什么是超导电力技术

什么是超导电力技术

编者按：超导电力技术是利用超导体的特殊物理性质与电力工程相结合而发展起来的一门新技术。本文简要介绍了超导电力装置的特点及国际发展动态，概述了中科院电工所超导电力研究的发展情况

超导体具有诸多奇特的物理性质，如零电阻特性、完全抗磁特性、宏观量子相干效应等，利用超导体的这些特殊性质可以获得强磁场、储存电能、制作超导电力装置、实现磁悬浮以及测量微弱磁场信号等。

超导电力技术主要研究、开发各种超导电力装置、研究含超导装置的电力系统的各种特性，包括电力系统和超导电力装置的相互作用和影响、系统规划、设计、运行、控制、保护等。许多电力装备都可以采用超导体来提高其性能，如输电电缆、电机、变压器和储能装置等，同时还可采用超导体研制出常规技术无法实现的新型电力设备，如超导故障电流限制器等。超导电力装置具有体积小、重量轻、容量大等特点，在电力系统中应用超导技术可提高电机单机容量、提高电网的输送容量、降低电网的损耗、实现电能储存、限制短路电流，因而可以改善电能的质量、提高电力系统运行的稳定性和可靠性，从而为电网向高效安全和超大规模方向发展提供了新的技术途径。

超导电力技术多年来一直受到了世界各国的重视，特别是1986年发现高超导材料以后，由于高超导体可以在比低超导体所需的液氦区（4.2K）高得多的液氮区（77K）下运行，高超导电力装置的研究更是备受重视。同时，由于美国和欧洲近年来相继发生了多次大的停电事故，因而促使西方和工业界进一步加快超导电力技术的研究步伐。1999年，美国开始了S PI（Superconductivity Partnership Initiative）研究计划，开展了如超导电机、超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导磁悬浮飞轮储能等项目的研究，在“美国电网2030”计划中，提出了采用超导电力技术建设骨干电网等建议，美国还在其海军舰船先进电力系统计划中列入了超导推进电机等研究项目。日本在20世纪90年代曾实施了SuperGM等超导电力技术研究计划，并成立了国际超导技术研究中心（ISTEC），其主要电力公司及电机制造厂家均积极参与超导电力技术研究工作。在欧洲，法国、德国、俄罗斯、以色列及印度等都相继开展了超导电力技术研究工作，韩国也于2001年制定了高超导技术的十年发展规划。中科院电工所在国家“863”计划和国家自然科学基金的支持下，于上世纪90年代初就逐步开展超导电力装置及其应用的研究。目前，包括我国在内的世界各国，在高超导输电电缆、高超导故障电流限制器、高超导电机、高超导变压器以及超导磁储能系统等研究方面，已取得实质性进展。

一、超导电力装置的特点及国际发展动态

在超导电力装置方面，国外研究开发的重点主要是高超导限电缆、高超导限流器、超导储能装置、高超导变压器、高超导电动机以及无功功率补偿用的高超导同步发电机等。

1.高超导电缆

高超导电缆采用无阻和高电流密度的高超导材料作为载流导体，具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，其传输容量将比常规电缆高3~5倍，而电缆本体的焦耳热损耗几乎为零。虽然在交流运行状态下，它也存在磁滞、涡流等损耗，即交流损耗，但超导电缆只要超过一定长度后，即使考虑到低冷却和终端所需的电能消耗，其输电损耗也将比常规电缆降低20％~70％。另外，高超导电缆是采用液氮作冷却介质，在结构上还可以使其磁场集中在电缆内部，从而防止对环境的污染。同时，液氮冷却的高超导电缆不会有漏油污染环境和发生火灾的隐患。随着大城市用电负荷的日益增加，高压架空线深入城市负荷中心又受到许多因素的影响。因此，往往需要采用地下电缆将电能输往城市负荷中心。在这种情况下，采用高超导输电电缆有明显的优势，是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。

自20世纪90年代以来，美国、日本、丹麦和韩国等都相继开展了超导输电电缆的研究。2000年2月，美国Southwire公司研制了长30m、12.5 kV/1.25kA三相高超导电缆，并安装在公司总部供电运行。2001年，日本东电力公司与住友电工合作，研制出100m、1k A/66kV三相高超导交流电缆，并进行了冷却、额定电流通电运行、负荷变动、过负荷和耐压等一系列试验。2004年日本Furukawa电气公司和电力工业中心研究所（CRIEPI）等研制了500m长、77kV/1kA单相高超导电缆，并进行了高超导电缆在穿越地下、过河、上下坡等不同安装环境下的性能试验。2006年，美国超导公司（AMSC）、SuperPower公司等在能源部和纽约州等支持下，分别研制出200m（13.5kV/3kA）、350m（34.5kV/0.8kA）和660m（1 38kV/2.4kA）三相高超导交流电缆，并分别安装在俄亥俄州哥伦布的Bixby变电站、纽约州的Albany和长岛等地并网试验运行。2005年，韩国电力研究所（KEPRI）等与日本住友株式会合作，研制出100m长、22.9kV/1.2kA三相高超导交流电缆。墨西哥也计划在墨西哥市建造33m、15kV/1.8kA的高超导电缆，为用户提供更安全更可靠的电能。

2.超导故障限流器

超导故障限流器主要是利用超导体的超导态——正常态转变的物理特性，实现对故障短路电流的限制。超导故障限流器可融检测、触发和限流于一体，且反应速度快、正常运行时损耗很低、能自动复位，是十分理想的限流装置。1989年以来，美国、德国、法国、瑞士和日本等国家都相继开展了高超导限流器研究。美国通用原子能公司等已研制成功一台1 5kV/1.2kA超导故障限流器，它可将最大短路电流从20kA限制到4kA，即将短路电流限制到20％。瑞士ABB研究中心一直从事屏蔽型超导故障限流器的研究， 1996年成功地研制出一台用Bi2212材料制成10.5kV/70A屏蔽型三相高超导限流器，该限流器能在第一个半周波内将短路电流从60kA限制到700A，1997年它已安装在Lontsch变电站进行试运行。

2002年，瑞士ABB研究中心又用Bi2212材料研制出0.8kA（rms）/8kV电阻型高超导限流器，它可以将短路电流从20kA（rms）限制到2.7kA（rms），该限流器已在瑞士Baden 的电力实验室试验成功。1999年，德国西门子公司与加拿大Hydro-Quebec电力公司合作完成了利用YBCO薄膜研制0.77kV/135A电阻型限流器。他们在此基础上将进一步研制1.0MVA 电阻型限流器。德国卡尔斯鲁厄研究中心技术物理研究所和Nexans公司等合作，用Bi2212材料研制了10kV/10MVA电阻型三相高超导限流器。

3.超导变压器研究

在超导变压器研究方面，ABB研究中心于1997年4月研制出一台630kVA、18.7kV/420 V三相高超导变压器，并安装在日内瓦电力公司下属电厂进行测试和试验运行。与此同时，日本九州大学与富士公司等合作研制出一台单相500kVA、6.6kV/3.3kV的高超导变压器，该变压器运行于77K时，效率达99.1％。当该变压器运行于66K时，容量可提高到800kVA，效率可达99.3％。1998年初，美国电力公司、IGC公司、橡树国家实验室和Rochester燃气电力公司等合作研制完成1MVA单相高超导变压器样机并成功地进行了试验。随后，又计划合作研制出容量为30MVA、138kV/13.8kV、60Hz的三相高超导变压器样机，因为这种容量和电压等级的变压器约占美国今后20年中等容量变压器销量的50％。2001年，德国Sieme ns公司也研制、试验成功用于铁路机车的1MVA高超导变压器样机。

4.超导电机

超导电机是采用超导线材取代常规的铜导线绕制电机的励磁绕组或电枢绕组。由于超导线的电流密度要比铜导线高约2个数量级且几乎无焦耳热损耗，因此超导同步发电机的效率可比常规电机提高0.5％~0.8％；电机的整机重量可减少1/3~1/2，且体积小。同时，电机同步电抗可减小到原来的1/4，从而提高了电机的运行稳定性；它还可省去铁芯，使电机的电枢绕组对地绝缘水平大大提高。另外，由于气隙磁通密度可比常规电机大数倍，单机容量可达百万千伏安以上。

但是，由于超导绕组必须运行在液氦或液氮区，同时又因超导绕组电流密度大，给电机的设计、制造和运行带来一系列新的技术问题。例如，大电流密度和高磁场的超导电机绕组设计和电磁计算，超导绕组的阻尼屏蔽结构，超导绕组的稳定性和失超保护，超导绕组低容器的真空绝热和密封技术，超导绕组冷却技术，以及高速旋转下冷却介质输运技术等都需要研究和解决。

迄今为止，所研制的超导同步发电机只是转子励磁绕组采用超导线圈，电机的定子绕组一般仍然采用常规的铜绕组。这是因为电机的定子绕组是在50Hz工频下运行的，而超导体在交流运行条件下存在交流损耗。日本自1988年开始进行超导同步发电机研究，已研制出一台励磁绕组采用NbTi超导线绕制的70MVA超导同步发电机。这台电机采用超临界氦冷却，并于1997年成功地进行了试验。原计划准备在这基础上进一步研制200MVA超导同步发电机，但至今未进行。

1996年，美国Reliance电力公司（REC）成功研制出一台转速为1800r/min的四极高超导同步电动机，其高超导线圈是在27K下运行。经试验，该电动机输出功率达147kW（比设计的92kW高出60％），其效率达97.1％。1997年，REC开展了3.7MW（5000马力）的四极高超导电动机研究工作，目前已完成该机研制工作。2003年，美国AMSC公司和ALSTOM 公司研制成功5MW高超导单极电动机，并在模拟船舶上进行了测试。美国AMSC公司目前正在进行36.5MW、转速120r/min的船舶推进用高超导电动机研制。美国海军期望未来的作战舰艇能使用包括高超导电机、超导限流器、超导电缆、超导变压器在内的高超导电力系统，美国空军也计划在新一代飞机中使用超导电机。

5.超导磁储能

超导磁储能（SMES）是利用超导线圈作储能线圈，由电网经变流器供电励磁，在线圈中产生磁场而储存能量。需要时，可经逆变器将所储存的能量送回电网或提供給其他负载用。由于超导储能线圈几乎是无损耗的，因此线圈中储存的能量可以长久储存而几乎不衰减。与其他储能系统相比，超导磁储能具有很高的转换效率（可达95％）和很快的反应速度（可达几毫秒）。正因为如此，超导磁储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性。此外，它还可用于无功和功率因素的调节以改善系统的稳定性。

在20世纪70年代，美国等主要致力于大型超导储能技术的研究，其目的是用于电力系统负载调节和其他如军事应用。在70年代末，美国曾研制出一台30MJ超导储能装置并安装在西海岸的一条500kV输电线路上，用以消除其0.35Hz负阻尼振荡和提高其输送功率。试验取得了满意的结果，但因低系统达不到运行要求并出现故障，致使该储能装置没能继续运行。80年代，美国军方提出一个研制20.4MWh的超导储能工程实验模型计划，并开展了预研工作，后因冷战结束，该计划也随之中止。90年代，美国为改善阿拉斯加电网的可靠性，曾提出研制1.8GJ超导储能装置计划，该项目完成了设计并开始进行预研。后因经费等原因，研制计划中止。

目前，超导磁储能的研究主要是开发微型超导储能装置的实际应用。美国、德国和日本等提出了开发100kWh等级的微型超导储能装置的建议，如用于磁浮列车、计算机大楼和高层建筑等用的超导储能系统；德国、意大利和韩国等也都在开展了微型超导储能装置的研究。美国IGC和AMSC公司的微型超导储能装置（1～10MJ）已经商品化，AMSC公司目前正在开发一种新的配电SMES（D-SMES）用于功率调节。

二、中科院电工所超导电力研究概况

自“八五”以来，中科院电工研究所就开始密切关注高超导电力应用的研究，随后，在国家“863”计划和国家自然科学基金的支持下，逐步开展了高超导电力装置及其应用基础和相关技术的研究，先后进行了高超导限流器、超导储能、高超导永磁体以及高超导带材

和线圈的交流损耗等的研究。1998年电工所与西北有色金属研究院和北有色金属研究总院合作，成功研制了1米长、1000A的高超导直流输电电缆模型，被两院院士评为1998年国内十大科技进展之一。在此基础上，2000年我所与两个有色院又合作完成6米长、2000A

高超导直流输电电缆的研制和实验。

随后，在国家“863”计划和中国科学院知识创新工程的支持下，并得到了国内相关企业如甘肃长通电缆股份有限公司、新疆特变电工股份有限公司等的支持，应用超导实验室结合应用开展三相交流高超导电缆、高超导变压器、高超导限流器、超导储能系统的研究。2 003年8月应用超导重点实验室研制出三相10米、10.5 kV/1.5kA交流高超导电缆系统。结合高超导输电电缆的研制，同时还进行了高超导电缆带材电流分布的均匀性问题、电缆的电磁屏蔽技术、电缆的高电压绝缘和终端绝缘技术、高超导电缆的焊接技术、高超导电缆的绕制技术、高超导电缆冷却技术、高超导输电电缆系统监控保护技术以及高超导带材临界电流和均匀性无接触测量技术等研究，取得了一系列成果。

2005年应用超导重点实验室与甘肃长通电缆公司等合作，研制成功75m、10.5kV/1.5k A三相交流高超导输电电缆，该电缆由包括承载电流的超导电缆芯、维持低环境的低恒管、电缆终端和电流引线、提供冷量的低制冷系统、电缆绝缘以及监测电缆运行状况的在线监测系统等组成，除高超导带材外的所有部件均为自主研究开发。75米超导电缆的直流临界电流在74K下大于5300A，接头电阻可达到10-7Ω。超导电缆的额定电压达到10.5kV，在配电网中的最大运行电流达到了1600A（rms）。2005年超导电缆接入甘肃长通电缆科技股份有限公司6.6kV配电网进行长时间运行，经受了长达7000小时的并网运行考验，系统运行稳定可靠。2006年75米高超导电缆通过了科技部组织的验收，并获2007年甘肃科技进步二等奖。图1为安装在甘肃长通电缆科技股份有限公司的75米三相高超导交流电缆。

2002年应用超导重点实验室成功研制出我国第一台新型400V/25A高超导限流器。在进行了多种超导限流器原理研究及其在电力系统中应用研究的基础上，于2005年初顺利完成了10.5kV/1.5kA改进桥路型三相高超导限流器样机的研制，并对样机进行了各项并网前的检验和模拟试验。2005年5月，应用超导实验室与南电力局电力试验研究院和娄底电业局合作，在南娄底市高溪变电站开展试验场地改造、设备系统安装、系统集成和并网前测试工作（图2）。2005年8月进行三相接地短路试验，成功地将三相接地短路电流从3.5kA（无限流器时）限制到635A。此后，三相高超导限流器投入电网，进行载荷并网长期示范运行。2006年，高超导限流器分别通过了北市科委、科技部和中国科学院组织的验收，并获南省科技进步二等奖。

2003年应用超导实验室与新疆特变公司合作，在进行了超导变压器电磁设计、绕组环流分析、低绝缘、电流引线、绕组绕制工艺等研究的基础上，研制了26kVA三相高超导变压器和45kVA单相高超导变压器实验样机，并进行了短路冲击实验和雷电冲击试验。在此基础上研制出630kVA三相高超导非晶合金铁心配电变压器，并于2005年12月安装在新疆特变公司并网试验运行。在超导变压器中采用非晶合金铁芯，可大大降低变压器的线圈损耗和铁芯损耗。根据国家变压器质量监督检验中心的检测，其负载损耗比油浸式变压器9型国家标准低95.5％，比H级绝缘干式变压器9型国家标准低97.2％。在顺利通过了国家变压器质量监督检验中心的检测后，该高超导变压器已于2005年12月在新疆特变公司并网试验运行。科技日报于2006年2月6日以“最新发现与创新”为标题报道了630kVA高超导电力变压器的挂网试运行。图3是安装在新疆特变公司的630kVA三相高超导非晶合金铁心配电变压器。

早在1997年，电工所就成功研制出一台25kJ（300A/220V）超导储能样机，2005年应用超导重点实验室又完成了100kJ/25kW超导限流—储能系统的研制（图4），并进行短路和电压补偿实验。这是完全具有自主创新的新型超导电力装置，实现了多种功能的有机集成。

在中国科学院知识创新工程的支持下，应用超导重点实验室开展了1MJ/0.5MVA高超导储能系统的研制，它包括高超导磁体系统、制冷系统、电力电子系统和在线监测系统等。其储能线圈是由44个Bi2223双饼线圈组成，电感为6.4H，运行电流560A，运行在4.2K下（图5）。该储能系统已于2007年安装在门头沟变电站，并将进行改善电能质量的试验运行。

在开展超导电力装置研究同时，应用超导重点实验室还进行了超导电力应用关键技术研究，开展了超导电力装置的引入对电力系统动态特性的影响、含电力系统中超导电力装置的动态特性研究以及与超导电力装置结合的电力电子技术、低技术和应用超导材料研究等，取得了较好的成绩。2002年应用超导重点实验室与清华大学共同承担了国家自然科学基金重点项目“高超导电力技术基础研究”课题研究，这方面的研究对促进超导电力技术实际应用具有关键的作用；2003年在国家杰出青年科学基金的支持下，开展“超导限流—储能系统的研究”，结合超导技术的发展和现代电力电子技术，首次提出了多功能超导电力装置的原理，即将超导限流器的功能与超导储能系统集成起来，从而形成超导限流—储能系统；2 005年应用超导重点实验室一位博士还获“全国百篇优秀博士论文”奖。

三、超导电力技术发展前景及要解决的问题

提高电力系统的稳定性、可靠性、供电品质一直是电力系统要解决的重要问题，超导电力技术是从根本上为降低电力系统损耗、提高电力系统输送能力、有效限制故障短路电流、提高电网的安全性和改善电力系统动态特性开拓新的技术途径。采用超导电力技术，不仅可以大大提高单机容量和电网的输送容量并大大降低电网的损耗，而且还可以明显改善电能的质量、提高电力系统运行的稳定性和可靠性、降低电压等级、提高电网的安全性、降低电网的占地面积和电网的造价及电网的改造成本，并使超大规模电网的实现成为可能。不仅如此，通过大容量的超导输电系统，可将排污的发电厂建在煤矿和油田附近或将核电站建在比较偏远的地区，从而改善人类生存环境的质量。通过超导储能，还可大大改善可再生能源的电能质量，并使其与大电网有效地联结。

超导电力技术不仅是一项用技术，在国防安全方面也具有重大应用价值。例如，高超导电动机可以用于军用舰船推进，大大减少舰船电机的体积和重量；高超导限流器可以用于舰船电力系统短路电流的限制，超导储能系统在提高舰船电力系统稳定性和电能质量方面也将发挥重要的作用。

目前，超导电力技术已有很大的发展，但要在电力系统中真正获得实际应用，还需要进一步开展以下几个方面的研究：

1）探索和研究超导电力新原理、新装置，以使超导力装置在满足电力系统不同运行状态的要求并能最大限度地发挥超导体的优越性能。

2）研究超导电力装置的内部动态特性和与电力系统动态相互作用的机理，以及含超导装置的电力系统规划、运行，稳定、控制理论及其经济性、可行性、技术优越性、安全可靠性等。

3）开展超导技术与电力电子技术相结合的研究，两者的结合有可能将诸如超导变压器、超导储能、超导限流器、有源滤波、统一潮流控制器等多个功能集成于一体，进一步提高电力系统的稳定性和改善电力质量。

4）低冷却技术以及其他相关技术的研究，例如高效、高可靠性的低系统、传导冷却技术、低损耗的电流引线、磁体电源、控制、保护等。

5）探索新的、高性能和高临界度的超导材料。研究价格低廉、加工简便、具有更高临界度和电流密度的新型超导体，进一步提高超导线/带的临界电流密度、机械特性以及热力学特性，这对超导电力技术的实际应用具有十分重要的现实意义。

超导电力技术是一门有广泛应用和巨大发展潜力的高技术领域，也是目前国际科技发展的重要前沿。随着高超导材料和超导技术的进一步发展，超导电力技术将会成为未来电力

系统最具有影响力的新技术，超导电力技术的应用将大大提高电力工业的发展水平，并将促进电力工业重大变革。