杨勇
浙江省电力试验研究所，浙江省杭州市 310014
1 引言
人类进入21世纪以后，超导技术应用将成为电力科技领域最具发展潜力的技术之一 。目前超导技术在电力系统中的应用已取得长足的进步，正迅速地由实验阶段转入实际的工程应用，将把电力科技的发展带入一个崭新的阶段。
早在1911年，荷兰物理学家Onnes首先发现在温度接近绝对零度即液态氦温度时(4K＝－269．2℃)，金属汞的电阻完全消失这一超导现象。以后人们一直在寻找具有更高温度的超导材料，可是直到1973年才发现了临界温度在23．2 K的铌锗合金（Nb3Ge）超导材料，临界温度从4 K上升到23．2 K整整花了62年时间。由于要获得液态氦非常困难，超导技术在电力系统中的应用始终处于实验阶段。
1988年超导材料的研究取得了重大突破，科学家Mueller和Bednorz发现一些多元素合金化合物在温度达到130 K（－143℃）时就呈现出超导特性，而要达到这一温度使用液态氮就能实现。二位科学家因此而获得了诺贝尔奖。因为液态氮的价格仅是液态氦的1／50左右，维持超导状态所需的冷却系统造价大大下降，为超导技术在电力系统中的应用创造了有利的条件。现在美国、日本以及欧洲一些主要工业国家都以极大的热情，投入了大量资金，积极开展超导技术在电力系统中的应用研究工作，并且已在超导电力设备的实用化方面取得了相当大的成果。
2 超导技术在电力系统中的应用
2.1 超导电缆
电力电缆是超导技术在电力系统中很有发展潜力的应用之一。相同截面的超导电缆载流量大约是普通铜芯电缆的3～5倍，电能损耗极小，而重量要轻得多。因此和普通电缆相比，超导电缆输送容量大、损耗小，电网的电压等级可以大大下降。人口稠密的大城市在供电电压不变的情况下，要在有限的空间内扩大电力输送容量以满足迅速增长的电力需要，在原有地下管道内用超导电缆替代常规的铜芯电缆是解决方案之一。3条单相长130 m、24 kV，输送电流达2．4 kA的超导电缆，现正在美国底特律市的Frisbie变电站敷设，这将是世界上第一条正式投入商业运行的超导电缆［1］。它的基本截面构造如图1所示。
这条超导电缆由世界最大的电缆制造商之一Pirelli电缆公司和美国超导公司ASC合作研制，其中关键的超导体是由银合金的陶瓷化合物BSCCO(铋-锶-钙-铜-氧化物)构成，这种带状超纯化合物在超导状态下的电流密度极高，尺寸仅4mm宽、0.2 mm厚。超导薄带绕在一柔性空心芯管上，外层覆盖有保温材料，最外层则是常温下的绝缘介质和保护外套。电缆中心是流动的液态氮制冷剂，要将超导体冷却至大约－200℃左右，电缆在运行中需要配备制冷维护系统。预计这条电缆将于2001年初正式投运，若结构设计采用低温绝缘介质，则输送容量将会进一步提高。此外，美国Southwire公司的12.5 kV/1.25 kA超导电缆即将在美国乔治亚州安装，日本东京电力公司的66 kV/2 kA超导电缆也已通过试验。
2.2 超导变压器
如果用超导材料替代铜来作变压器绕组，变压器的重量就会大大减轻，噪声大大减小，而且因不用变压器油而无火灾之忧，即使发生泄漏，液态氮蒸发到空气中对环境也无害，并且变压器工作在低温下其使用寿命要长得多，更重要的是进一步减少了损耗，过载能力强且对系统过流有限制作用。美国Waukesha公司在1997年就研制了1 MVA的超导变压器［2］，其结构如图2所示。
绕制线圈的超导材料采用极细的复合多芯线，高低压绕组均置于液态氮中，而铁芯则于处常温下。因液态氮的冷却成本较低，为简化结构，有的超导变压器将绕组和铁芯全部置于液氮容器内。还有的结构设计是在绕组导线中流动制冷剂。该公司已计划于2001年中期在美国威斯康新州投运一台正常容量5 MVA、过载容量10 MVA/26.4 kV的超导变压器。ABB公司的一台三相18.7 kV/630 kVA的超导变压器绕组也是采用BSCCO材料，液氮冷却温度为77 K，铁芯为常温，已在瑞士的日内瓦配电网中成功运行2年多时间。
2.3 超导电机
超导发电机具有更高的发电效率，更小的重量和几何尺寸。1977年美国电力研究院（EPRI)就开始1200MVA超导发电机的概念设计，1994年美国GE公司在美国能源部的资助下，开始100 MVA超导发电机的研制［3］。由于发电机采用超导转子其产生的磁场强度大大高于同容量普通发电机。这一方面大幅度减小了定子铁芯的尺寸，有利于提高定子绕组的绝缘水平，另一方面也提高了发电机的端电压，甚至可取消升压变直接将发电机并入电网运行 ，而损耗要比普通发电机下降50% 以上。普通发电机与概念设计的超导发电机尺寸及性能比较见图3和表1。
超导发电机的另一个突出特点是有利于改善系统的稳定性。一般来说，发电机的电抗越小，系统就越稳定。超导发电机的电抗大约只有普通发电机的1/4左右，因此在系统电抗相对较小时，系统的稳定极限增加了约4倍。
另外对超导电动机的实用化研究也取得很大进展，美国Reliance公司的150 kW、1 800 rpm超导电动机已通过试验，更大容量的745～3 730 kW超导电动机正在研制中。
2.4 超导限流器(SFCL)
在电力系统中使用的限流器应具有这样的功能：在正常运行时几乎没有损耗，而一旦系统发生故障时又能瞬间限制短路电流，当故障电流消失后又立即恢复正常状态。超导限流器就具有这样的功能。在正常情况下超导限流器处于超导状态，损耗极小；而在系统发生故障时又能立即转为非超导状态，这种导电状态的跃变可在小于1 ms内完成，进而限制短路电流维持系统稳定。电力系统采用超导限流器后系统设备的短路容量值可大为减少，从而增大电网的输送容量与规模，减少设备投资。
目前已有基于各种工作原理的超导限流器问世［4］，图4是一种磁屏蔽式超导限流器的基本结构。这种限流器实质上是一个次级绕组短路的变压器，系统电流通过初级绕组，次级绕组是一个超导环，它所产生的磁通几乎完全抵消了初级绕组产生的磁通，因此正常工作情况下的阻抗极小；系统故障时的短路电流将使次级绕组的电流密度超过临界值而不再超导，不能再抵消初级绕组产生的磁通，初级绕组阻抗变大而限制了短路电流；系统故障消失后又可恢复正常。
超导限流器是目前电力系统中应用较成功的超导电力设备，ABB公司的1.2 MVA磁屏蔽型三相超导限流器1997年就已投入实际运行，它可在几ms时间内将60 kA的短路电流限制到约700 A。美国Lockheed Martin公司研制的15 kV/20 kA超导限流器已于1999年在美国加州Edison变电站投入试验运行。
2.5 超导储能器(SMES)
超导储能是通过流过超导线圈的直流电建立磁场，将电能以LI2/2的电磁能形式储存于磁场中。释放能量时又将电磁能转换成交流电能，其能量的释放速度非常快，通常仅需几ms 。因为超导的直流电阻几乎为零，所以这种能量的储存不会有损耗，它的转换效率高达95%，而抽水储能的转换效率仅为70% 左右。因此，超导储能与抽水蓄能、蓄电池储能、飞轮储能等其他储能形式相比具有转换效率高、速度快，不受建造场地限制等优点。在大电网经济运行储能不足的情况下，具有很大的潜在市场。
由于超导储能器可向电网提供较大的瞬时功率，这对稳定系统电压、增加系统阻尼、提高系统的动态和静态稳定性也大有好处［5］。在美国就已有一个用30 MJ的超导储能器来消除大功率远距离输电网中低频振荡的实例［6］。典型的超导储能器一次系统简图如图5所示 。
在正常工作情况下，系统电流经大功率电子变换器转换成直流注入超导线圈，以电磁能形式储存起来，当电网出现波动时检测控制系统立即发出释放能量的信号，此时储存的能量在极短的时间内经变换器转化成交流电输出，以满足系统的要求。
目前，美国Wisconsin电力公司已在有特殊电压稳定要求的配电网中投运了6个针对用户的小型超导储能器，美国超导公司首次向奥地利一家铝厂出口的超导储能器也于2000年4月开始安装，以解决当地的电压波动问题。
3 结束语
综上所述，在电力系统中采用超导技术可增加电网的输送容量、降低损耗、提高系统运行的稳定性和可靠性、改善电能质量、有利于保护环境，具有非常广阔的应用前景。现在超导电缆、超导限流器、超导储能器和超导变压器已发展到工程实用阶段，超导发电机和超导电动机的研制也取得了重大进展，超导技术在电力系统中大规模应用的现实离我们已并不遥远。
我国的电力科技发展必须紧跟世界电力科技发展的步伐，随着三峡工程的建设，一个全国统一联网的格局即将出现。因此建议加强对超导限流器、超导储能器等可改善电网运行参数、有利于系统稳定且结构相对简单的超导电力设备的研制开发工作，争取在超导材料的研究开发、超导设备的结构设计、降低成本、经济运行等方面取得突破。这需要超导研究、电工制造和电力等部门的共同努力来早日实现。
参考文献
［1］George G．Advanced technologieslift the industry to a higher level［J］．Transmission＆Distribution World，1999，(1)．
［2］Rubin L．2001 Yearofthe superconductor［J］．Electric World，2000，(3/4)．
［3］Rabinowitz M．Superconducting power generation［J］.IEEE PowerEngineering Review，2000，(5)．
［4］叶林，林良真．超导故障限流器的电力应用研究进展［J］．电力系统自动化，1999，(4)．
［5］陈利军，马维新，冯之鑫．超导储能装置改善电力系统动态性能的研究［J］．清华大学学报(自然科学版)，1999，(3)．
［6］Buckles W，HassenzahlW V．Superconducting magneticenergystorage［J］.IEEE PowerEngineerReview，2000，(5)．
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