超導電力技術的發展現狀和趨勢研究

姜新

[摘 要]21世紀，我國經濟發展迅猛，科學技術快速發展，其中，超導電力技術的發展引起了人們的高度重視，各個國家對該技術均進行了系統探索。現階段，對于電力工業來講，超導技術對電力行業的進步和發展具有十分深遠的影響。基于此，本文深入分析了超導電力技術的發展現狀，并研究了超導電力技術的發展趨勢，希望為更多的業內人士提供參考。

[關鍵詞]超導電力技術;發展現狀;發展趨勢

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.24.077

[中圖分類號]F273;TM26[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）24-0-02

0? ? ?引 言

超導技術是一種尖端技術，隨著超導技術的不斷發展，超導電力技術產生的實際價值與實際產值也在逐年提高，成為降低電力傳輸能耗，提高電力傳輸效率的重要方式與技術。在輸電過程中，超導電力技術發揮著重要作用，很多國內外專家開始深入研究該技術，他們認為，在未來的社會發展中，超導電力技術勢必成為推動社會發展的重要力量之一。我國也在不斷深入研究超導電力技術，很多文獻都涉及了國內超導電力技術的相關內容。基于此，筆者結合多年工作的經驗，系統論述了我國超導電力技術發展現狀，并在此基礎上預測未來我國超導電力技術的發展趨勢，希望能推動我國超導電力技術發展。

1? ? ?超導電力技術概述

超導電力技術是一種新型的技術，指利用超導體的無阻高密度載流能力及超導體的超導態-正常態相變的物理特性發展起來的一門新的電力技術。超導電力技術最先在歐美國家受到關注，并得到了廣泛運用。通俗地講，美國在應用超導電力技術的過程中，結合了電網工程，加強了全國范圍的電網建設，之后，超導電力技術成為美國電網應用的核心技術。我國的電力技術，特別是超導電力技術的發展水平，雖然和美國等先進國家存有很大差異，但是，我國相關研究人員通過多年的研發，已經在超導電力技術運用方面取得良好成績。目前，面對超導電力技術廣泛應用的發展趨勢，我國勢必要將超導電力技術的研發和應用置于電力事業發展的核心地位。

2? ? ?超導電力技術應用的相關裝置

2.1? ?大電流引線

超導體的運行應在4.2～77 K（K表示熱力學溫標）的低溫條件下進行，如果溫度差超過200 K，熱量將從高溫區侵入低溫區。隔熱層（如真空層）可以成功地抑制由于低溫杜瓦產生的熱量入侵。電流引線直接連接到低溫和高溫環境，且通過電流引線侵入的熱量在總熱量中占大多數。因為高溫超導體的導熱系數較小，作為電流引線中的高溫超導體應用能夠最大限度地減少低溫狀態下的熱量入侵。現階段，使用由高溫超導體和銅導體組成的二進制電流引線，溫度高于液氮溫度范圍的部件應使用銅導體，低于液氮溫度范圍的部件應使用高溫超導體，這就是高溫超導電流引線。

2.2? ?高壓低溫絕緣套管

雖然超導體并沒有電阻，但低電壓依舊可用于大容量輸電，這并不意味著超導功率用不到高壓技術。目前，超導電力裝置的開發應用，已逐步向高電壓發展，超導電纜電壓達到275 kV。超導電力裝置的電流引線套管需要經過液氮（氦）、低溫氮（氦）、常溫的不同環境，且絕緣條件十分復雜。高電壓與低溫度絕緣套管的重要性將隨著電力裝置的實用性和規模化體現。

2.3? ?大功率電力電子轉換器

如果要實現超導儲能系統與電力系統之間的互聯，需要有效應用大功率電子電力轉流裝置。現階段，脈沖寬度調制控制通過環流裝置可以實現超導儲能系統從吸收或向系統傳送有功功率與無功功率，有效提高超導儲能系統性能，然后深入探索效率較高、容量較大、諧波較低的環流裝置。

2.4? ?超導電力技術的相關課題

為了將超導電力技術廣泛運用到電力系統中，需要相關研究人員結合下列內容進行深入研究。第一，從技術性能看，有效提升超導線材的技術性能，減少成本支出;第二，從超導電力裝置的角度看，注重優化設計及改進其電磁特性;第三，從系統角度看，深入研究超導電力裝置的導入對電力系統特性的影響以及電力系統動態特性對超導裝置技術的要求;第四，從安全保護角度看，深入探究超導裝置與包含超導裝置的電力系統失超保護問題;第五，從低溫角度看，有效提升冷卻效率，并提高可靠性。

3? ? ?我國超導電力技術的發展現狀

3.1? ?高溫超導限流器的發展現狀

作為電力系統中至關重要的裝置，超導限流器對現代化電力系統的發展具有重要意義。超導限流器的主要作用是檢測與限制電流，具有觸發功能，這種裝置的阻抗變化范圍大，響應時間短，速度快，這些優勢決定了高溫超導限流器可以有效保護電氣設備，并保護供電的可靠性，進而提高供電穩定性。

3.2? ?高溫超導輸電的發展現狀

高溫超導輸電是超導技術中最直接的技術，也是電力超導技術的初期發展目標。高溫超導輸電技術的應用可有效提高輸電效率，降低輸電損失，大量節省電力資源。這是現代社會發展的必然趨勢，也是建設資源節約型社會的必然選擇。

3.3? ?超導儲能系統的發展現狀

現如今，能源已成為現代社會進步與發展過程中最重要的因素，也是現代各個國家之間競爭的主要因素。能源具有多種形式，比如：太陽能、潮汐能、風能等，這類能源均屬于可再生能源，但是存在形式都不穩定，想要實現合理運用，就要將其轉化成穩定的能源形式。超導儲能系統具有響應速度較快、輸出功率較高、控制性比較靈活等特性，這些特性直接決定了其可以實現高效調度、適時動態功率平衡，這對于提高電網供電質量和儲存電能等具有重要的意義和價值。

3.4? ?超導電機的發展現狀

超導電機是如今超導電力技術應用的重要趨勢，通常可分成超導變壓器與超導電動機兩種類型。不管是超導電動機還是超導變壓器，均具有占地小、容量高的特性，這決定了超導電力技術的價值。此外，超導電機還具有耗損小、重量輕的特征，在現代社會中得到了廣泛應用。

4? ? ?超導電力技術的應用

4.1? ?超導電纜

電力電纜作為超導技術在電力系統中非常有潛力的應用載體，相同截面的超導電纜載流量一般是普通銅芯電纜的3～5倍，電能損耗小，重量輕。因此，對比普通電纜，超導電纜具有較大的輸送容量、損耗較小，可有效降低電網電壓等級。在人口密集的大城市，在供電電壓不變的條件下，需要在有限的空間中提高電力輸送容量，進而滿足人們快速增長的電力需求。

4.2? ?超導變壓器

如果超導材料代替銅當作變壓器繞組，則可以有效減少變壓器重量，減少噪聲。另外，在低溫工作條件下，變壓器的使用年限不斷延長，且能有效降低損耗，過載能力強，限制系統過流。

4.3? ?超導限流器

在電力系統中應用的限流器具有以下功能：在正常運行過程中損耗較小，如果系統出現故障則要在瞬間限制短路電流，在故障電流消失之后立即恢復到正常狀態。具體而言，正常狀態下，超導限流器處在超導狀態，損耗較小;一旦系統出現故障，會立刻轉變為非超導狀態，這類導電狀態的躍變可在小于1毫秒內順利完成，從而限制短路電流，保障系統穩定。電力系統中利用超導限流器后，系統設備的短路容量值不能減少，進而有效提高電網的輸送容量，擴大電力規模，節省設備投資。

5? ? ?超導電力技術的未來發展趨勢

5.1? ?向高電壓等級方向發展

現階段，我國電力技術在配電網中得到了廣泛運用，而專家對超導電力技術的深入研究，使超導電力技術飛速發展。從配電到輸電領域發展，從低壓等級向高電壓等級發展是電力技術發展的必然趨勢，因此，我國應參照國外成功轉型的經驗，確定我國超導電力技術的發展方向。

5.2? ?向集成化方向發展

新時期背景下，我國超導電力技術的發展雖然取得了很大進步，但仍處于初級階段，超導裝備發展依舊不成熟，功能十分單一。伴隨超導電力技術的進步發展，現有超導裝置已無法滿足超導電力技術的發展需求。基于此，超導裝置向集成化轉變已成為必然趨勢，通過組裝超導裝置，能夠有效發揮超導電力技術的作用。

5.3? ?向超導直流方向發展

以往我國大都采用交流輸電方式輸電，原有的交流輸電模式在輸電中消耗大量能源，效率較低，超導直流輸電模式的功耗較小，效率較高，在同等條件下，超導直流的輸電模式具有較高的性價比。通過相關實踐可知，隨著超導電力技術的飛速發展，超導輸電勢必會向超導直流趨勢發展。

6? ? ?結 語

超導電力技術的發展與應用極大地促進了我國電力事業的進步與發展，有效降低了供電與輸電過程中的能量損耗，利用該技術可以保障電力系統的穩定與安全，對現代社會的進步與發展具有重要意義和價值。超導電力技術的進步與發展極大地改變了現代電力運輸形式，有效降低了電能損耗，為建設資源節約型社會提供了有力保障。

主要參考文獻

[1]歐陽羿，杜曉紀，趙彩宏，等.低溫電力電子技術發展現狀[J].稀有金屬材料與工程，2018（4）：293-295.

[2]劉洋，唐躍進，石晶，等.超導磁儲能系統發展現狀及前景[J].南方電網技術，2019（12）：58-64.

[3]金濤，徐穎，周世平，等.飽和鐵芯型超導限流器研究進展綜述[J].低溫與超導，2018（1）：13-18.

[4]馬衍偉，肖立業.第2代高溫超導YBCO涂層導體的發展及其應用[J].科學通報，2018（1）：1-5.

[5]盧嘉棟.智能電網中電力設備及其技術發展[J].機電工程技術，2016（12）：62-65.

[6]林良真，肖立業.高溫超導輸電電纜的現狀與發展[J].電力設備，2017（1）：1-4.

[7]施祖銘.智能電網發展現狀[J].裝備機械，2019（3）：2-12.