對超導電力技術及其發展前景的探討

付偉 苗斌

摘 要：近年來，高溫超導材料方面的研究取得了長足的進步，技術的逐步成熟，使其在電力領域得到了廣泛的應用和關注。如高溫超導輸電電纜、變壓器、故障電流限制器等示范樣機已經成功研制并被投入到示范性生產試驗中，超導技術以及逐漸發展成為21世紀具有戰略經濟意義的高新技術。文章針對當前超導電力技術的發展狀況及其發展前景進行了探討。

關鍵詞：電力系統；超導體；超導電力技術；發展

前言

超導電力技術是一門涉及電氣工程、物理學以及材料科學等多門學科的新興技術。超導電力技術所涉及的大部分關鍵技術的研究都屬于電工科學的研究范圍。超導技術與電工學科的結合，必然會使得電工科學與工程進一步發展。

目前，隨著超導電力技術的逐步成熟，在大量電力裝備中得到了很好的應用，比如超導電纜、超導電機、超導變壓器等。同時，通過超導技術的應用，還能很好的克服傳統技術的弊端，實現諸如超導故障電流限制器等新型電力設備。超導電力技術的應用，對提高電器設備的工作效率、儲能容量，降低電能損耗，提高電能質量以及保證電力系統的安全穩定運行方面發揮出了不可替代的作用，同時也為電網規模的不斷擴大提高了技術保障。

超導電力技術的獨有優勢使其具備了巨大的發展潛力，同時也是未來較長一段時間內，電工科學與工程的主要研究方向之一，它代表了當前國際科技發展的主要方向，超導電力技術的深入研究對促進電力工程學科的快速發展具有深遠的現實意義。

1 超導電力技術的現狀及優勢

1.1 超導電力技術發展現狀

超導電力技術主要是利用超導體能夠實現零電阻的特點進行各類超導電力設備的制造，而零電阻這一特性可以有效降低電能傳輸的損耗。目前，超導電力技術主要在以下幾個方面得到了具體的應用[1]：

（1）高溫超導限流器。高溫超導限流器將檢測、觸發等多項功能集于一身，其阻抗能夠在從零開始的極大范圍內進行轉換，相對傳統限流器，其響應和恢復的速度更快。高溫超導限流器在電力系統中的應用可以有效保護各類電器設備的安全、穩定運行，同時還能提升輸電容量，擴大電網規模。

（2）高溫超導電纜。通過超導技術制造的高溫超導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，為滿足現代用電需求提供了良好的傳輸介質。

（3）超導儲能系統。風能、太陽能等新能源雖然具有清潔以及循環可再生等多種特點，但是這些系能源發電穩定性較差，需要通過電能儲存系統來確保其穩定并網。而傳統儲能設備性能較差，通過超導技術所制造的超導儲能系統具有更高的響應速度，同時可以根據需求對輸出功率進行靈活調整，使電網供電質量全面提升。

（4）超導電機。當前的變壓器、發電機及電動機單機容量相對較低，而且質量大、對電能的損耗也較大，而超導電機剛好克服了這些缺點，這使得其能夠在面臨資源問題和環境問題的巨大壓力之下具有更好的發展空間。

1.2 超導電力技術的應用優勢

隨著現代電力系統規模、容量等方面要求的不斷提升，系統出現了大量的問題，而超導電力技術有效克服了其中的大量問題，表現出了明顯的技術優勢，具體如下[2]：

（1）短路電流會威脅到電力系統運行的穩定性，而傳統限流設備的限流效果并不理想，而且缺少自動復位功能，雖然SF6斷路器能夠在短路電流增加的情況下及時切斷故障線路，但是當短路電流超過63kA之后，其限流保護功能會受到極大的影響。而超導限流器在正常狀態下為零阻抗，有效降低電能損耗，當短路故障發生后，其阻抗會迅速上升，且其容量上限比傳統限流設備大得多，能夠更好的保證電力系統的穩定運行。（2）隨著城市的發展，用電規模不斷增加，傳統的電纜在小空間中進行大容量電能的輸送面臨著一定的技術瓶頸，而超導電纜的應用能夠有效降低線損，并提高城市空間的利用效率。（3）風能、太陽能等新能源發電并網可能會影響電網的動態穩定性，而通過超導儲能系統的應用，能夠有效改善電能質量，提高并網的穩定性和可靠性。（4）隨著土地資源問題的日漸凸顯，傳統電氣設備占用空間大的弊端越來越突出，為了提高土地面積的利用效率，可以通過超導電纜、超導變壓器等超導電氣設備的應用來提高土地資源的利用效率。

2 超導電力技術的發展方向分析

近年來，隨著能源危機及環境問題的日漸突出，加上城市化進程的不斷推進，電力行業面臨著巨大的挑戰。傳統的電力技術很難適應這種挑戰，對此需要通過新的能源發電及新的電力技術的應用來滿足這一需求。而超導電力技術以其獨有的優勢能夠很好的滿足這一需求，同時也已經取得了長足的進步。從社會的發展情況來看，超導電力技術主要會朝著以下幾個方向發展[3]：

（1）電壓等級不斷提高。超導電力技術最初的應用范圍主要集中在電壓等級較低的配電領域，且其輸電距離比較短。而隨著近年來各國對超導電力技術的深入研究，使其逐漸向輸電領域進行應用。比如，美國基于第二代高溫材料對三相電阻型機飽和鐵芯型高溫超導限流器進行了研究；韓國也在加強高溫超導輸電方面的研究工作。（2）超導電氣設備將會集成更多的功能，同時超導電力技術的原理也會更加多元化。超導電氣設備會將更多的功能集成到一種裝置上實現，從當前的情況來看，中美兩國在這方面的研究明顯領先于其他國家，其中中國科學院電工研究所遭災2006年就研制成功了同時集成超導限流、超導儲能等多項功能于一體的超導限流儲能裝置，通過試驗發現，該裝置能夠在電網正常運行狀態下以超導儲能為主要作用進行運轉，一旦電網出現短路過流故障，則切換為超導限流器功能，確保電網的安全運行；從美國方面來看，其將超導限流功能集成到超導電纜中，使得額其額定電壓達到13.8kV，額定電流也達到了4000A，相對當前使用的超導電纜具有更高的容量和電壓等級。（3）為新能源的并網發電提供技術保障服務。通過超導技術的應用，避免系能源并網發電對電網穩定性的影響，從而在保證電網穩定性的條件下，使各類新能源發電能夠更好的進行并網，為解決日益嚴重的能源危機和環境問題提供了充分的技術支持。（4）向超導直流輸電方向發展。相對于超導交流輸電來說，超導直流輸電過程中，因為不存在交流損耗問題而具有更高的輸電效率。當輸電容量相同時，直流輸電具有更高的輸電性價比。目前，中日兩國在超導直流輸電方面進行非常深入的研究和實驗工作，其中，中國科學院電工所當前在建的用于電解鋁廠工地那的超導示范系統，通過采用超導直流輸電方式，其額定電流達到了10kA，且傳輸距離達到380m；而日本的中部大學也建成了額定電流達到2kA，傳輸距離達到200m的超導直流輸電線纜。通過這些示范系統，充分驗證了超導直流輸電的可用性、高效性及經濟性，超導輸電也是未來超導電力技術發展的主要方向之一。

3 結束語

總而言之，以可再生能源發展為主導的能源結構變革以及全球環境問題的日益加劇，無疑對未來電網的輸送容量、安全穩定性、電能質量以及綜合效率等多個方面提出了更高的要求。而基于超導體的超導電力技術，在面對這些挑戰時發揮出明顯的技術優勢，這也使得其具有非常廣闊的發展前景，是未來電力技術發展的主要方向。

參考文獻

[1]陳中，肖立業，王海風.超導電力技術在未來智能電網應用研究[J].電工電能新技術，2010（1）：49-53.

[2]陳中，肖立業，王海風.超導電力技術在未來智能電網應用研究[J].電工文摘，2010（3）：11-15.

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