超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)研究

姜新

[摘 要]21世紀(jì)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，其中，超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展引起了人們的高度重視，各個(gè)國(guó)家對(duì)該技術(shù)均進(jìn)行了系統(tǒng)探索?，F(xiàn)階段，對(duì)于電力工業(yè)來(lái)講，超導(dǎo)技術(shù)對(duì)電力行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展具有十分深遠(yuǎn)的影響?；诖耍疚纳钊敕治隽顺瑢?dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并研究了超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，希望為更多的業(yè)內(nèi)人士提供參考。

[關(guān)鍵詞]超導(dǎo)電力技術(shù);發(fā)展現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.24.077

[中圖分類號(hào)]F273;TM26[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1673-0194（2020）24-0-02

0? ? ?引 言

超導(dǎo)技術(shù)是一種尖端技術(shù)，隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，超導(dǎo)電力技術(shù)產(chǎn)生的實(shí)際價(jià)值與實(shí)際產(chǎn)值也在逐年提高，成為降低電力傳輸能耗，提高電力傳輸效率的重要方式與技術(shù)。在輸電過(guò)程中，超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)揮著重要作用，很多國(guó)內(nèi)外專家開(kāi)始深入研究該技術(shù)，他們認(rèn)為，在未來(lái)的社會(huì)發(fā)展中，超導(dǎo)電力技術(shù)勢(shì)必成為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的重要力量之一。我國(guó)也在不斷深入研究超導(dǎo)電力技術(shù)，很多文獻(xiàn)都涉及了國(guó)內(nèi)超導(dǎo)電力技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容?；诖?，筆者結(jié)合多年工作的經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)論述了我國(guó)超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)未來(lái)我國(guó)超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，希望能推動(dòng)我國(guó)超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)展。

1? ? ?超導(dǎo)電力技術(shù)概述

超導(dǎo)電力技術(shù)是一種新型的技術(shù)，指利用超導(dǎo)體的無(wú)阻高密度載流能力及超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)-正常態(tài)相變的物理特性發(fā)展起來(lái)的一門新的電力技術(shù)。超導(dǎo)電力技術(shù)最先在歐美國(guó)家受到關(guān)注，并得到了廣泛運(yùn)用。通俗地講，美國(guó)在應(yīng)用超導(dǎo)電力技術(shù)的過(guò)程中，結(jié)合了電網(wǎng)工程，加強(qiáng)了全國(guó)范圍的電網(wǎng)建設(shè)，之后，超導(dǎo)電力技術(shù)成為美國(guó)電網(wǎng)應(yīng)用的核心技術(shù)。我國(guó)的電力技術(shù)，特別是超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展水平，雖然和美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家存有很大差異，但是，我國(guó)相關(guān)研究人員通過(guò)多年的研發(fā)，已經(jīng)在超導(dǎo)電力技術(shù)運(yùn)用方面取得良好成績(jī)。目前，面對(duì)超導(dǎo)電力技術(shù)廣泛應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)勢(shì)必要將超導(dǎo)電力技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用置于電力事業(yè)發(fā)展的核心地位。

2? ? ?超導(dǎo)電力技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)裝置

2.1? ?大電流引線

超導(dǎo)體的運(yùn)行應(yīng)在4.2～77 K（K表示熱力學(xué)溫標(biāo)）的低溫條件下進(jìn)行，如果溫度差超過(guò)200 K，熱量將從高溫區(qū)侵入低溫區(qū)。隔熱層（如真空層）可以成功地抑制由于低溫杜瓦產(chǎn)生的熱量入侵。電流引線直接連接到低溫和高溫環(huán)境，且通過(guò)電流引線侵入的熱量在總熱量中占大多數(shù)。因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)較小，作為電流引線中的高溫超導(dǎo)體應(yīng)用能夠最大限度地減少低溫狀態(tài)下的熱量入侵。現(xiàn)階段，使用由高溫超導(dǎo)體和銅導(dǎo)體組成的二進(jìn)制電流引線，溫度高于液氮溫度范圍的部件應(yīng)使用銅導(dǎo)體，低于液氮溫度范圍的部件應(yīng)使用高溫超導(dǎo)體，這就是高溫超導(dǎo)電流引線。

2.2? ?高壓低溫絕緣套管

雖然超導(dǎo)體并沒(méi)有電阻，但低電壓依舊可用于大容量輸電，這并不意味著超導(dǎo)功率用不到高壓技術(shù)。目前，超導(dǎo)電力裝置的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，已逐步向高電壓發(fā)展，超導(dǎo)電纜電壓達(dá)到275 kV。超導(dǎo)電力裝置的電流引線套管需要經(jīng)過(guò)液氮（氦）、低溫氮（氦）、常溫的不同環(huán)境，且絕緣條件十分復(fù)雜。高電壓與低溫度絕緣套管的重要性將隨著電力裝置的實(shí)用性和規(guī)模化體現(xiàn)。

2.3? ?大功率電力電子轉(zhuǎn)換器

如果要實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間的互聯(lián)，需要有效應(yīng)用大功率電子電力轉(zhuǎn)流裝置?，F(xiàn)階段，脈沖寬度調(diào)制控制通過(guò)環(huán)流裝置可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)從吸收或向系統(tǒng)傳送有功功率與無(wú)功功率，有效提高超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)性能，然后深入探索效率較高、容量較大、諧波較低的環(huán)流裝置。

2.4? ?超導(dǎo)電力技術(shù)的相關(guān)課題

為了將超導(dǎo)電力技術(shù)廣泛運(yùn)用到電力系統(tǒng)中，需要相關(guān)研究人員結(jié)合下列內(nèi)容進(jìn)行深入研究。第一，從技術(shù)性能看，有效提升超導(dǎo)線材的技術(shù)性能，減少成本支出;第二，從超導(dǎo)電力裝置的角度看，注重優(yōu)化設(shè)計(jì)及改進(jìn)其電磁特性;第三，從系統(tǒng)角度看，深入研究超導(dǎo)電力裝置的導(dǎo)入對(duì)電力系統(tǒng)特性的影響以及電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性對(duì)超導(dǎo)裝置技術(shù)的要求;第四，從安全保護(hù)角度看，深入探究超導(dǎo)裝置與包含超導(dǎo)裝置的電力系統(tǒng)失超保護(hù)問(wèn)題;第五，從低溫角度看，有效提升冷卻效率，并提高可靠性。

3? ? ?我國(guó)超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1? ?高溫超導(dǎo)限流器的發(fā)展現(xiàn)狀

作為電力系統(tǒng)中至關(guān)重要的裝置，超導(dǎo)限流器對(duì)現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。超導(dǎo)限流器的主要作用是檢測(cè)與限制電流，具有觸發(fā)功能，這種裝置的阻抗變化范圍大，響應(yīng)時(shí)間短，速度快，這些優(yōu)勢(shì)決定了高溫超導(dǎo)限流器可以有效保護(hù)電氣設(shè)備，并保護(hù)供電的可靠性，進(jìn)而提高供電穩(wěn)定性。

3.2? ?高溫超導(dǎo)輸電的發(fā)展現(xiàn)狀

高溫超導(dǎo)輸電是超導(dǎo)技術(shù)中最直接的技術(shù)，也是電力超導(dǎo)技術(shù)的初期發(fā)展目標(biāo)。高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)的應(yīng)用可有效提高輸電效率，降低輸電損失，大量節(jié)省電力資源。這是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的必然選擇。

3.3? ?超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，能源已成為現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展過(guò)程中最重要的因素，也是現(xiàn)代各個(gè)國(guó)家之間競(jìng)爭(zhēng)的主要因素。能源具有多種形式，比如：太陽(yáng)能、潮汐能、風(fēng)能等，這類能源均屬于可再生能源，但是存在形式都不穩(wěn)定，想要實(shí)現(xiàn)合理運(yùn)用，就要將其轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的能源形式。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度較快、輸出功率較高、控制性比較靈活等特性，這些特性直接決定了其可以實(shí)現(xiàn)高效調(diào)度、適時(shí)動(dòng)態(tài)功率平衡，這對(duì)于提高電網(wǎng)供電質(zhì)量和儲(chǔ)存電能等具有重要的意義和價(jià)值。

3.4? ?超導(dǎo)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

超導(dǎo)電機(jī)是如今超導(dǎo)電力技術(shù)應(yīng)用的重要趨勢(shì)，通?？煞殖沙瑢?dǎo)變壓器與超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)兩種類型。不管是超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)還是超導(dǎo)變壓器，均具有占地小、容量高的特性，這決定了超導(dǎo)電力技術(shù)的價(jià)值。此外，超導(dǎo)電機(jī)還具有耗損小、重量輕的特征，在現(xiàn)代社會(huì)中得到了廣泛應(yīng)用。

4? ? ?超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用

4.1? ?超導(dǎo)電纜

電力電纜作為超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中非常有潛力的應(yīng)用載體，相同截面的超導(dǎo)電纜載流量一般是普通銅芯電纜的3～5倍，電能損耗小，重量輕。因此，對(duì)比普通電纜，超導(dǎo)電纜具有較大的輸送容量、損耗較小，可有效降低電網(wǎng)電壓等級(jí)。在人口密集的大城市，在供電電壓不變的條件下，需要在有限的空間中提高電力輸送容量，進(jìn)而滿足人們快速增長(zhǎng)的電力需求。

4.2? ?超導(dǎo)變壓器

如果超導(dǎo)材料代替銅當(dāng)作變壓器繞組，則可以有效減少變壓器重量，減少噪聲。另外，在低溫工作條件下，變壓器的使用年限不斷延長(zhǎng)，且能有效降低損耗，過(guò)載能力強(qiáng)，限制系統(tǒng)過(guò)流。

4.3? ?超導(dǎo)限流器

在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的限流器具有以下功能：在正常運(yùn)行過(guò)程中損耗較小，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障則要在瞬間限制短路電流，在故障電流消失之后立即恢復(fù)到正常狀態(tài)。具體而言，正常狀態(tài)下，超導(dǎo)限流器處在超導(dǎo)狀態(tài)，損耗較小;一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)立刻轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅瑢?dǎo)狀態(tài)，這類導(dǎo)電狀態(tài)的躍變可在小于1毫秒內(nèi)順利完成，從而限制短路電流，保障系統(tǒng)穩(wěn)定。電力系統(tǒng)中利用超導(dǎo)限流器后，系統(tǒng)設(shè)備的短路容量值不能減少，進(jìn)而有效提高電網(wǎng)的輸送容量，擴(kuò)大電力規(guī)模，節(jié)省設(shè)備投資。

5? ? ?超導(dǎo)電力技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

5.1? ?向高電壓等級(jí)方向發(fā)展

現(xiàn)階段，我國(guó)電力技術(shù)在配電網(wǎng)中得到了廣泛運(yùn)用，而專家對(duì)超導(dǎo)電力技術(shù)的深入研究，使超導(dǎo)電力技術(shù)飛速發(fā)展。從配電到輸電領(lǐng)域發(fā)展，從低壓等級(jí)向高電壓等級(jí)發(fā)展是電力技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此，我國(guó)應(yīng)參照國(guó)外成功轉(zhuǎn)型的經(jīng)驗(yàn)，確定我國(guó)超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展方向。

5.2? ?向集成化方向發(fā)展

新時(shí)期背景下，我國(guó)超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展雖然取得了很大進(jìn)步，但仍處于初級(jí)階段，超導(dǎo)裝備發(fā)展依舊不成熟，功能十分單一。伴隨超導(dǎo)電力技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，現(xiàn)有超導(dǎo)裝置已無(wú)法滿足超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展需求?；诖?，超導(dǎo)裝置向集成化轉(zhuǎn)變已成為必然趨勢(shì)，通過(guò)組裝超導(dǎo)裝置，能夠有效發(fā)揮超導(dǎo)電力技術(shù)的作用。

5.3? ?向超導(dǎo)直流方向發(fā)展

以往我國(guó)大都采用交流輸電方式輸電，原有的交流輸電模式在輸電中消耗大量能源，效率較低，超導(dǎo)直流輸電模式的功耗較小，效率較高，在同等條件下，超導(dǎo)直流的輸電模式具有較高的性價(jià)比。通過(guò)相關(guān)實(shí)踐可知，隨著超導(dǎo)電力技術(shù)的飛速發(fā)展，超導(dǎo)輸電勢(shì)必會(huì)向超導(dǎo)直流趨勢(shì)發(fā)展。

6? ? ?結(jié) 語(yǔ)

超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用極大地促進(jìn)了我國(guó)電力事業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展，有效降低了供電與輸電過(guò)程中的能量損耗，利用該技術(shù)可以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展具有重要意義和價(jià)值。超導(dǎo)電力技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展極大地改變了現(xiàn)代電力運(yùn)輸形式，有效降低了電能損耗，為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)提供了有力保障。

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