超导电力技术及其发展前景

吴稀西，李占林，肖曼，吴亚彬

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

1 引言

1911年荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯Heike Kamerlingh Onnes发现超导现象，即将汞冷却到－268.98℃时，汞的电阻会突然消失。随后的研究中他发现许多金属和合金都具有与汞相类似的低温下失去电阻的特性。经过100年的发展，超导电力技术已经有了深入的发展，被广泛的研究应用于电力行业。

2 国内外研究现状

2.1 国外现状

目前研究超导电力技术走在前列的有美国、俄罗斯、日本、韩国等。美国Brookhaven国家实验室和Los Alamos国家实验室先后于1985年研制出同轴Nb3Sn交流电缆和直流Nb3Sn电缆，额定电压分别为135kV和100kV，额定容量分别为1000和5000MVA；在此之前的1982年，Los Alamos国家实验室还研制出超导储能系统（SMES），其储能量达30MJ，并示范的应用于电力系统，结果表明了该超导储能系统可以调制低频干扰信号，消除电网的低频振荡；2006年，美国超导公司（AMSC）研制出高温超导电缆并投入实际运行，其额定电压达138kV，该公司还研制出额定功率达36.5MW的高温超导电动机和额定容量为10MVA的超导同步调相机；日本东芝于1994年研制出超导限流器（FCL）；日本通产省于1998年利用NbTi超导线研制出超导发电机，其额定功率达 70MW［1，2］。

2.2 国内研究现状

国内方面，在超导电力技术方面开展研究的单位有中国科学院电工研究所、清华大学、华中科大、中国电科院及北京云电英纳超导电缆公司等。其中，中科院电工所于1998年研制出我国第一根高温超导电缆，1999年我国第一台微型超导储能样机问世；2002年，新型高温超导限流器被成功研制出；2003年研制出交流高温超导电缆系统；2003年，研制出我国第一台高温超导变压器；并先后研制出高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导储能系统和高温超导变压器［3，4］。

3 超导电力技术的研究应用及优势

超导电力技术的根本原理是利用超导体在特殊情况下可以达到零电阻这一特性，研制各种超导设备。目前，超导电力技术主要的研究应用有以下几个方面［4］:

（1）高温超导限流器。超导限流器具有检测、触发和限流的功能其，阻抗可以在零和很大值之间转换，反应和恢复的速度都较快。研制应用超导限流器可以达到保护电气设备、改善供电可靠性的目的，并且可以增加输电容量，以及提高电网的稳定性。

（2）高温超导输电。利用高温超导电缆可以大大提高输电密度，降低输电损失，减少城市输电用地，适应现代城市用电的发展。

（3）超导储能系统。风能、潮汐能、太阳能等可再生能源具有间歇性和不稳定性等缺点，这就要求可再生能源必须与电能储存系统同时应用才可以实现稳定并网。而超导储能系统自身特有的响应速度快、功率高、输出功率可灵活控制等优点决定了它可以实现高效调度和实时动态功率平衡，在提高电网供电质量方面发挥重要作用。

（4）超导电机。包括超导变压器、超导电动机。超导电机，不管是变压器、发电机还是电动机，都具有极限单机容量高的特点，并且损耗小、体积小、重量轻，这使它们在土地资源日益紧张、环境压力剧增的今天具有独特的优势。

随着电力系统朝着大容量、大规模、长距离、高电压方面发展，系统出现了很多问题，而超导电力技术的优势就逐渐凸显出来，如［4，5］:

（1）短路电流的增大可能导致电力系统的崩溃，而实际中的限流设备效果不佳，并且快速熔丝缺少自动复位功能，虽然SF6断路器可以用来切开故障线路，但其容量有限，约为63kA，采用超导限流器，可以有效解决这一问题，超导限流器在正常时阻抗为零，故障时呈现一个大阻抗，并且集检测、触发和限流于一体，反应和恢复速度快；

（2）随着城市用电量的增大，依靠以往的电缆在较小的空间输送大容量的电能已经遇到瓶颈，而采用超导输电可以大大提高空间利用率，并且降低网损；

（3）各种新能源的并网，对大电网的动态稳定性提出了更高的要求，而超导储能系统反应速度快、转换效率高的特点可以满足这个要求，能够改善电能质量，提高供电可靠性；

（4）常规电气设备占地面积较大，在土地资源日益紧张的今天，有效减少用电占地面积也是一个不得不考虑的问题，采用超导电缆、超导变压器及超导电机，都可以减少用地面积。

4 超导电力技术的发展方向

近年来，世界石化资源愈来愈紧张，环境压力也越来越大，人口城市化进程也加快，这就要求电力行业必须发展新的发电能源及并网和传输技术，来适应时代的需求。由于超导电力技术具有上述优点，可以适应电力行业未来发展的需要，并且已经取得了长足的进步。文献［3］指出超导电力技术的发展主要有以下几个方向:

（1）向高电压等级发展，即从配电向输电发展。超导电力技术最初的示范及应用都是在配电系统领域，电压等级较低，输电距离都较短。近年来，各国都已把超导电力技术推向了输电领域，例如，荷兰已开始额定电压达50kV的超导电缆的研究［6］；韩国也在推进高温超导输电的进程［7］；美国开始了基于第二代高温超导材料的三项电阻型及饱和铁心型的高温超导限流器的研制工作。

（2）超导装置向功能集成化方向发展，并且超导电力技术的原理愈加多样化。所谓功能集成化是指，在一种装置上实现两种或多种功能，美国和中国在这方面走在前端:美国已开展用于连接两座变电站的超导限流电缆的研制工作，该电缆集传输功能和超导限流功能于一体，额定电压达 13.8kV，额定电流达4000A［8］。而中科院电工研究所已于2006年研制出一台集超导限流器和超导储能系统于一体的超导限流储能系统［3］，该系统在电网正常运行时作为超导储能系统发挥作用，当电网发生短路故障时，作为超导限流器发挥作用。

（3）为可再生能源发电并网服务。利用超导电力技术，可以解决各种新能源本身具有的间歇性、不稳定性的缺陷，使之在保持电网的稳定性的前提下更好的接入电网，从而为能源危机和环境压力开辟了新的道路。

（4）超导输电可能向超导直流方向发展［3］。与超导交流相比，超导直流输电效率更高，因为它没有交流损耗；并且在相同的输电容量下，直流比交流具有更高的性价比。中国和日本在超导直流输电方面都开展了实验，中科院电工所在建的用于电解铝厂供电的示范系统，额定电流为10kA，长380m，采用超导直流输电；日本已建成超导直流输电电缆试验线，该线长200m，额定电流2kA，由日本中部大学于2010年建成。

5 超导电力技术的前景及结论

5.1 前景

利用超导体零电阻特性发展起来的超导电力技术，是一项非常前沿的技术，具有革命性，连美国能源部都称其为电力工业在21世纪唯一的高技术储备。超导电力技术的应用有上文所述的几个方面:即超导输电电缆、超导限流器、超导储能系统及超导电机等。另外，由于风力发电机尺寸和重量的限制，使其功率容量遇到了瓶颈，鉴于超导电机单机容量大、重量轻的优点，其可能成为未来风力发电大型化和规模化的重要选择。

5.2 结论

由于超导电力技术由于具有自身独特的优点，在面对未来电网安全、电能质量、可再生能源接入、远距离大容量输电等方面的要求时，能充分发挥它的积极作用。在资源、环境、人口等各种压力与日俱增的今天，大力发展超导电力技术无疑是一个好的选择，超导电力技术凭借自身的优势，在未来电力工业中将起到越来越重要的作用。

［1］肖立业，林良真.超导电力技术即将带来电力工业的革命［J］.物理，2000，29:131.

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

［3］肖立业，林良真，戴少涛.新能源变革背景下的超导电力技术发展前景［J］.物理，2011，40（8）:500 －504.

［4］肖立业.超导电力技术的现状和发展趋势［J］.电网技术，2004，28（9）:33－37.

［5］肖立业.超导电力技术应用前景分析［J］.世界科技与研究发展，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.