超导，站在智能电网最前沿

文 Article_王 俊

图为演示超导体在磁场中的悬浮现象。轨道由铁环和吸附其上的永久磁铁材料构成，小车内部装有超导材料，当材料进入超导态时，小车就会悬浮起来，沿着轨道运动。

智能电网热潮未退，与之相关的“小概念”也渐次兴起，其中之一便是超导概念。在智能电网建设过程中，超导电力技术将发挥关键作用，或能在一定程度上决定一个国家智能电网的竞争力。美国甚至宣称，超导电力技术将是21世纪电力工业唯一的高技术储备。因此，其产业发展前景被普遍看好。

百年超导

100年前的一天，荷兰人卡末林·昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失。后来，他又发现许多金属与合金都具有和汞相似的低温下失去电阻的特性。这种特殊的导电性能，被卡末林命名为“超导态”。卡末林的发现震惊了世界，不久，世人便开始把处于超导状态的导体称为“超导体”。

1933年，荷兰人迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另外一个极为重要的性质，即当某种金属处于超导状态时，金属体内的磁感应强度为零，磁力线似乎一下子被排斥到金属体外去了。这种现象就是著名的“迈斯纳效应”，可以用来判别物质是否具有超导性。此后，世人对超导的研究逐渐深入，取得的成果越来越多，尤其体现在电力工业方面。

美国是人类第三次科技革命的领跑者，也是全球研究超导电力技术的“带头大哥”。在20世纪末到21世纪初这段时间里，美国政府多次投入巨资，大力推动超导电力技术的革新。近20年的积蓄和冲刺，一举奠定了美国在超导电力技术上的垄断地位。

2001年5月，美国在底特律福瑞斯比变电站的地底成功铺设了一条长达360多米的超导电缆，这是人类历史上第一条投入实际应用的超导输电线路。当时令世界震撼的是，这条重量为123公斤的超导线路，竟然取代了原有的9条重达8100公斤的电缆。紧接着，美国能源部在2003年出台了《美国电网2030》草案，在草案中明确提出采用超导技术建设本国骨干电网的建议。

2008年4月，美国纽约长岛电力局与美国超导公司联合建设的世界首条高温超导电缆正式投入商业运行。这对于超导电力技术的商业化应用来说，具有里程碑意义。有关资料显示，长岛超导输电系统在满负荷运转时，能够满足30万户家庭的用电需求。该系统仅由三根超导电缆组成，输电能力却为同等粗细铜导线的150倍，其潜在推广价值不言而喻。

100年往矣。当年实验室里的意外发现，在今天已演变成为产值约合75亿美元的大蛋糕。国际超导工业界预计，到2020年，全球超导电力技术产值将达到750亿美元。因此，国内有不少分析人士认为，超导产业或将迎来10年10倍的井喷式发展。

超导与智能电网

智能电网建成后，将拥有安全稳定、经济环保、供电品质高、对新能源发电包容性强等特点。超导技术的进步，为智能电网建设提供了有利条件。近几年来，国际超导电力技术进入高速发展时期，一些超导电力设备，如超导限流器、超导电缆、超导磁储能系统、超导变压器、超导发电机等已在电力系统试运行，并取得良好效果。

超导限流器具有优异的限流特性，可以说是目前高压电网最为理想的限流装置。相较于传统的限流电抗器，超导限流器更能满足智能电网的要求。它能有效防止短路电流对电力设备造成损坏，提高电网安全性，减少电能损耗。在设计新电网或改造旧电网时，通过使用超导限流器，电网建设成本还可以大大降低。上海在去年5月份发布的《推进智能电网产业发展行动方案》中，就明确提出了超导限流器是上海市智能电网产业发展的重点。

超导电缆的发展前景比超导限流器更为广阔。虽然就目前的技术水平来说，在长距离的电能输送中，超导电缆因成本过高不太实用，但在350千伏以下电压等级、短距离、大电流场合中，超导电缆的优势非常明显。这是因为，超导电缆的正常运行电阻近乎于零，电流在传输中损耗极低；它还可以通过适度降低导体温度，来调节传输电能的潮流分布，从而有利于维护系统稳定。随着高温超导电缆技术的进步，未来超导电缆无疑将非常符合智能电网经济、高效、安全的要求。

超导磁储能系统是一种利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网的装置。它具有反应速度快、转换效率高等优点，不仅可用于降低乃至消除电网的低频功率振荡，还可以调节无功功率和有功功率。新能源发电如光伏发电、风力发电、潮汐发电等，通常具有间歇性和不稳定性，超导磁储能系统便是解决这方面难题、增强智能电网包容性的不二之选。

超导变压器、超导发电机也各具特色，与超导限流器、超导电缆等，共同代表了当今世界电力技术的最前沿。可以肯定的是，未来大规模建设智能电网，离不开超导电力技术的支撑。

中美需合作共赢

2011年4月19日，由中国自主研发的世界首座全超导变电站在甘肃白银正式并网运行。白银超导变电站是目前世界上唯一的一座配电级全超导变电站，刷新了多项世界纪录，创造了多项中国第一。它的投运，标志着中国在超导电力技术方面取得了重大突破，也标志着中国超导电力技术开始进入产业化发展阶段。

前者行虽远，后者犹可追。与美国相比，中国对超导的研究起步晚、投入少，政府重视的程度亦稍显不足。但在国内科技工作者的不懈努力下，二者之间的差距正快速缩小，甘肃白银超导变电站便是中国赶上来的明证。

“我国的超导电力技术水平处于世界前列，比欧洲稍微高一点儿，与日本相近，低于美国。”中科院电工研究所所长、应用超导重点实验室主任肖立业介绍。

和中国大不相同的是，在建设智能电网进程中，美国计划主要采用超导输电技术而非特高压输电技术。“通过对比，我们可以看出，我国的智能电网是以特高压为骨架，以信息化、自动化、数字化、互动化为特征的‘四化’电网；美国的智能电网是以超导技术为支撑，以低线损、低电磁污染为显著特征，代表了世界尖端科技方向的电网。”肖立业说。

科学技术竞争是国家间竞争的主要形式之一，中美两国在智能电网上的竞争不可避免。美国虽然占了超导技术的优势，中国却也不必妄自菲薄，因为中国的特高压输电技术已领先于世界。

2009年，时任美国商务部部长的骆家辉访问中国时，就曾公开表示：“看到中国国家电网公司在特高压方面取得了这么大的进展，希望能够分享经验。不但我们想分享，我相信世界其他国家也有这种意愿。”

一个很浅显的道理是，中美两国如果能就超导电力技术和特高压输电技术展开合作，那么共赢的局面将唾手可得，智能电网的未来也会因此而更加令人期待。