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1、“十二五十二五”期间高电压、长距离、大容量高温超导输电远景期间高电压、长距离、大容量高温超导输电远景=1 前言100 年前，荷兰物理学家卡麦林 昂尼斯发现了超导体，由于超导体没有电阻，也即没有焦耳热损耗，因此它在电力输送方面将具有重大的应用价值，并将对整个电力输送带来革命性的转变。上世纪八十年代后期，液氮温区的高临界温度超导体的发现，使得超导体用于大规模的电力输送成为可能。九十年代以来，国际国内均在高温超导输电方面进行着积极的研发与示范工作，期望人类在二十一世纪前期进入超导电力输送的新时代。2011 年八月，国家电网公司提出了“十二五”发展规划，将大规模发展特高压交直流输电列为重要任务，这就对
2、大力迅速地发展超导输电提出了重大需求，但我国在超导输电的技术上、产业上与规模化建设方面均显准备不足。鉴于我们近二十年来，一直在积极推动我国超导输电的研究与示范工作，深感有责任呼吁国家领导与有关部门能大大提高在我国尽速发展超导输电的认识，并制定规划与计划，大力协同地来推进各方面有关工作，以期超导输电也能成为我国电网发展的重要技术组成部分，得到应有的发展、产业化与规模化应用。为此，送上此建议书，供有关领导与部门做出决策及部署有关工作时参考2 “十二五”开始，超高压、长距离输电成为我国电网发展的重点为满足我国经济与社会迅速发展的实际需要，在今后相当时期内，电力仍将迅速发展。特别是，我国能源发展已进入
3、到减小化石能源份额、增大可再生能源与核能份额、逐步建立可持续发展体系的新时期，将为本世纪上半叶调整结构建立可靠的基础。能源结构的这一重大调整，将促使电力得到更加快速的发展。2010 年全国总装机容量达 9. 6 亿千瓦，预计 2015 年将达 14. 7 亿千瓦，建设总投资将达 1.5 万多亿元，2020 年将达到 18. 4 亿千瓦，2030 年将达到 24. 7 亿千瓦。我国一次能源长期以煤为主，煤炭资源主要分布在晋陕蒙宁新等省区，今后煤炭开发重点将继续西移和北移。我国水电资源主要集中在西南，如四川、云南和西藏的水电可开发量就占全国的 67% 。大力发展清洁能源技术，提高可再生能源的比重是
4、能源发展的必然趋势，因此我国势将积极发展风能、太阳能，而我国 96% 的内陆风能是集中在“三北”地区。长期以来，我国电力布局主要集中在沿江、沿海中东部负荷中心，据国家电网统计，2010 年中东部 16 省用电量占全国的 69. 3% ，今后相当长时间内，中东部仍将为全国电力负荷中心，预测 2020 年和 2030 年，中 东部 用 电 量 仍 将 占 全 国 的 65. 9% 和 63. 8% 。我国能源资源和消费中心的分布决定了能源和电能输送具有跨区域、远距离和大规模的特点，西南水电、西北火电和风电将送华北、华中、华东和南方，从而形成大规模“西电东送” 、 “北电南送”能源电力流格局。预测到
5、 2020 年，跨区、跨国电网输送容量将达 4. 38 亿千瓦。为了提高能源、环境和经济等综合利用效率，采用特高压交流和直流输电是今后发展的趋势。从上述考虑出发，最近国家电网提出的“十二五”发展规划中明确提出了建成三纵三横的 1000 千伏特高压交流工程( 见表一)，总长一万八千多公里，输送容量 8992 万千瓦的网架结构，以及十四条不同电压的直流输电工程( 见表二)，合计近两万四千公里，传输总容量9730 万千瓦。其中 400 千伏，500 千伏，1100 千伏各一条， 800 千伏 11 条，且已明确投产时间:2011 年完成一条( 1000 公里)，2012 年完成 4 条( 6909
6、公里)，2013 年 3 条( 5580 公里)，2014 年 2 条( 3500 公里)，2015 年 4 条( 6950 公里)，年投产最高达近 7000 公里。特高压交流定位于主网架建设和跨大区送电，直流定位于大型能源基地的远距离、大容量外送和跨国电力输送。在“十二五”发展基础上，2020 年及 2030 年将有更大规模的发展。“十二五”期间，所有这些特高压交直流输电工程均采用以常规的铜、铝为导体的架空线。这是因为国家长期大力组织了相关的装备研制与示范工程工作，使我国已全面自主掌握了特高压输电技术和全套设备制造能力，使特高压技术具备了大规模工业应用的条件。而特高压交直流示范工程取得的全面
7、成功，如全长 640 公里、 1000 千伏由山西长治至湖北荆门的特高压交流试验示范工程与全长 1907 公里， 800 千伏由四川复龙至上海奉贤的特高压直流示范工程的建成与长期安全运行，又为规模化的建设发展积累了经验，锻炼了队伍和奠立了信心。表 1 国家电网“十二五”特高压交流工程序号 项目路径长度 /公里1 东纵 锡盟-北京东-天津南-济南-徐州-南京2 1433. 52 中纵 张北-北京西-石家庄-豫北-驻马店-武汉-南昌2 18753 西纵 蒙西-晋中-晋东南-南阳-荆门-长沙2 15184 北横 陕北-晋北-石家庄-济南-潍坊2 9335 中横 靖边-晋中-豫北-徐州-连云港 2 1
8、1386 南横 雅安-乐山-重庆-长寿-万县-荆门-武汉-皖南-浙北-上海 2 2235表 2 国家电网“十二五”直流输电工程序号项目起点落点电压等级输送容量 长度 投产时间/千伏/万千瓦 / 公里1三沪二回荆门枫泾50030010002011 年2锦屏-江苏 锦屏苏南80072020832012 年3青海-西藏 格尔木 拉萨4006010402012 年4哈密-河南 哈密郑州80076022802012 年5宝清-唐山 宝清唐山80076015002012 年6溪洛渡-浙江 溪洛渡 浙西80076016802013 年7酒泉-湖南 酒泉湘潭80076023002013 年8呼盟-山东 呼盟青
9、州80076016002013 年9彬长-山东 彬长临沂80076012002014 年10哈密-重庆 哈密重庆80076023002014 年11锡盟-江苏 锡盟泰州80076016002015 年12蒙西-江苏 蒙西溧阳80076014502015 年13陇东-江西 陇东新余80076014002015 年14准东-成都 准东成都1100105025002015 年在高电压、长距离、大容量输电发展中，高温超导输电有着一系列重要的优越性，也应成为一个重要的技术方案，给予充分重视。虽然在技术发展、产品产业化与输电示范工程等方面，高温超导输电尚未达到可规模化应用的阶段，在“十二五”期间尚不能列入
10、国家工程建设规划，但作为一种具有重大前景的新技术，国家需要进行统一规划和认真部署，大力推动高温超导输电有关工作，方可期望在我国未来电网发展中，高温超导输电能发挥其应有的作用。3 高温超导输电的重大优越性与传统输电相比，超导输电使用高温超导材料替代传统的铜和铝导线来输送电能。其优越性由超导材料的优点所决定，主要是:第一，实用高温超导体的临界电流密度达到铜线或者铝导线的允许电流密度的 100 倍以上，易于实现单回路大容量传输，相同容量时，体积小，重量轻。第二，直流情况下完全没有电阻，从而没有电能损耗，维持液氮温度以上的制冷耗能要小得多，使得输电损耗低，效率高。与传统输电相比，高温超导输电的主要优越
11、性可归纳为:( 1)容量大。一回路超导输电线路的传输容量可比交流输电大 3 5 倍，达到最高每线 2 3 千万千瓦，直流输电可达 10 倍， 500 千伏可实现 2 5 千万千瓦的输送容量。( 2)损耗低。交流输电时超导电缆的导体损耗不足常规电缆的 1 /10，直流输电时导体热损耗几乎为零。考虑超导电缆循环冷却系统带来的能量损耗，大容量、远距离输电时，其输电总损耗可以降到使用常规电缆的 1 /4 1 /2。有一分析表明，1000 公里长输电 500 万千瓦时，总损耗小于 3% ，可能达 2% 。( 3)体积小。与同样传输容量的传统高压电缆相比，超导电缆的外径较小。同样截面的超导电缆的电流输送能
12、力是常规电缆的三至五倍，冷绝缘三相同轴超导电缆尺寸可以做得更小，更具有体积上的优势。在利用电缆沟或电缆隧道敷设时，减少了通道和相应支持机构的尺寸，使其安装占地空间小，土地开挖和占用减少，征地需求小。( 4)重量轻。超导电缆的重量也要比同样传输电压和传输容量的常规电缆少得多，较小的重量将需要较低强度的电缆牵引机械，较小的线轴，运输成本也相应降低，并相应地减少了机械机构。这也使利用现有的基础设施敷设超导电缆成为可能( 5)降低传输电压。超导电缆可以在比常规电缆损耗小的前提下传输数倍于常规电缆可以承受的电流，这样在同样传输容量的需求下，传输电压就可以降低一到两个等级，从而可降低对高压变压器和高压绝缘
13、器件等的需求，从系统的角度大大减少了高压设备方面的开支。( 6)增加系统可靠性。超导电缆传输电流的能力可以随着工作温度的降低而快速增加。由于可以在原有设备配置条件下通过降低温度来增加新的容量，因而有更大的过流能力，增加了系统运行的灵活性。对于冷绝缘超导电缆而言，在正常运行时绝缘层的温度基本不变，不会像常规交联聚乙烯电缆那样可能因为经常温度增高而缩短寿命。( 7)节约资源，环境友好。超导电缆冷却系统使用液氮，不使用绝缘油或 SF 6，没有造成环境污染的隐患，且具有防燃防爆的特性。冷绝缘超导电缆设计了超导屏蔽层，基本消除了电磁场辐射，减少了对环境的电磁污染。与常规电缆相比，制造超导电缆使用较少的金
14、属和绝缘材料。超导电缆系统总损耗的降低，减少了温室气体的排放，有利于环境保护。由于上述的重大优越性，使高温超导输电将为未来电网提供一种全新的低损耗，大容量，远距离电力传输的重要途径，随着技术、产业与应用的发展，其地位也将日益提高。高温超导输电在直流输电方面还有着一些特殊优越性，用途更广泛、容量可更大、损耗可更低、距离可更长等，考虑到我国未来大规模的电力输送问题，超导直流输电是重要发展的方向。近些年来，超导直流输电技术日益受到世界各国重视。美国、日本、德国等国家均在探索长距离超导直流输电的可行性。建议超导直流输电应作为我国发展的重点。4 需要进行研发，产业化与示范的主要工作高温超导输电是一项革命
15、性的前沿技术，要能在我国电网发展中实现规模化应用，占有较大的比重，要在设备研发，产业化与示范应用方面进行长期持续的工作，包括高温超导材料，输电电缆，低温制冷，与进入电力系统四方面。( 1)发展高温超导材料目前研制的高温超导电缆则大多采用银包套 Bi2223 带材作为通电导体。 随高温超导材料研究的进展， 采用第二代超导材料 YBCO 已备受关注。Y系超导材料比 Bi 系超导材料具有更高的不可逆场，在 77K 下的载流能力远优于 Bi 系超导材料。由于Y系超导材料不需要贵重金属如银作为基体材料，因此可望实现更低的成本。超导输电电缆传输电流一般都达千安量级，而单根 Bi2223 带材或 YB-CO 带材的临界电流在 77K 和零场下为百安量级，因此高温超导输电电缆 的通电 导 体 必 需 用 多 根 Bi2223 或 YBCO 带材并联运行。与此同时，发展更高临界温度( 如液化天然气温度 110K 及以上)的实用高温超导材料、探索新型超导材料、开发新的超导材料制备工艺，以期提高高温超导材料的性能、降低高温超导材料的成本，从而降低超导输电系统的制造成本和运行费用，有效地促进高温超导输电技术的规模化发展。主要工
