超导电工技术论文

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  篇一

  超导技术在电工领域的应用

  摘要:20世纪80年代到90年代期间,高温超导材料的发现使得其工程化应用成为可能。由于超导材料及相关技术在电力领域具有广阔的应用前景和市场价值,美国、日本、韩国和中国等国都在积极参与该技术领域的开发,已建立了多条示范线或开发了研究模型,超导电缆、超导变压器以及超导储能飞轮等众多模型或样机已问世。

  关键词:超导电缆;超导变压器;带材;钇系;铋系

  中图分类号:TM26 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2013)28-0043-03

  1986年,由瑞士IBM实验室的穆勒和贝德诺兹发现的高温超导材料(High Temperature Superconductor)给材料和电工领域注入了一股新的力量。1987年至1993年期间,相继发现了钇系、铋系、铊系和汞系超导材料,临界转变温度Tc也从92K(钇钡铜氧-YBa2Cu3Ox,简写YBCO)上升到130K以上(汞钡铜氧-Hg2Ba2Ca2Cu3Oy)。随后,研发焦点主要集中在高载流能力超导带材的开发上,以一代铋系(铋锶钙铜氧,Bi2Sr2Ca2Cu3Oy,Bi-2223)超导带材和二代YBCO涂层导体最为典型。由于损耗低、载流能力强,高温超导材料可用来制造效率更高、功率密度更强的电力器件,如超导储能装置、超强磁体、超导限流器和超导变压器等。此外,使用高温超导材料还具有无油、漏磁少等环境优势。

  鉴于超导材料及相关技术在电力领域广阔的应用前景和市场价值,美国、日本、韩国和中国等国都在积极参与该技术领域的开发,已建立了多条示范线或开发了研究模型,如超导电缆、超导变压器和超导电机等。然而,超导技术的大规模应用仍尚需时日。

  1 超导产品

  1.1 超导电缆

  超导电缆载流能力强、损耗低,在同样的安装条件下,占用体积更小,可用来改造或替换现有的地下电缆。近几年,超导电缆相关项目发展迅速。

  国际上:2006年7月20日,350m长、34.5kV/0.8kA、三相交流超导电缆在美国奥尔巴尼市挂网运行,该项目由DOE资助,美国Superpower公司承揽,日本住友电工(SEI)和英国氧气公司(BOC)参与。SEI负责了其中320m超导电缆的制造和安装(该段以Bi-2223带材为超导层),Superpower公司负责剩余30m超导电缆的制造(该段以二代高温超导带材为载流层),这是世界上第一条用于城市地下输电的超导电缆,也是SEI首次参与美国的政府项目。

  2008年4月22日,由美国能源部投资(DOE),美国超导公司(AMSC)、耐克森公司(Nexans)、法国液化空气集团(AirLiquid)和美国长岛电力局(LIPA)参与的一期600m,138kV/2.4kA超导电缆实现并网运行,这是目前世界上最长的并网运行的超导电缆。该条电缆以一代铋(Bi-2223)系超导带材为超导层,预计满负荷运行时可满足30万家庭的用电需求。目前,由AMSC提供二代超导带材,Nexans承揽的长岛二期项目正在进行。美国还计划用超导电缆连接3个独立电网,建造超级变电站Tres AmigasTM,二代高温超导带材由AMSC提供,LS电缆公司和Nsxans为该项目制造超导电缆。

  2013年1月,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)开发出新型超导电缆,可输送275kV的高压电。

  国内:2013年4月,由中国科学院电工研究所和河南中孚实业股份有限公司联合开发的360m长,载流能力10kA的直流超导电缆通过科技部验收,这是目前世界上载流能力最高的直流超导电缆。

  但从目前的开发情况看,电缆中采用的超导带材主要是Bi-2223/Ag一代超导带材,二代YBCO超导带材应用于超导电缆示范线中的实例还很少,相关技术还不成熟;超导电缆示范线的成功运行需解决大量的技术难题,但仍有很多工作要做:电缆通电过程中的交流损耗仍然太高,低温下的介电绝缘技术需要进一步的了解,电缆接头和终端还处于开发的早期阶段,安全性好、可靠性高的制冷系统还需要进一步证明。

  1.2 超导电机

  效率高、性能好以及巨大的市场潜力驱动着超导电机的发展。将超导电机用于风力发电是目前发展的趋势。超导电机重量轻、紧凑性好,在风力发电机中特别具有优势。超导电机采用超导材料替代常规电机的转子。传统电机以铜作为线圈绕组,采用超导材料后,可将铜用量从2.1ton减至0.44ton,铁用量从10.5ton减少至2.8ton,大大减少了金属的使用量,降低了成本;而制冷系统电力消耗导致的成本,已由使用周期长、效率高而得以抵消。

  事实上,Bi-2223超导材料并不适合作为电机的电枢绕组,原因是Bi-2223材料对磁场敏感,电枢绕组中的交流电磁场会导致Bi-2223超导材料的交流损耗增加。从性能上说,YBCO比Bi-2223更适合用于超导电机。

  1.3 超导变压器

  超导变压器之所以具有吸引力,原因是:与传统变压器相比,体积可减少50%,重量可减少70%,损耗低于30%;在发生瞬时过载时,不会发出噪声,同时还具有一定的限流作用。目前,技术难点主要集中在交流损耗过高和磁场下临界电流Ic值下降明显。2012年10月,中国船舶重工集团712所开发出我国首台兆瓦级高温超导电机,并通过科技部的项目验收,总体指标处于先进水平。

  1.4 超导限流器

  超导限流器也称超导电阻(抗)器,串联于电路中,是依靠线圈的电阻(感抗)限制电力系统的短路电流。线路正常运行时,限流器处于超导态,只有极小的阻抗(基本为零,可以忽略)。当线路中电流超过临界电流Ic时,限流器失超,在线路中表现为电阻或感抗。故障消除后,超导限流器自动复位,很适合用于电网。超导限流器具有响应速度快、能快速自动复位和提高电网的稳定性等优点;缺点是正常运行时功耗大。在超导限流器领域,我国的北京云电英纳超导电缆有限公司在国际上处于领先地位。   2007年8月,由天津机电工业控股集团公司和北京云电英纳超导电缆有限公司成功开发了35kV超导限流器,并在云南省普吉变电站并网运行。

  2013年3月,北京云电英纳超导电缆有限公司与广东电网公司电网规划研究中心签订了500kV超导限流器样机研制的研发合同。

  2013年4月,由天津市电力公司、北京云电英纳超导电缆有限公司和天津百利电气控股集团共同承担的863项目220kV/800A高温超导限流器的研究与开发通过验收。

  1.5 超导储能装置

  通过某种手段将能量存储起来,在需要时释放的过程,称为储能。按照储能的方式,可分为物理储能、化学储能和电磁储能,超导储能是电磁储能的一种。超导储能装置无需能量转换、直接储能,转换效率高,响应速度快,功率密度大,用于电网时,低谷时储藏电能,高峰时释放电能,具有有效提高输电的效率和经济性等优点;缺点是运行及维护成本高。我国首台超导储能装置位于甘肃省白银变电站。

  2 超导材料

  在超导材料领域,铋系超导线称为一代超导线,钇系超导带材称为二代超导线(带)材,事实上,YBCO材料的发现早于Bi-2223。YBCO于1987年在美国发现,临界温度Tc约90K,远高于液氮沸点77K,超过了超导微观理论(巴库斯理论,BCS)的规定,所以称之为高温超导材料。1988年,日本发现了Tc高达110K的Bi-2223材料。由于YBCO工艺复杂,开发难度大,所以研究人员将焦点主要放在了Bi-2223材料上。自Bi-2223发现后,超导线材的长尺化得到了促进,并进行了超导电缆、电力引线和超导磁体等产品的开发。铋系超导材料有三种类型:Bi2Sr2Cu2O6(Bi-2202,Tc约25K),Bi2Sr2CaCu2O8(Bi-2212,Tc约80K)和Bi-2223。由于Bi-2212容易合成,所以开发的早期阶段,以Bi-2212为主。随着工艺的成熟,目前的Bi系超导材料基本指的是Bi-2223。Bi-2223带材采用套管法制备(Powder In Tube,PIT),住友电工开创了一种受压热处理工艺,通过这种工艺,可大幅降低材料中存在的空洞,在提高了带材临界电流和机械特性的同时,避免了由于液氮导致的鼓泡现象,住友电工目前已可制备临界电流在200A以上的千米级Bi-2223线材。PIT法也用于二硼化镁(MgB2)超导带材的制备。

  从材料组成和特性看,YBCO材料的成本低,性能更好。但从目前发展看,由于复杂的工艺及昂贵的设备,导致其成本比Bi-2223要高,要想实用化,还有很多困难需要克服。

  3 结语

  超导技术在提高能源效率,提高电力系统的稳定性、安全性和保护环境方面有着巨大的应用潜力。但在电力系统中大规模应用超导技术之前,必须对其安全性和可靠性进行长期的验证,需要大笔的投资资金。此外,由于其工艺复杂、成本高、投资额大及回收周期长等因素,很少有私人企业敢投身超导技术领域,现在美国、韩国和日本等进行的相关项目也基本都是由政府资助。超导技术应用于电力系统需要较长的开发周期,这对政府的资助金额和资助跨度也是个考验。从开发的角度看,应先选择研发周期短、投资少的的项目,开发小型样机验证理论可行性和积累经验;然后再开发中型样机或示范线,累积数据;最后再进入实际应用阶段。每个阶段都非常重要,且需较长的时间(多年)。

  据估计,到2020年,超导市场主要由超导变压器、超导发电机和超导电缆占有。不管超导潜在市场有多么广阔,超导技术的进步,需要不断的投入和推动,必须在政府的支持下,才有望实现产业化。

  参考文献

  [1] R.Hott, R.Kleiner, T.Wolf.Superconducting

  Materials-a Topical Overview in Frontiers in

  Superconducting Materials,Springer Verlag, Berlin,

  2004.

  [2] M.Sohma,T.Tsuchiya, I.Yamaguchi,et al.Large-

  area YBCO films with low-Rs prepared by excimer-laser-

  assisted MOD (ELAMOD)on sapphire substrates[J].

  Physica C: Superconductivity,2013,484:183-185.

  [3] H.Yang,X.Yu,Y.Ji,et al.Surface treatment of nickel

  substrate for the preparation of BSCCO film through

  sol-gel method[J]. Applied Surface Science,2012,

  258(11):4852-4856.

  [4] J.Zhu,M.Qiu,B.Wei,et al.Design, dynamic

  simulation and construction of a hybrid HTS SMES

  (high-temperature superconducting magnetic energy

  storage systems) for Chinese power grid[J].Energy,

  2013,51:184-192.

  [5] Y.Shiohara, M.Yoshizumi,Y.Takagi,et al.Future

  prospects of high Tc superconductors-coated conductors   and their applications[J].Physica C:Superconductivity,

  2013,484:1-5.

  [6] S.-W.Yim,B.-C.Park,Y.-T.Jeong, et al.Improvement

  in operational characteristics of KEPCOs line-commutation-

  type superconducting hybrid fault current limiter[J].

  hysica C: Superconductivity, 2013,484: 267-271.

  [7] J.J.Du,W.Wu,E.M.Mei,et al.Refining design of

  superconducting magnets synchronous with winding

  using particle swarm optimization[J]. Physica C:

  Superconductivity, 2013, 488:14-17.

  [8] A.Tomioka, T.Bohno,S.Kakami,et al.The short-

  circuit test results of 6.9 kV/2.3 kV 400 kVA-class

  YBCO model transformer with fault current limiting

  function[J]. Physica C: Superconductivity,2013,

  484:239-241.

  [9] O.Tsukamoto.Roads for HTS power applications togo

  into the real world: Cost issues and technical issues

  [J].Cryogenics, 2005,45(1):3-10.

  [10] Y.YAMADA, M.MOGI, K.SATO.Examples and

  Future Prospects of High-Temperature Superconductor

  Products[J]. SEI Technical Review,2007:51-58.

  [11] C.L.Ye, M.Y.Li,X.P.Chen,et al.Microstructure

  and critical current of bimetallic sheathedBi-2223

  tapes[J].Physica C: Superconductivity, 2011, 471

  (21-22):1107-1109.

  [12] J.Sun, H.Watanabe, M.Hamabe,et al.Critical

  current behavior of a BSCCO tape in the stacked

  conductors under different current feeding mode

  [J].Physica C: Superconductivity, 2013,In

  Press,Available online.

  [13] T.KATO, J.FUJIKAMI, S.KOBAYASHI, etal.

  Development of Drastically Innovative BSCCO(DI-

  BSCCO) Wire[J].SEI Technical Review,2006,

  62:10-14.

  [14] C.S.Li,G.Yan,Q.Y.Wang,et al.Fabrication

  and properties of kilometer level, Nb rein-

  forced,6 filamentary MgB2 wires[J].Physica C:

  Superconductivity, 2013,In Press, Available online.

  [15] G.Aldica,S.Popa, M.Enculescu,et al.Te and

  SiC co-doped MgB2 obtained by an ex situ spark

  plasmasintering technique[J]. Scripta Materialia,

  2013,68(6):428-431.

  作者简介:王醒东(1986),男,江苏泗阳人,富通集团有限公司工程师,硕士,研究方向:超导材料及相关技术。

  篇二

  超导电力技术在智能电网的应用前瞻

  摘要:未来电力工业的发展方向主要向智能化发展,而发展智能电网离不开超导电力技术的有力支持。研究超导电力技术在智能电网中的应用对我国的电力系统的发展具有重要的意义,本文就针对此问题进行了探讨和研究。

  关键词:超导电力 智能电网 超导储能 可再生能源

  0 引言

  智能电网对于我国电网的发展具有重要的意义,智能电网无论是在稳定性,经济性还是对于可再生资源的包容性以及电能智能上与传统电网相比都有了显著的提升;而超导电力技术对于智能电网的开发具有关键的作用,为智能电网的建设提供了有力的条件。但是,由于电力系统的运行具有自身的特殊性和复杂性的特点,因此,在超导电力技术应用的同时,肯定会给当前的电力系统带来一定的挑战,从目前的情况来看,我国无论是从理论上还是实践上对于超导电力技术还缺乏一定的准备。本文基于我国电力系统的现状,并考虑未来能源结构的重大变化以及超导技术的迅速发展,从系统角度出发,对超导电力技术在智能电网的应用做出具有前瞻性的探讨。

  1 为什么需要超导技术

  电能的损耗由管理损耗和技术损耗两部分组成,导线方面的损耗属于技术损耗,导线是有电阻的,不同材料的导线电阻率是不同的,如果有一种材料的电阻率为零,那么导线的电阻也会为零,电能的损耗将大幅下降,企业将会获得更多的经济效益。所以,寻找这么一种材料是必要的,也就是超导技术的必要性。超导技术一但研发成功并投入到实际生产中,比如输电网落,大容量发电机,磁悬浮列车,核能发电,将对人类社会的发展起巨大的推动作用。

  2 超导技术的产生和发展

  1911年荷兰物理学家Onnes发现汞(水银)在4.2k附近电阻突然下降为零,他把这种零电阻现象称为超导电性。汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度,常用Tc表示。超导是指某些物体当温度下降至一定温度时,电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)因为这个温度很低,在绝对零度附近。因而目前为止,应用不是很广泛,但是科学家在研究高温超导,如果研究成功,用这种材料导电时不损耗电能,不产生热量,可以节约能源。

  在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。金属汞是超导体。进一步研究发现元素周期表中共有26种金属具有超导电性,单个金属的超导转变温度都很低,没有应用价值。因此,人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。其中Nb3Ge的转变温度为23.2K,这在70年代算是最高转变温度超导体了。当超导体显示导材料都是在极低温下才能进入超导态,假如没有低温技术发展作为后盾,就发现不了超导电性,无法设想超导材料。这里又一次看到材料发展与科学技术互相促进的关系。

  低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态,因此在应用上受到很大的限制。人们迫切希望找到高温超导体,在徘徊了几十年后,终于在1986年有了突破。瑞士Bednorz和Mller发现他们研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性,转变温度为35K。这是超导材料研究上的一次重大突破,打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。接着中、美科学家发现Y-Ba-CuO混合金属氧化物在90K具有超导电性,这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度(77K),高温超导材料研究获得重大进展。一连串激动人心的发现在世界上掀起了超导热。目前新的超导氧化物系列不断涌现,如Bi-Ca-CuO,Tl-Ba-Ca-CuO等,它们的超导转变温度超过了120K。高温超导体的研究方兴未艾,人们殷切地期待着室温超导材料的出现。

  人们发现C60与碱金属作用能形成AxC60(A代表钾、铷、铯等),它们都是超导体,大多数AxC60超导体的转变温度比金属合金超导体高。金属氧化物超导体是无机超导体,它们都是层状结构,属二维超导。而AxC60则是有机超导体,它们是球状结构,属三维超导。因此AxC60这类超导体是很有发展前途的超导材料。

  20世纪末,科学家合成了在室温下具有超导性能的复合材料,室温超导材料的研制成功使超导的实际应用成为可能。超导研究引起各国的重视,一旦室温超导体达到实用化、工业化,将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。

  3 超导技术在智能电网的应用

  3.1 提高电力系统暂态稳定性 超导故障限流器是近年来发展起来的限制短路电流的新技术装备,超导故障限流器,利用超导体的超导/常态转变特性,由零电阻迅速转变为高阻值,从而达到降低系统的短路电流的目的。超导故障限流器能满足智能电网对暂态稳定的快速性和准确性的要求。

  3.2 提高电力系统小干扰稳定性 我国未来智能电网虽然有可再生能源的加入,但仍然遵循着大电网、大机组的发展发向,远距离大容量输送电能不可避免,降低了系统运行的动态安全性。大规模互联系统小干扰稳定与否主要表现在区域联络线的功率振荡。如果在输电系统中,能对功率越限部分进行实时补偿,在功率过高时吸收功率,在功率过低时释放功率,以平稳联络线功率,则能有效提高系统小干扰稳定性。超导储能系统具有能快速充、放电的功能,并且可对系统提供瞬时有功功率与无功功率的支持,通过附加阻尼控制器,可以对线路功率进行实时补偿,阻尼系统振荡。使用超导电缆进行输电是基于超导技术的可行的解决方法。超导电缆具有传输容量大、损耗小、灵活性高、占地空间小、无污染等显著优点,是解决电能传输瓶颈的较好选择。采用超导电缆技术,由于其在超导状态下阻抗很小,采用超导电缆技术可以大大加强互联系统之间的电气联系,提高电网的小干扰安全性。

  3.3 对可再生能源的包容性 可再生能源是未来电力能源的重要组成部分,要使这种能源得到充分有效的利用,必须采用新的技术措施改善其品质并使其能更为有效地与大电网联结,能与其它能源系统互动,实现动态综合优化平衡,提高能源系统的总体效率。智能电网所具有的兼容性是指电力系统能够开放性地兼容各种类型能源的能力,也正是契合了可再生能源的发展要求。   3.4 建立集约型电力系统 智能电网所具有的高效性,是指电网提高设备利用率、减少线损、降低运营成本的能力,通过新型技术和设备的应用以提高网络的经济性。超导电缆具有的大容量、低损耗、结构紧凑的特点满足智能电网高效性、经济性的要求,具有重要的应用前景。超导变压器和超导电机由于其容量有限,但是具有占地面积小,能量密度高、损耗小等特点,适用于对自然环境要求特别高的场合。

  4 超导技术在智能电网的研究方向

  和传统的电力系统不同,超导技术具有很多自己的独有特性,因此,在分析上也和传统的电网有所不同,要对智能电网研究,就必须从系统的角度出发,根据超导电力技术展开研究。研究的方向主要有以下几点:首先,是针对超导电力技术的智能电力系统的建模理论的研究;其次,研究超导电力技术智能控制的策略。最后对快速可控装置的智能协调控制研究。

  5 结语

  作为一种高新技术,超导电力技术的发展具有划时代的意义,是21世纪一项具有经济战略性的新技术。超导电力技术在智能电网的有效应用,能够改善我国传统电网的很多以前的弊端,提升电网系统的安全稳定性和抗打击的能力,在电能的质量和能源多元化上也有显著的增强,可以这样说,超导电力技术的应用,为智能电网的开发和发展创造了新的思路和条件。目前,我国的超导技术在智能电网的应用只是存在于初期阶段,还需要进行更多的理论和实践研究做铺垫,才能够真正地在我国的电力系统中发挥出其自身的作用,正是因为我国电力系统的发展特点,也为超导电力技术在智能电网的重要性创造了条件。

  参考文献:

  [1]肖立业,林良真.构建全国统一的新能源电网,推进我国智能电网的建设.电工电能新技术.

  [2]陈树勇,宋书芳,李兰欣等.智能电网技术综述.电网技术.

  [3]谢开,刘永奇,朱治中等.面向未来的智能电网.中国电力.

  [4]华光辉,赫卫国,赵大伟.储能技术在坚强智能电网建设中的作用[J].供用电,2010(04).

  [5]张晓阳,浦子耿,徐洪峰.多功能电力测控仪表的应用技术[J].自动化应用,2010(11).

  [6]崔弘,郭熠昀.智能配电网中分布式电源的优化配置[J].电气应用,2011(13).

  [7]王媛媛.国内外智能电网研究[J].长沙大学学报,2010(05).

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