高温超导技术在电力系统中的应用

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1、 第 1 卷第 1 期/Vol. 1 No. 1 南方电网技术研究 学习与交流/ pp 54-612005 年 1 月/Jan. 2005 CHINA SOUTHERN POWER GRID TECHNOLOGY RESEARCH Study power market 摘要：中国已开展了超导电缆的研制，但在高温超 导电力应用市场的研究方面几乎还是空白。这里综述了目前世界上高温超导电力应用的现状，并主要 介绍了超导电缆、变压器、发电机、电动机、储能飞轮和故障限流器的情况。根据一些外国专家的研 究成果，对高温超导产品的市场前景作了初步的探讨，希望对国内高温超导电力应用市场的研究有所 帮助。 关键字

2、：高温超导；电力市场 超导技术将给我们的电能生产、传输、配电以及使用带来深远的影响。长期以来，虽然人们已经 认识到超导技术所蕴涵的潜能，但由于超导材料的使用， 需要达到液氦或液氧的低温， 制冷价格昂贵， 以至于超导材料不可能广泛使用。 直到 1986 年， 可以工作在液氮温度(77 K)下的新型超导材料被发 现，使制冷问题变得简便和经济，超导材料的电力应用研究便在美国、欧洲和亚洲普遍展开。 高温超导的电力应用根据磁通密度 B 可以分为两类： (1) 强磁场 (B1 T) ：发电机、电动机、（核）聚变装置和超导磁储能系统； (2) 弱磁场 (B1 T)：传输电缆、变压器和故障限流器。 1 高温超

3、导技术的电力应用现状1-71.1 传输电缆 超导材料在电力传输和分配中使用，主要是希望免除电能在传输和转化中的焦耳热损耗。超导电 缆不但能成倍的输送电能，还有利于环境保护，因为超导电缆发生泄露时， 液氮不会对环境造成污染， 而传统的充油电缆泄露时，电缆油将会对环境造成危害。开展高温超导电力电缆项目研制的主要有以 下几家：美国的 Pirelli 和 Southwire 公司，欧洲的Siemens、Pirelli 和 BICC 公司，日本的 Sumitomo 电力公司、Furukawa 公司和 Fujikura 公司，以及中国的云电英纳和韩国的 LG 公司。表 1 列出了世界 上已经完成的电缆项目

4、情况。 中国的 30 m 高温超导电缆系统，已经于 2004 年 7 月在云南省普吉变电站正式并网运行，该项目第 1 期 侯波. 高温超导技术在电力系统中的应用 55表 1 已完成的高温超导电缆项目 完成时间 公司 项目情况 是否并入电网 1999 年 美国 Pirelli 公司和 EPRI 公司 115 kV,大于 60 m, 2 800 A, 单相 否 1999 年 美国 Southwire 公司 的完成，标志着中国高温超导电力商业化运用的正式起步。目前，美国又启动了两个新的高温超导电 缆研究项目：一是由 Pirelli 公司牵头研制一套 77 MWA 的高温超导电缆系统，将安装在纽约长岛

5、； 二是由 Southwire 公司牵头研制一组 307.7 m （1 000英尺）长、三相高温超导电缆系统，将安装在俄亥 俄州哥伦布市。 1.2 变压器 重量轻、体积小是高温超导变压器的主要技术 优势。结构紧凑的超导变压器可以用于高速的火车和轮船上。目前研究超导变压器的主要为美国、欧 洲和日本。表 2 为各变压器研究小组、项目情况以及所使用的高温超导材料。 表 2 主要的高温超导变压器项目 研究小组 项目情况 所使用材料 美国 Waukesha 电力公司与 IGC(IGC) 1 MVA 原型、 30 MVA 的设计 Bi-2212 欧洲 ABB (ASC) 630 kVA 原型、 100 M

6、VA 的设计 Bi-2223 日本 Fuji 电力公司与 Sumitomo 公司 500 kVA 原型 Bi-2223 1.3 发电机和电动机 由于体积小，效率高等特点，高温超导发电机 和电动机在军事应用中十分有价值。美国和日本十分热衷于超导发电机和电动机的研究。在美国， Reliance Electric 公司有两个研究项目：一是拥有 4极、 转速为 1 800 rpm 的同步电动机测试, 其连续输 出功率为 147 kW （200 马力） ； 二是一台 3.6775 MW （5 000 马力）、效率超过 98%的高温超导电动机。美国GE正在设计一台100 MVA发电机并作相应的评估，和研制

7、所需的高温超导电机线圈。在日本， Super-GM 研究小组正研究三种形式的 70 MW 级超导发电机模型，以及 200 MW 级适用于飞机的商业 化发电机模型。 1.4 飞轮储能 随着电力需求的稳步快速增长，白天供电高峰 和夜间供电低谷的供电差额也随之加大。而电力设备的容量，包括发电设备，输电设备和配电设备的 容量是与供电高峰的电能需求相匹配的。这样，在非供电高峰的大量时间内，电力设备在很大程度上 处于轻负荷状态，设备利用率的降低，导致了电力成本的增加。要解决这一问题，就需要使用电能储 存设备来平衡峰谷间的供电负荷，在夜晚供电低谷时储存电能，而在白天供电高峰时释放电能。飞轮 储能，就是利用高

8、温超导技术来达到这一目的。表3 列出了日本和德国主要的飞轮储能项目。 表 3 飞轮储能项目 研究小组 项目情况 德国 FZK s 研究所 (a) 300 Wh 飞轮储能模型，工作转速为 30 00050 000 r/min， 转速为 50 000 r/min 时产生 10 kVA（300 Wh）电能； (b) 7 Wh/250 kVA 的储能飞轮 日本MITI的NEDO10 kWh 系统，其技术可用于10 MWh 飞轮 1.5 故障限流器 通过利用高温超导技术，故障限流器可以有效地控制输电线路和配电网络中的故障电流水平。和 传统的电抗器或高阻变压器不一样，高温超导故障限流器在限制故障电流的同时

9、， 并不增加阻抗损耗。12.4 kV, 1 200 A, 30 m, 三相 是 2000 年 欧洲 Pirelli Cavie Sistemi 公司 225 kV, 20 m, 2 600 A，单相 否 2001 年 丹麦 NKT 公司 36 kV, 2 000 A, 30 m, 三相 是 2001 年 美国 Pirelli 公司 24 kV, 120 m, 2 400 A, 三相 否 2002 年 日本 TEPCO 公司和 Sumitomo 公司 100 m, 66 kV, 1 000 A, 三相 否 2003 年 欧洲 Pirelli Cavie Sistemi 公司 132 kV, 30

10、 m, 3 000 A，单相 否 2004 年 中国的云电英纳 30 m, 35 kV, 2 000 A, 三相 是 2004 年 韩国 LG 22.9 kV, 30 m, 1 260 A 否 南方电网技术研究 2005 年 第 1 卷 56 表 4 是世界上主要的高温超导故障限流器项目。 表 4 故障限流器项目 研究小组 项目情况 欧洲 ABB (a)100 kW 原型，480 V，故障电流为 8 kA。 (b)三相 1.2 MW 故障限流器 德国 Siemens 用于故障限流器制造的高性能YBCO超导薄膜，电流 密度达 3x106 A/cm2， 恢复时间为 1 s； 下一项目为 100 k

11、VA限流器 日本 TEPCO 和 Toshiba 500 kV 的故障限流器，额定电流为 8 000 A，并致力 于 6.6 kV 级配电故障限流器的研制 日本 MELCO 电阻型故障限流器， 可将电流从 400 A 限制到 11.3 A美国 DOE SPI 2.4 kV 故障限流器模型 2 高温超导技术的电力应用前景6-10高温超导体技术在电力方面的应用是一个长远 的问题。 用于低温超导磁体中的高温超导电流引线，现在就已经进入了市场。高温超导电流引线，和目 前仍在使用的铜的或低温超导材料的电流引线比起来，具有明显的优势。 高温超导技术在电力市场中的应用，主要取决于高温超导电力产品的自身优点，

12、同时还包括其他 方面， 比如高温超导线材的价格、 低温制冷的费用、电能节省程度以及对环境的影响等，这些也是决定 高温超导电力设备能否被广泛使用的重要因素。 2.1 高温超导电力产品和传统设备的比较 高温超导产品在电力系统中的使用，涉及到很 多方面，如设备性能、可靠性、维护方便性、效率、使用寿命和安装费用等。这些是现存的传统的电力 设备能否被高温超导电力产品取代的关键。 人们普遍认为，高温超导电力产品具有更高的 效率和更低的使用周期总费用，也完全相信它的产品可靠性和维护保养方便性。因此，高温超导电力 产品自身比传统设备的优点，就成为推广高温超导电力产品的动力所在。表 5 是高温超导电力产品和 传

13、统电力设备的性能比较。 由于高温超导电力产品工作在低温下，从理论 上讲，比传统设备具有更长的使用寿命。传统设备由于运行温度高，导致绝缘性能逐渐退化。高温超 导电动机和发电机中的转子绕组绝缘材料不会因为温度过高而退化， 因此， 在 3040 年的使用周期中， 高温超导电机转子绕组并不需要更换。 高温超导电力产品要达到较大的市场份额，就 必须处理好以上提到的各个因素。产品价格、安装费用和维护费用应该与传统产品相当，维修保养的 复杂程度，也应该和传统设备相似，当然，也应该使用方便。 2.2 应用市场初步分析 高温超导电力产品中，最早实现商业化的预计是故障限流器，它将在 2006 年前进入市场。图 1

14、表 5 高温超导电力产品和传统技术的比较 高温超导 电力产品 产品性能 可靠性 效率 和维护方便性 使用寿命安装费用1）比较对象 发电机 稳态 和暂态性能提高 必需相同 提高 0.5%1.0% 更长 相等或更高 气体或液体冷却 发电机 电动机 不变 必需相同 提高 1.0%2.0% 更长 更高 感应电动机 电缆 额定容量成倍 必需相同 有所提高 更长 更高 铜或铝导体 的挤塑电缆 故障限流器 降低了暂态电流 和断路器相当 更高 比断路器 更长 断路器 的 210 倍 断路器 和电抗器 变压器 相同2）相同 稍有提高 0.1%0.2%3）更长 更高 带铁芯变压器 超导磁场 储能系统 提高电能质量

15、， 调节电能存储 和传统设备有可比性存储技术效率更高更长 更高 传统飞轮、 电池和电容器 注：1) 包括产品费用、场地费用和系统支持费用，比如，和传统设备比较起来，高温超导电力产品增加了制冷和电源等的费用。 2) 可能需要配套附属设备，如短路器和/或电流限制器。 3) 需要低损耗导体。 第 1 期 侯波. 高温超导技术在电力系统中的应用 5757侯波. 高温超导技术在电力系统中的应用. 南方电网技术研究, 2005; 1(1): 5457 表示出了高温超导电动机、发电机、变压器和电缆 占有份额百分比和时间的关系曲线。从图 1 可以看出，开始时市场份额的上升很缓慢，直到高温超导 线材和低温制冷的

16、价格降下来，最终，变压器和电动机的市场份额趋于一致，发电机和电缆也能达到 一个稍小的市场比例。从目前情况看，最早使用高温超导电力产品的，依次为美国、日本和欧洲。 高温超导线材价格也是影响超导电力产品使用的重要因素，低廉的超导线材价格使高温超导电力 产品在价格上具有竞争优势。按照目前传统电力电缆制造和铜线的价格情况看，高温超导线材的价格 需要降到 23 美元/(kAm)，才能使高温超导电力产品价格有竞争性。 3 总 结 美国、日本和德国在高温超导技术电力应用方 面处于领先地位。表 6 给出了在各种超导电力产品技术领域，处于领先位置的国家。 据估计， 到 2005 年， 高温超导电力产品的销售额将达到约每年 18 亿美元，相关每年电能节约 10 TWh，含碳的污染排泄物在 2005 年将减少至少 1.6 Gkg。 高温超导电力产品的市场分析， 在中国 仍属空白，由于中国自身的电力系统特点和经济情况