超導電力技術及其發展前景

吳稀西，李占林，肖曼，吳亞彬

（三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002）

1 引言

1911年荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯Heike Kamerlingh Onnes發現超導現象，即將汞冷卻到－268.98℃時，汞的電阻會突然消失。隨后的研究中他發現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。經過100年的發展，超導電力技術已經有了深入的發展，被廣泛的研究應用于電力行業。

2 國內外研究現狀

2.1 國外現狀

目前研究超導電力技術走在前列的有美國、俄羅斯、日本、韓國等。美國Brookhaven國家實驗室和Los Alamos國家實驗室先后于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國家實驗室還研制出超導儲能系統（SMES），其儲能量達30MJ，并示范的應用于電力系統，結果表明了該超導儲能系統可以調制低頻干擾信號，消除電網的低頻振蕩；2006年，美國超導公司（AMSC）研制出高溫超導電纜并投入實際運行，其額定電壓達138kV，該公司還研制出額定功率達36.5MW的高溫超導電動機和額定容量為10MVA的超導同步調相機；日本東芝于1994年研制出超導限流器（FCL）；日本通產省于1998年利用NbTi超導線研制出超導發電機，其額定功率達 70MW［1，2］。

2.2 國內研究現狀

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

3 超導電力技術的研究應用及優勢

超導電力技術的根本原理是利用超導體在特殊情況下可以達到零電阻這一特性，研制各種超導設備。目前，超導電力技術主要的研究應用有以下幾個方面［4］:

（1）高溫超導限流器。超導限流器具有檢測、觸發和限流的功能其，阻抗可以在零和很大值之間轉換，反應和恢復的速度都較快。研制應用超導限流器可以達到保護電氣設備、改善供電可靠性的目的，并且可以增加輸電容量，以及提高電網的穩定性。

（2）高溫超導輸電。利用高溫超導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，適應現代城市用電的發展。

（3）超導儲能系統。風能、潮汐能、太陽能等可再生能源具有間歇性和不穩定性等缺點，這就要求可再生能源必須與電能儲存系統同時應用才可以實現穩定并網。而超導儲能系統自身特有的響應速度快、功率高、輸出功率可靈活控制等優點決定了它可以實現高效調度和實時動態功率平衡，在提高電網供電質量方面發揮重要作用。

（4）超導電機。包括超導變壓器、超導電動機。超導電機，不管是變壓器、發電機還是電動機，都具有極限單機容量高的特點，并且損耗小、體積小、重量輕，這使它們在土地資源日益緊張、環境壓力劇增的今天具有獨特的優勢。

隨著電力系統朝著大容量、大規模、長距離、高電壓方面發展，系統出現了很多問題，而超導電力技術的優勢就逐漸凸顯出來，如［4，5］:

（1）短路電流的增大可能導致電力系統的崩潰，而實際中的限流設備效果不佳，并且快速熔絲缺少自動復位功能，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，采用超導限流器，可以有效解決這一問題，超導限流器在正常時阻抗為零，故障時呈現一個大阻抗，并且集檢測、觸發和限流于一體，反應和恢復速度快；

（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遇到瓶頸，而采用超導輸電可以大大提高空間利用率，并且降低網損；

（3）各種新能源的并網，對大電網的動態穩定性提出了更高的要求，而超導儲能系統反應速度快、轉換效率高的特點可以滿足這個要求，能夠改善電能質量，提高供電可靠性；

（4）常規電氣設備占地面積較大，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不得不考慮的問題，采用超導電纜、超導變壓器及超導電機，都可以減少用地面積。

4 超導電力技術的發展方向

近年來，世界石化資源愈來愈緊張，環境壓力也越來越大，人口城市化進程也加快，這就要求電力行業必須發展新的發電能源及并網和傳輸技術，來適應時代的需求。由于超導電力技術具有上述優點，可以適應電力行業未來發展的需要，并且已經取得了長足的進步。文獻［3］指出超導電力技術的發展主要有以下幾個方向:

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

（2）超導裝置向功能集成化方向發展，并且超導電力技術的原理愈加多樣化。所謂功能集成化是指，在一種裝置上實現兩種或多種功能，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限流電纜的研制工作，該電纜集傳輸功能和超導限流功能于一體，額定電壓達 13.8kV，額定電流達4000A［8］。而中科院電工研究所已于2006年研制出一臺集超導限流器和超導儲能系統于一體的超導限流儲能系統［3］，該系統在電網正常運行時作為超導儲能系統發揮作用，當電網發生短路故障時，作為超導限流器發揮作用。

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

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

5 超導電力技術的前景及結論

5.1 前景

利用超導體零電阻特性發展起來的超導電力技術，是一項非常前沿的技術，具有革命性，連美國能源部都稱其為電力工業在21世紀唯一的高技術儲備。超導電力技術的應用有上文所述的幾個方面:即超導輸電電纜、超導限流器、超導儲能系統及超導電機等。另外，由于風力發電機尺寸和重量的限制，使其功率容量遇到了瓶頸，鑒于超導電機單機容量大、重量輕的優點，其可能成為未來風力發電大型化和規模化的重要選擇。

5.2 結論

由于超導電力技術由于具有自身獨特的優點，在面對未來電網安全、電能質量、可再生能源接入、遠距離大容量輸電等方面的要求時，能充分發揮它的積極作用。在資源、環境、人口等各種壓力與日俱增的今天，大力發展超導電力技術無疑是一個好的選擇，超導電力技術憑借自身的優勢，在未來電力工業中將起到越來越重要的作用。

［1］肖立業，林良真.超導電力技術即將帶來電力工業的革命［J］.物理，2000，29:131.

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

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

［4］肖立業.超導電力技術的現狀和發展趨勢［J］.電網技術，2004，28（9）:33－37.

［5］肖立業.超導電力技術應用前景分析［J］.世界科技與研究發展，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.