超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉雅萍

【摘 要】超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中可以擴(kuò)大電網(wǎng)的輸送，降低傳輸損耗，提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，有效改善電能的質(zhì)量，這樣有助于環(huán)境的保護(hù)。超導(dǎo)材料的發(fā)展有效的推動(dòng)了超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，這是新世紀(jì)電力技術(shù)中最具有潛力的應(yīng)用之一。本文就對(duì)超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討。

【關(guān)鍵詞】超導(dǎo)；材料；電力；應(yīng)用

超導(dǎo)材料自20世紀(jì)問(wèn)世以來(lái)，研發(fā)的步伐加快，應(yīng)用的領(lǐng)域也逐漸增多。由于超導(dǎo)材料在電學(xué)上具有許多出色的性能，所以在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用不僅可以提升電力工業(yè)的發(fā)展水平，同時(shí)也引起了電力工業(yè)產(chǎn)品的重大變革。采用超導(dǎo)電力技術(shù)解決傳統(tǒng)電力工業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問(wèn)題，是電力工業(yè)未來(lái)發(fā)展的方向。

1、超導(dǎo)材料

超導(dǎo)材料具有常規(guī)材料不具備的3個(gè)基本特征，即零電阻、完全抗磁性、宏觀量子效應(yīng)。這在提高電力系統(tǒng)電力傳輸效率、減少電磁損耗等方INI擁有很大幫助。與傳統(tǒng)的超低溫超導(dǎo)材料所需的極低溫度（23K）不同，高溫超導(dǎo)材料所需要的溫度要高很多，可以采用液氮來(lái)致冷，取代了昂貴的液氦，也使得深冷系統(tǒng)的效率提高了50倍。大大緩解了溫度對(duì)超導(dǎo)材料應(yīng)用的限制。目前發(fā)現(xiàn)的Bi系、Y系、T1系和Hg系超導(dǎo)體，都已基本達(dá)到電力系統(tǒng)的應(yīng)用要求，但T1系和Hg系含有有毒元素，目前使用的Y系和B系帶材已經(jīng)用來(lái)制造電纜、變壓器等電力設(shè)備。

2、超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1超導(dǎo)電機(jī)

超導(dǎo)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和常規(guī)電機(jī)相似，主要由轉(zhuǎn)子、定子組成，只是還須有相應(yīng)的低溫容器以使超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)。超導(dǎo)電機(jī)一般可分為繞組型和塊材型兩種。所謂繞組型超導(dǎo)電機(jī)是指電機(jī)的定子繞組或轉(zhuǎn)子繞組由超導(dǎo)線繞制的線圈組成，而塊材型超導(dǎo)電機(jī)是指電機(jī)轉(zhuǎn)子由超導(dǎo)塊材組成。由于超導(dǎo)電機(jī)采用了超導(dǎo)體，超導(dǎo)電機(jī)的運(yùn)行電流密度和磁通密度都大大地提高了，這一方面大幅度減小了定子鐵芯的尺寸，有利于提高定了繞組的絕緣水平，另一方面也提高了發(fā)電機(jī)的端電壓，甚至可取消升壓變直接將發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行，而損耗要比普通發(fā)電機(jī)下降50%以上。與常規(guī)電機(jī)相比較，超導(dǎo)電機(jī)能夠承載更大的電流，產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)，在輸出功率相同的情況下，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)具有更高的發(fā)電效率，更小的重量和幾何尺寸。由于超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的電抗約為普通發(fā)電機(jī)的1/4，它的使用將有利于改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置

由于高溫超導(dǎo)技術(shù)的突破和電力電子技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)在歐美一此國(guó)家的電力系統(tǒng)中得到初步的應(yīng)用，SMES因具有無(wú)損儲(chǔ)能、快速吞吐和按系統(tǒng)要求在四象限范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)有功和無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，提高了電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、維持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高輸電能力和改善供電品質(zhì)方向發(fā)揮了極其重要的作用。

2.2.1電磁儲(chǔ)能

線圈中通電時(shí)，其所存儲(chǔ)的能量與電流的平方和電感的乘積成正比，由于線圈導(dǎo)體有電阻，能量會(huì)以焦耳熱的形式消耗，而高溫超導(dǎo)在深冷狀態(tài)下電阻為零，不存在焦耳熱損耗，能量即可水久儲(chǔ)存。早在1978年美國(guó)就開(kāi)始研究存儲(chǔ)能量為30MJ的超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能設(shè)備，并于1984年并網(wǎng)運(yùn)行，儲(chǔ)存的電能釋放時(shí)效率達(dá)到95%?，F(xiàn)在的電力系統(tǒng)內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量的儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)主要有抽水蓄能、壓縮空氣蓄能、飛輪蓄能和電磁蓄能四種，其中抽水蓄能因其簡(jiǎn)單安全運(yùn)用最為廣泛，然而最具有潛能并且效率最高的還是高溫超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能。

2.2.2飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能發(fā)電設(shè)備是僅次于抽水蓄能發(fā)電設(shè)備的一種大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)，兩者基本原理結(jié)構(gòu)形式類似：都采用發(fā)電電機(jī)。但抽水蓄能是在用電低谷時(shí)將水送至高處，待到用電高峰再用其發(fā)電。而飛輪儲(chǔ)能則是在用電低谷是將發(fā)電電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)；電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)，發(fā)電機(jī)又被飛輪驅(qū)動(dòng)來(lái)發(fā)電。飛輪儲(chǔ)存的能量與其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比。采用高溫超導(dǎo)新材料制成的磁浮式推力軸承，可使飛輪和轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)部分在磁力懇浮狀態(tài)下無(wú)阻力高速旋轉(zhuǎn)。1991年日本開(kāi)發(fā)的8MWh機(jī)組，儲(chǔ)能效率高達(dá)84%.超過(guò)抽水儲(chǔ)能和普通飛輪儲(chǔ)能（70%），其極高的穩(wěn)定性和氏使用壽命使其成為儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2.3超導(dǎo)故障限流器

限流器是防止雷擊或異常大電流造成電力系統(tǒng)破壞的保護(hù)裝置。在電力系統(tǒng)工作正常時(shí)，限流器應(yīng)是零阻抗，一旦發(fā)生異常，它的阻抗或?qū)Ъ{應(yīng)迅速變化以達(dá)到保護(hù)目的。其動(dòng)作應(yīng)完全自動(dòng)，而且無(wú)差錯(cuò)，因此，要求限流器能通過(guò)大電流并能耐高壓，具有單疇結(jié)構(gòu)的氧化物超導(dǎo)塊材可以滿足這些要求。超導(dǎo)型故障限流器（superconductorfaultcurrentlimiter，簡(jiǎn)稱SCFCL）主要是利用超導(dǎo)的臨界電特性，在發(fā)生故障時(shí)，使超導(dǎo)失超，瞬間恢復(fù)為常規(guī)導(dǎo)體。這一應(yīng)用于20世紀(jì)70年代提出，到1983年法國(guó)阿爾斯通公司研制出交流金屬系超導(dǎo)線后，各研究機(jī)構(gòu)才逐漸開(kāi)始研究超導(dǎo)故障限流器。超導(dǎo)故障限流器的研究投資少，其應(yīng)用可能會(huì)很快進(jìn)入實(shí)用化，有可能是最先得到大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的超導(dǎo)裝置。法國(guó)在2003年成功地利用熔融織構(gòu)超導(dǎo)塊材加工成曲折線的形狀，制成橫截面積4mm2，長(zhǎng)度200～300mm的電阻型限流器，在1kV電壓下將11000A的故障電流成功地限制到740A。

3、超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性差和可靠性差問(wèn)題一直存在，這也極大地影響了供電品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。超導(dǎo)電力技術(shù)的出現(xiàn)，從技術(shù)上帶來(lái)了一系列的革新，第一減少了電力系統(tǒng)中電力輸送的損耗，大大低于傳統(tǒng)電網(wǎng)的損耗量；第二增強(qiáng)了電力系統(tǒng)輸送的能力，輸送能力達(dá)到原來(lái)的數(shù)十倍；第三電網(wǎng)故障短路問(wèn)題大為減少，極大地提高了電網(wǎng)的安全性。另外，在應(yīng)用超導(dǎo)電力技術(shù)之后，不但電網(wǎng)的輸送容量不大的問(wèn)題得到了有效的改善，而且還提高了電能的質(zhì)量，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，甚至還減少了電網(wǎng)的占地面積，很大程度上降低了電網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)用，并使電網(wǎng)的實(shí)輸送能力大大提高。在21世紀(jì)，超導(dǎo)電力技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但要在電力系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)如下領(lǐng)域的研究：①對(duì)研究超導(dǎo)電力系統(tǒng)的潛能進(jìn)一步挖掘，加大對(duì)其研究的投入，加快更新超導(dǎo)電力裝置，以求滿足各種環(huán)境下電力系統(tǒng)的要求，并且使超導(dǎo)體的優(yōu)越性能全面地展現(xiàn)出來(lái)。②對(duì)于超導(dǎo)電力裝置的內(nèi)部動(dòng)態(tài)特性和與電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)兩者的作用需要進(jìn)一步研究，對(duì)應(yīng)用超導(dǎo)裝置的電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行、穩(wěn)定、控制理論的研究，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性、可行性、技術(shù)優(yōu)越性、安全可靠性等方面進(jìn)行考證。③將超導(dǎo)材料和電力系統(tǒng)完美地結(jié)合在一起，同時(shí)加大對(duì)超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的完善力度，還要對(duì)超導(dǎo)限流器和統(tǒng)一潮流控制器等進(jìn)行積極的改進(jìn)，力求使超導(dǎo)系統(tǒng)性能完美發(fā)揮出來(lái)，可以有效地提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。④進(jìn)一步對(duì)低溫冷卻技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，主要對(duì)高效、高可靠性的低溫系統(tǒng)和傳導(dǎo)冷卻技術(shù)研究，還可以對(duì)低損耗的電流引線、磁體電源的控制和保護(hù)等進(jìn)行試驗(yàn)。⑤對(duì)超導(dǎo)材料進(jìn)行積極的探索，研究更為實(shí)用的超導(dǎo)材料。重點(diǎn)研究生產(chǎn)成本低、易于加工、使用溫度高的新型超導(dǎo)體，同時(shí)要提高超導(dǎo)材料的性能，提高其機(jī)械特性和溫度適應(yīng)性，這都對(duì)超導(dǎo)電力技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4、結(jié)語(yǔ)

超導(dǎo)材料經(jīng)過(guò)了20多年的發(fā)展，其制備工藝與性能已經(jīng)逐漸變得成熟，現(xiàn)已初步進(jìn)入了大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。由于節(jié)能環(huán)保、新材料、新能源為主題的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，超導(dǎo)材料的潛在應(yīng)用價(jià)值及市場(chǎng)是巨大的。同時(shí)對(duì)超導(dǎo)材料及其相關(guān)技術(shù)具有十分強(qiáng)烈的需求，它的進(jìn)一步實(shí)用化還需要政府、科研院所和企業(yè)等各方力量的共同努力。可以預(yù)見(jiàn)，在強(qiáng)國(guó)強(qiáng)軍的道路上，超導(dǎo)材料將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉漢賢.超導(dǎo)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用展望[J].電瓷避雷器，2016（3）：51-55.

（作者單位：國(guó)網(wǎng)晉中供電公司）