超導電力技術(shù)及其發(fā)展前景探討

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1超導電力技術(shù)的現(xiàn)狀及優(yōu)勢

1.1超導電力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

超導電力技術(shù)主要是利用超導體能夠?qū)崿F(xiàn)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?shù)膿p耗。目前，超導電力技術(shù)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(fā)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(nèi)進行轉(zhuǎn)換，相對傳統(tǒng)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(tǒng)中的應用可以有效保護各類電器設備的安全、穩(wěn)定運行，同時還能提升輸電容量，擴大電網(wǎng)規(guī)模。（2）高溫超導電纜。通過超導技術(shù)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(xiàn)代用電需求提供了良好的傳輸介質(zhì)。（3）超導儲能系統(tǒng)。風能、太陽能等新能源雖然具有清潔以及循環(huán)可再生等多種特點，但是這些系能源發(fā)電穩(wěn)定性較差，需要通過電能儲存系統(tǒng)來確保其穩(wěn)定并網(wǎng)。而傳統(tǒng)儲能設備性能較差，通過超導技術(shù)所制造的超導儲能系統(tǒng)具有更高的響應速度，同時可以根據(jù)需求對輸出功率進行靈活調(diào)整，使電網(wǎng)供電質(zhì)量全面提升。（4）超導電機。當前的變壓器、發(fā)電機及電動機單機容量相對較低，而且質(zhì)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(huán)境問題的巨大壓力之下具有更好的發(fā)展空間。

1.2超導電力技術(shù)的應用優(yōu)勢

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)了大量的問題，而超導電力技術(shù)有效克服了其中的大量問題，表現(xiàn)出了明顯的技術(shù)優(yōu)勢，具體如下：（1）短路電流會威脅到電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，而傳統(tǒng)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(tài)下為零阻抗，有效降低電能損耗，當短路故障發(fā)生后，其阻抗會迅速上升，且其容量上限比傳統(tǒng)限流設備大得多，能夠更好的保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。（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行大容量電能的輸送面臨著一定的技術(shù)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(fā)電并網(wǎng)可能會影響電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性，而通過超導儲能系統(tǒng)的應用，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）隨著土地資源問題的日漸凸顯，傳統(tǒng)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(shù)的發(fā)展方向分析

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

2.1電壓等級不斷提高。

超導電力技術(shù)最初的應用范圍主要集中在電壓等級較低的配電領(lǐng)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(shù)的深入研究，使其逐漸向輸電領(lǐng)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。

2.2超導電氣設備將會集成更多的功能，同時超導電力技術(shù)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(xiàn)，從當前的情況來看，中美兩國在這方面的研究明顯領(lǐng)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(fā)現(xiàn)，該裝置能夠在電網(wǎng)正常運行狀態(tài)下以超導儲能為主要作用進行運轉(zhuǎn)，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)短路過流故障，則切換為超導限流器功能，確保電網(wǎng)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。

2.3為新能源的并網(wǎng)發(fā)電提供技術(shù)保障服務。

通過超導技術(shù)的應用，避免系能源并網(wǎng)發(fā)電對電網(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)電能夠更好的進行并網(wǎng)，為解決日益嚴重的能源危機和環(huán)境問題提供了充分的技術(shù)支持。

2.4向超導直流輸電方向發(fā)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(tǒng)，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(tǒng)，充分驗證了超導直流輸電的可用性、高效性及經(jīng)濟性，超導輸電也是未來超導電力技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

3結(jié)束語

總而言之，以可再生能源發(fā)展為主導的能源結(jié)構(gòu)變革以及全球環(huán)境問題的日益加劇，無疑對未來電網(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方面提出了更高的要求。而基于超導體的超導電力技術(shù)，在面對這些挑戰(zhàn)時發(fā)揮出明顯的技術(shù)優(yōu)勢，這也使得其具有非常廣闊的發(fā)展前景，是未來電力技術(shù)發(fā)展的主要方向。

作者：付偉 苗斌 單位：國家廣電新聞出版總局七六三臺