對(duì)超導(dǎo)電力技術(shù)及其發(fā)展前景的探討

付偉 苗斌

摘 要：近年來(lái)，高溫超導(dǎo)材料方面的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，技術(shù)的逐步成熟，使其在電力領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。如高溫超導(dǎo)輸電電纜、變壓器、故障電流限制器等示范樣機(jī)已經(jīng)成功研制并被投入到示范性生產(chǎn)試驗(yàn)中，超導(dǎo)技術(shù)以及逐漸發(fā)展成為21世紀(jì)具有戰(zhàn)略經(jīng)濟(jì)意義的高新技術(shù)。文章針對(duì)當(dāng)前超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及其發(fā)展前景進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；超導(dǎo)體；超導(dǎo)電力技術(shù)；發(fā)展

前言

超導(dǎo)電力技術(shù)是一門涉及電氣工程、物理學(xué)以及材料科學(xué)等多門學(xué)科的新興技術(shù)。超導(dǎo)電力技術(shù)所涉及的大部分關(guān)鍵技術(shù)的研究都屬于電工科學(xué)的研究范圍。超導(dǎo)技術(shù)與電工學(xué)科的結(jié)合，必然會(huì)使得電工科學(xué)與工程進(jìn)一步發(fā)展。

目前，隨著超導(dǎo)電力技術(shù)的逐步成熟，在大量電力裝備中得到了很好的應(yīng)用，比如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)變壓器等。同時(shí)，通過(guò)超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，還能很好的克服傳統(tǒng)技術(shù)的弊端，實(shí)現(xiàn)諸如超導(dǎo)故障電流限制器等新型電力設(shè)備。超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)提高電器設(shè)備的工作效率、儲(chǔ)能容量，降低電能損耗，提高電能質(zhì)量以及保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行方面發(fā)揮出了不可替代的作用，同時(shí)也為電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大提高了技術(shù)保障。

超導(dǎo)電力技術(shù)的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)使其具備了巨大的發(fā)展?jié)摿?，同時(shí)也是未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，電工科學(xué)與工程的主要研究方向之一，它代表了當(dāng)前國(guó)際科技發(fā)展的主要方向，超導(dǎo)電力技術(shù)的深入研究對(duì)促進(jìn)電力工程學(xué)科的快速發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 超導(dǎo)電力技術(shù)的現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

1.1 超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

超導(dǎo)電力技術(shù)主要是利用超導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)零電阻的特點(diǎn)進(jìn)行各類超導(dǎo)電力設(shè)備的制造，而零電阻這一特性可以有效降低電能傳輸?shù)膿p耗。目前，超導(dǎo)電力技術(shù)主要在以下幾個(gè)方面得到了具體的應(yīng)用[1]：

（1）高溫超導(dǎo)限流器。高溫超導(dǎo)限流器將檢測(cè)、觸發(fā)等多項(xiàng)功能集于一身，其阻抗能夠在從零開(kāi)始的極大范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，相對(duì)傳統(tǒng)限流器，其響應(yīng)和恢復(fù)的速度更快。高溫超導(dǎo)限流器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用可以有效保護(hù)各類電器設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)還能提升輸電容量，擴(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模。

（2）高溫超導(dǎo)電纜。通過(guò)超導(dǎo)技術(shù)制造的高溫超導(dǎo)電力可以大幅度提升輸電的密度，加上其零電阻的特性，能夠有效降低線損，為滿足現(xiàn)代用電需求提供了良好的傳輸介質(zhì)。

（3）超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)。風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源雖然具有清潔以及循環(huán)可再生等多種特點(diǎn)，但是這些系能源發(fā)電穩(wěn)定性較差，需要通過(guò)電能儲(chǔ)存系統(tǒng)來(lái)確保其穩(wěn)定并網(wǎng)。而傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備性能較差，通過(guò)超導(dǎo)技術(shù)所制造的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更高的響應(yīng)速度，同時(shí)可以根據(jù)需求對(duì)輸出功率進(jìn)行靈活調(diào)整，使電網(wǎng)供電質(zhì)量全面提升。

（4）超導(dǎo)電機(jī)。當(dāng)前的變壓器、發(fā)電機(jī)及電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量相對(duì)較低，而且質(zhì)量大、對(duì)電能的損耗也較大，而超導(dǎo)電機(jī)剛好克服了這些缺點(diǎn)，這使得其能夠在面臨資源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的巨大壓力之下具有更好的發(fā)展空間。

1.2 超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模、容量等方面要求的不斷提升，系統(tǒng)出現(xiàn)了大量的問(wèn)題，而超導(dǎo)電力技術(shù)有效克服了其中的大量問(wèn)題，表現(xiàn)出了明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體如下[2]：

（1）短路電流會(huì)威脅到電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，而傳統(tǒng)限流設(shè)備的限流效果并不理想，而且缺少自動(dòng)復(fù)位功能，雖然SF6斷路器能夠在短路電流增加的情況下及時(shí)切斷故障線路，但是當(dāng)短路電流超過(guò)63kA之后，其限流保護(hù)功能會(huì)受到極大的影響。而超導(dǎo)限流器在正常狀態(tài)下為零阻抗，有效降低電能損耗，當(dāng)短路故障發(fā)生后，其阻抗會(huì)迅速上升，且其容量上限比傳統(tǒng)限流設(shè)備大得多，能夠更好的保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。（2）隨著城市的發(fā)展，用電規(guī)模不斷增加，傳統(tǒng)的電纜在小空間中進(jìn)行大容量電能的輸送面臨著一定的技術(shù)瓶頸，而超導(dǎo)電纜的應(yīng)用能夠有效降低線損，并提高城市空間的利用效率。（3）風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電并網(wǎng)可能會(huì)影響電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，而通過(guò)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠有效改善電能質(zhì)量，提高并網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。（4）隨著土地資源問(wèn)題的日漸凸顯，傳統(tǒng)電氣設(shè)備占用空間大的弊端越來(lái)越突出，為了提高土地面積的利用效率，可以通過(guò)超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器等超導(dǎo)電氣設(shè)備的應(yīng)用來(lái)提高土地資源的利用效率。

2 超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展方向分析

近年來(lái)，隨著能源危機(jī)及環(huán)境問(wèn)題的日漸突出，加上城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，電力行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電力技術(shù)很難適應(yīng)這種挑戰(zhàn)，對(duì)此需要通過(guò)新的能源發(fā)電及新的電力技術(shù)的應(yīng)用來(lái)滿足這一需求。而超導(dǎo)電力技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)能夠很好的滿足這一需求，同時(shí)也已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。從社會(huì)的發(fā)展情況來(lái)看，超導(dǎo)電力技術(shù)主要會(huì)朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展[3]：

（1）電壓等級(jí)不斷提高。超導(dǎo)電力技術(shù)最初的應(yīng)用范圍主要集中在電壓等級(jí)較低的配電領(lǐng)域，且其輸電距離比較短。而隨著近年來(lái)各國(guó)對(duì)超導(dǎo)電力技術(shù)的深入研究，使其逐漸向輸電領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。比如，美國(guó)基于第二代高溫材料對(duì)三相電阻型機(jī)飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器進(jìn)行了研究；韓國(guó)也在加強(qiáng)高溫超導(dǎo)輸電方面的研究工作。（2）超導(dǎo)電氣設(shè)備將會(huì)集成更多的功能，同時(shí)超導(dǎo)電力技術(shù)的原理也會(huì)更加多元化。超導(dǎo)電氣設(shè)備會(huì)將更多的功能集成到一種裝置上實(shí)現(xiàn)，從當(dāng)前的情況來(lái)看，中美兩國(guó)在這方面的研究明顯領(lǐng)先于其他國(guó)家，其中中國(guó)科學(xué)院電工研究所遭災(zāi)2006年就研制成功了同時(shí)集成超導(dǎo)限流、超導(dǎo)儲(chǔ)能等多項(xiàng)功能于一體的超導(dǎo)限流儲(chǔ)能裝置，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該裝置能夠在電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下以超導(dǎo)儲(chǔ)能為主要作用進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)短路過(guò)流故障，則切換為超導(dǎo)限流器功能，確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行；從美國(guó)方面來(lái)看，其將超導(dǎo)限流功能集成到超導(dǎo)電纜中，使得額其額定電壓達(dá)到13.8kV，額定電流也達(dá)到了4000A，相對(duì)當(dāng)前使用的超導(dǎo)電纜具有更高的容量和電壓等級(jí)。（3）為新能源的并網(wǎng)發(fā)電提供技術(shù)保障服務(wù)。通過(guò)超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，避免系能源并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，從而在保證電網(wǎng)穩(wěn)定性的條件下，使各類新能源發(fā)電能夠更好的進(jìn)行并網(wǎng)，為解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題提供了充分的技術(shù)支持。（4）向超導(dǎo)直流輸電方向發(fā)展。相對(duì)于超導(dǎo)交流輸電來(lái)說(shuō)，超導(dǎo)直流輸電過(guò)程中，因?yàn)椴淮嬖诮涣鲹p耗問(wèn)題而具有更高的輸電效率。當(dāng)輸電容量相同時(shí)，直流輸電具有更高的輸電性價(jià)比。目前，中日兩國(guó)在超導(dǎo)直流輸電方面進(jìn)行非常深入的研究和實(shí)驗(yàn)工作，其中，中國(guó)科學(xué)院電工所當(dāng)前在建的用于電解鋁廠工地那的超導(dǎo)示范系統(tǒng)，通過(guò)采用超導(dǎo)直流輸電方式，其額定電流達(dá)到了10kA，且傳輸距離達(dá)到380m；而日本的中部大學(xué)也建成了額定電流達(dá)到2kA，傳輸距離達(dá)到200m的超導(dǎo)直流輸電線纜。通過(guò)這些示范系統(tǒng)，充分驗(yàn)證了超導(dǎo)直流輸電的可用性、高效性及經(jīng)濟(jì)性，超導(dǎo)輸電也是未來(lái)超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，以可再生能源發(fā)展為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)變革以及全球環(huán)境問(wèn)題的日益加劇，無(wú)疑對(duì)未來(lái)電網(wǎng)的輸送容量、安全穩(wěn)定性、電能質(zhì)量以及綜合效率等多個(gè)方面提出了更高的要求。而基于超導(dǎo)體的超導(dǎo)電力技術(shù)，在面對(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)發(fā)揮出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這也使得其具有非常廣闊的發(fā)展前景，是未來(lái)電力技術(shù)發(fā)展的主要方向。

參考文獻(xiàn)

[1]陳中，肖立業(yè)，王海風(fēng).超導(dǎo)電力技術(shù)在未來(lái)智能電網(wǎng)應(yīng)用研究[J].電工電能新技術(shù)，2010（1）：49-53.

[2]陳中，肖立業(yè)，王海風(fēng).超導(dǎo)電力技術(shù)在未來(lái)智能電網(wǎng)應(yīng)用研究[J].電工文摘，2010（3）：11-15.

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