與日本相近，低于美國?！敝锌圃弘姽ぱ芯克L、應用超導重點實驗室主任肖立業介紹。

和中國大不相同的是，在建設智能電網進程中，美國計劃主要采用超導輸電技術而非特高壓輸電技術?！巴ㄟ^對比，我們可以看出，我國的智能電網是以特高壓為骨架，以信息化、自動化、數字化、互動化為特征的‘四化’電網；美國的智能電網是以超導技術為支撐，以低線損、低電磁污染為顯著特征，代表了世界尖端科技方向的電網。”肖立業說。

科學技術競爭是國家間競爭的主要形式之一，中美兩國在智能電網上的競爭不可避免。美國雖然占了超導技術的優勢，中國卻也不必妄自菲薄，因為中國的特高壓輸電技術已領先于世界。

2009年，時任美國商務部部長的駱家輝訪問中國時，就曾公開表示：“看到中國國家電網公司在特高壓方面取得了這么大的進展，希望能夠分享經驗。不但我們想分享，我相信世界其他國家也有這種意愿。”

一個很淺顯的道理是，中美兩國如果能就超導電力技術和特高壓輸電技術展開合作，那么共贏的局面將唾手可得，智能電網的未來也會因此而更加令人期待。