超導材料在電力系統中的應用

劉雅萍

【摘 要】超導材料在電力系統中可以擴大電網的輸送，降低傳輸損耗，提高系統的運行穩定性，有效改善電能的質量，這樣有助于環境的保護。超導材料的發展有效的推動了超導應用技術的發展，這是新世紀電力技術中最具有潛力的應用之一。本文就對超導材料在電力系統中的應用進行深入探討。

【關鍵詞】超導；材料；電力；應用

超導材料自20世紀問世以來，研發的步伐加快，應用的領域也逐漸增多。由于超導材料在電學上具有許多出色的性能，所以在電力系統中應用廣泛。超導電力技術的應用不僅可以提升電力工業的發展水平，同時也引起了電力工業產品的重大變革。采用超導電力技術解決傳統電力工業發展出現的問題，是電力工業未來發展的方向。

1、超導材料

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

2、超導材料在電力系統中的應用

2.1超導電機

超導電機的基本結構和常規電機相似，主要由轉子、定子組成，只是還須有相應的低溫容器以使超導體處于超導態。超導電機一般可分為繞組型和塊材型兩種。所謂繞組型超導電機是指電機的定子繞組或轉子繞組由超導線繞制的線圈組成，而塊材型超導電機是指電機轉子由超導塊材組成。由于超導電機采用了超導體，超導電機的運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電機的端電壓，甚至可取消升壓變直接將發電機并入電網運行，而損耗要比普通發電機下降50%以上。與常規電機相比較，超導電機能夠承載更大的電流，產生更強的磁場，在輸出功率相同的情況下，超導發電機具有更高的發電效率，更小的重量和幾何尺寸。由于超導發電機的電抗約為普通發電機的1/4，它的使用將有利于改善電力系統的穩定性。

2.2高溫超導儲能裝置

由于高溫超導技術的突破和電力電子技術的發展，超導儲能系統已經在歐美一此國家的電力系統中得到初步的應用，SMES因具有無損儲能、快速吞吐和按系統要求在四象限范圍內對系統有功和無功功率進行調節的特點，提高了電力系統的動態特性、維持電網穩定、提高輸電能力和改善供電品質方向發揮了極其重要的作用。

2.2.1電磁儲能

線圈中通電時，其所存儲的能量與電流的平方和電感的乘積成正比，由于線圈導體有電阻，能量會以焦耳熱的形式消耗，而高溫超導在深冷狀態下電阻為零，不存在焦耳熱損耗，能量即可水久儲存。早在1978年美國就開始研究存儲能量為30MJ的超導電磁儲能設備，并于1984年并網運行，儲存的電能釋放時效率達到95%。現在的電力系統內，能夠實現大容量的儲能發電系統主要有抽水蓄能、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單安全運用最為廣泛，然而最具有潛能并且效率最高的還是高溫超導電磁儲能。

2.2.2飛輪儲能

飛輪儲能發電設備是僅次于抽水蓄能發電設備的一種大容量儲能系統，兩者基本原理結構形式類似：都采用發電電機。但抽水蓄能是在用電低谷時將水送至高處，待到用電高峰再用其發電。而飛輪儲能則是在用電低谷是將發電電動機作為電動機來驅動飛輪旋轉；電網負荷高峰時，發電機又被飛輪驅動來發電。飛輪儲存的能量與其轉速和轉動慣量成正比。采用高溫超導新材料制成的磁浮式推力軸承，可使飛輪和轉子等轉動部分在磁力懇浮狀態下無阻力高速旋轉。1991年日本開發的8MWh機組，儲能效率高達84%.超過抽水儲能和普通飛輪儲能（70%），其極高的穩定性和氏使用壽命使其成為儲能發電系統的發展方向。

2.3超導故障限流器

限流器是防止雷擊或異常大電流造成電力系統破壞的保護裝置。在電力系統工作正常時，限流器應是零阻抗，一旦發生異常，它的阻抗或導納應迅速變化以達到保護目的。其動作應完全自動，而且無差錯，因此，要求限流器能通過大電流并能耐高壓，具有單疇結構的氧化物超導塊材可以滿足這些要求。超導型故障限流器（superconductorfaultcurrentlimiter，簡稱SCFCL）主要是利用超導的臨界電特性，在發生故障時，使超導失超，瞬間恢復為常規導體。這一應用于20世紀70年代提出，到1983年法國阿爾斯通公司研制出交流金屬系超導線后，各研究機構才逐漸開始研究超導故障限流器。超導故障限流器的研究投資少，其應用可能會很快進入實用化，有可能是最先得到大規模實際應用的超導裝置。法國在2003年成功地利用熔融織構超導塊材加工成曲折線的形狀，制成橫截面積4mm2，長度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、超導材料在電力系統中的應用前景

長期以來，傳統電力系統的穩定性差和可靠性差問題一直存在，這也極大地影響了供電品質和經濟的發展。超導電力技術的出現，從技術上帶來了一系列的革新，第一減少了電力系統中電力輸送的損耗，大大低于傳統電網的損耗量；第二增強了電力系統輸送的能力，輸送能力達到原來的數十倍；第三電網故障短路問題大為減少，極大地提高了電網的安全性。另外，在應用超導電力技術之后，不但電網的輸送容量不大的問題得到了有效的改善，而且還提高了電能的質量，提高電網的穩定性和可靠性，甚至還減少了電網的占地面積，很大程度上降低了電網的建設費用，并使電網的實輸送能力大大提高。在21世紀，超導電力技術已經有了長足的發展，但要在電力系統中大規模應用，還需要進一步加強如下領域的研究：①對研究超導電力系統的潛能進一步挖掘，加大對其研究的投入，加快更新超導電力裝置，以求滿足各種環境下電力系統的要求，并且使超導體的優越性能全面地展現出來。②對于超導電力裝置的內部動態特性和與電力系統動態兩者的作用需要進一步研究，對應用超導裝置的電力系統規劃、運行、穩定、控制理論的研究，對其經濟性、可行性、技術優越性、安全可靠性等方面進行考證。③將超導材料和電力系統完美地結合在一起，同時加大對超導變壓器、超導儲能裝置的完善力度，還要對超導限流器和統一潮流控制器等進行積極的改進，力求使超導系統性能完美發揮出來，可以有效地提高電力系統的穩定性和安全性。④進一步對低溫冷卻技術進行試驗，主要對高效、高可靠性的低溫系統和傳導冷卻技術研究，還可以對低損耗的電流引線、磁體電源的控制和保護等進行試驗。⑤對超導材料進行積極的探索，研究更為實用的超導材料。重點研究生產成本低、易于加工、使用溫度高的新型超導體，同時要提高超導材料的性能，提高其機械特性和溫度適應性，這都對超導電力技術的實際應用具有十分重要的現實意義。

4、結語

超導材料經過了20多年的發展，其制備工藝與性能已經逐漸變得成熟，現已初步進入了大規模實際應用和產業化。由于節能環保、新材料、新能源為主題的未來發展趨勢，超導材料的潛在應用價值及市場是巨大的。同時對超導材料及其相關技術具有十分強烈的需求，它的進一步實用化還需要政府、科研院所和企業等各方力量的共同努力。可以預見，在強國強軍的道路上，超導材料將發揮越來越重要的作用。

參考文獻：

[1]劉漢賢.超導技術研究現狀及其應用展望[J].電瓷避雷器，2016（3）：51-55.

（作者單位：國網晉中供電公司）