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1、湘电培训与教学 2 0 0 7 年第 1 期现代社会, 人们在生产、 生活等各方面都离不开电能, 几乎每隔十年, 人类对电能的需求就会增加一倍, 能源短缺将成为中国所面临的最大挑战,节电已经迫在眉睫。 2 0 0 5 年 4 月 1 9 日超导电缆在昆明普吉变电站投入运行,其部分性能指标优于目前已经并网运行的美国和丹麦的高温超导电缆, 超导输电将是一个很好的途径。本文主要对超导输电技术进行一些介绍。一、 超导效应1 9 1 1 年, 荷兰莱顿大学的卡茂林- 昂尼斯意外地发现, 将汞冷却到- 2 6 8 . 9 8 C时, 汞的电阻突然消失;后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下
2、失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,卡茂林- 昂尼斯称之为超导效应。卡茂林由于他的这一发现获得了 1 9 1 3年诺贝尔奖。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之超 导 输 电 技 术电力系李高明【 内容提要】 超导输电技术主要包括超导电缆的结构与输电方式、 超导电气设备等内容, 是一种未来电网的输电方式。本文主要介绍超导输电技术在电力系统的应用。【 关键词】 超导输电节能暂的生产过程, 对设备是一个短时间的工作行为, 为 向运行单位提供安全可靠的设备,就需要向运行单位 交代设备的结构和特点, 做好设计交代。 并及时征询运 行单位的意见。 以便吸取运行经验和事故教训, 有针对 性的改进设备的
3、生产质量, 满足电网的运行需求。 二、 要保持三相负荷均衡 冬季和夏季气温不同,配电变压器三相负荷 也会相应不同,应每周定期对配电变压器的三相 负荷进行测试和调整。根据中性线接线的不同, 其 不平衡电流的允许值分别不应超过配电变压器额 定电流的 2 5 %和 4 0 %, 若超过此值, 应立即对顾客 用户进行相间负荷调整, 使其达到平衡。冬春季用 电高峰时段,应及时增加配电变压器的测量和巡 查次数, 及时掌握配电变压器的运行状况。如其电 流超过单台配电变压器额定电流 1 5 %时,应增投 一台配电变压器运行。这样既保障了有电供得出, 也确保了供电设备安全、 可靠的正常运行。 三、 要谨防雨雪堆
4、积发生闪络, 造成短路, 引 起火灾的发生 雨雪天气之后要及时对配电变压器台架上下 及周围堆积的雪、 冰进行清除, 并加强保护。容量 较大、 出线较多的配电变压器( 三路以上) 及重要 客户, 应采取设置配电室的办法供电, 合理安装线路, 杜绝不规范线路存在。 四、 配电变压器的维护与管理 配电变压器在它的运行寿命期间,要经受电 压的 ( 短时间的过电压和长时间的工作电压) 、 电 流的 ( 短时间的过电流和长时间的工作电流) 、 温 度的( 短时间的超温和正常的运行温度) 和机械的 ( 短时间的电动力和长时间的电磁振动) 等不利因 素影响和作用, 从而影响变压器的运行和寿命。要 做好配电变压
5、器的维护管理, 避免雷击和火灾。对 配电变压器接地电阻应及时检查测量,如果不在 规程范围内, 应延伸接地线, 增加接地体及应用物 理、化学等措施使其达到规定值;天气突然变冷 时, 应检查油面下降情况并及时添加到正常油面; 大风时, 检查变压器高压引线头有无松动, 变压器 顶盖及周围有无杂物可能吹上设备;雾天、阴雨 天, 应检查陶管、 瓷瓶有无电晕、 闪络、 放电现象; 冬春季天气是火灾多发季节,对配电变压器及配 电室周围村民堆放的农作物桔梗、 树枝等可燃物, 要及时清除。【 参考文献】 王世阁, 钟洪璧. 电力变压器故障分析与技术 改进 应用与实用技术!3 7-湘电培训与教学 2 0 0 7
6、年第 1 期后, 人们开始把处于超导状态的导体称之为“ 超导体” 。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失, 被称作零电阻效应。导体没有了电阻, 电流流经超导体时就不发生热损耗,电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流, 从而产生超强磁场。为了使超导材料有实用性,人们开始了探索高温超导的历程, 从 1 9 1 1 年至 1 9 8 6 年, 超导温度由水银的 4 . 2 K提高到 2 3 . 2 2 K 。 1 9 8 6 年 1 月发现钡镧铜氧化物超导温度是 3 0 K , 1 2 月 3 0 日,又将这一纪录刷新为 4 0 . 2 K , 8 7 年 1 月升至 4 3 K ,不久又升至 4
7、 6 K和 5 3 K , 2月 1 5日发现了 9 8 K超导体,很快又发现了 1 4 C下存在超导迹象, 高温超导体取得了巨大突破, 使超导技术走向大规模应用。二、 超导电缆现在电的输送依靠铜和铝, 由于电阻的存在,一部分电力将转换成热能被消耗掉,存在着严重的电能损耗。例如输送 1 0 0 0 万千瓦的电力其损失就相当于一座 1 0 0 万千瓦的发电站。因此, 毫无疑问超导电缆是解决大容量,低损耗的输电的一个潜在途径。科学家利用液态氮冷却至零下 1 9 6 2 0 8 摄氏度, 使特殊铜氧化物具有超导现象制成电缆, 开始了超导输电的实用性研究。超导输电可采用交流或直流, 交流超导输电有微量
8、的能量损耗。 超导输电电缆适用于百万千伏级以上的远距离输送。目前, 利用液氮冷却的高温超导输电电缆在应用中已开始取代常用的输电电缆,以实现低价、 大电力输电。 此外, 利用高温超导体可引出大容量变电所的大电流, 不仅能提高变电所输电效率, 而且能使变电所出线自由度增加。超导电缆有两种类型:内外冷却的圆筒型电缆和外冷式多芯型电缆。超导输电系统的主要部分包括超导电缆( 如图 1 所示) 、 低温冷却系统以及超导电缆的端头和套管等。图 1 超导电缆截面图除了超导体外,超导电缆的主要部分还应包括电绝缘和热绝缘。对电绝缘要求在低温下有足够的耐电强度, 极小的介质损耗, 并具有一定的柔软性。通常可采用真空
9、、 液氮浸渍的塑料薄膜带包绝缘, 亦可用液氮本身加上固体支撑作为电绝缘。为了防止周围环境的热量传入深冷下的电缆内部,超导电缆包括其端头都应具有高绝热效能的热绝缘。一般可采用高真空、 真空粉末或真空多层热绝缘结构。为了进一步降低辐射漏热, 可采用一个或多个屏蔽层,一般用液氮冷却作为一个中间屏蔽层。超导电缆的结构通常采用同轴方式,由两个或多个超导同轴圆柱组成。如图 2 所示为单回路三相( 图 a ) 以及双回路六相( 图 b ) 交流超导电缆的结构示意图, 每相均由双层同轴超导体组成, 中间设有电绝缘层。超导电缆采用同轴结构的原因在于要提高超导电缆的工作电流需采取措施屏蔽这些电流产生的磁场,而同轴
10、结构只在超导体层之间存在磁场。其次, 超导输电不要求很高的电压就可以传输很大的容量,但交流超导输电受到静态稳定的限制, 同轴结构减小了线路的电感, 可以使静态稳定极限大幅度增加。图( a ) 单回路三相结构图( b ) 双回路六相结构图 2 交流多相超导电缆结构示意图现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态, 但它仍旧被认为是 2 0 世纪最伟大的发现之一。三、 超导电缆输电的优势与常规电缆相比, 超导电缆具有明显的优势:1 . 损耗低、 节省能源。超导电缆采用在液氮汽化温度下( 约- 1 9 6 ) 无电阻传输大电流, 导体损耗不足常规电缆的十分之一,加上制冷的能量损耗, 其运行总损耗
11、也仅为常规电缆的 5 0 %至 6 0 %。2 . 容量大。 同样截面的超导电缆的电流输送能力是常规电缆的 3 至 5 倍。3 . 节约材料。 具有同样传输能力的超导电缆与 应用与实用技术3 8-湘电培训与教学 2 0 0 7 年第 1 期常规电缆相比, 使用较少的金属和绝缘材料。4 . 无污染。超导电缆没有造成环境污染的可能性, 而充油常规电缆则存在着漏油污染环境的危险。另外, 超导电缆还具有低噪音的特性。四、 超导电气设备为了实现超导输电和应用,制造了一些超导电气设备, 主要有:1 . 超导变压器随着交流用超导线的开发,超导变压器的研究迅速发展, 超导变压器与常规变压器相比, 不仅具有质量
12、轻、 运行更可靠、 稳定性更高等优点, 而且还具有较高的效率,目前效率已达到约 9 9 . 6 %。国外已试制出 1 0 0 千伏安级变压器,且正在试制1 0 0 0 千伏安( 1 兆伏安) 级变压器。 1 9 9 7 年 3 月, 国际电气工程企业 A B B公司已成功地将世界首台高温超导配电变压器接入日内瓦的供电网。该三相变压器容量为 6 3 0 千伏安,其作用是把 1 8 . 7 千伏的电压降至 4 2 0 伏送入用户。2 . 超导发电机和电动机高温超导体大型交流发电机的效率可高达9 9 . 7 %, 由于效率的提高, 发电能量消耗减少 8 0 %,发电成本降低 6 0 %。高温超导体大
13、功率电动机的效率将从目前的 7 5 %19 5 %提高到 9 9 %,从而使电机耗电下降 2 5 %。3 . 超导故障电流限制器随着电力系统容量的日益增大,电网故障短路电流也随之增加,从而要求断路器开断容量相应增大, 而这将导致断路器的结构更加复杂, 价格更加昂贵。此外, 过大的系统故障短路电流流过发电机, 变压器等发输电设备, 将导致要对发电机、变压器等发输电设备,按增高的故障短路电流水平进行设计, 使这些主设备的设计、 制造技术更趋复杂, 价格更加昂贵。因此, 对于大容量, 或超大容量电力系统,充分有效地限制故障短路电流是系统面临的实际问题。超导故障电流限制器正是解决此问题的最佳选择。从原
14、理上区分, 可以有二种不同机制的超导故障电流限流器,这也恰恰反映了超导体的两种电和磁的效应,即零电阻效应和对磁道的屏蔽效应。零电阻效应的限流器是利用超导体的超导正常态转变特性,由零电阻迅速转变为高阻值, 从而降低系统的短路电流。磁通屏蔽效应的限流器是利用当系统正常运行时, 由超导体构成的封闭圆筒将常规铁芯线圈中绕组产生的磁通屏蔽出铁心区域,这时铁芯线圈的阻抗仅由线圈绕组和超导圆筒之间的漏磁通确定, 其阻值甚小。当系统处于故障状态时, 故障电流的作用使超导圆筒的屏蔽电流增大,使其转变为正常态而失去了对磁通的屏蔽作用。磁通进入铁芯区域, 使铁芯线圈的阻抗迅速增加, 从而限制了故障短路电流值。不管那
15、种类型的超导限流器都能在几十微秒的时间里将故障短路电流限制在系统正常运行额定电流的两倍以内。目前 A B B公司的 1 . 2 M V A容量的高温超导故障电流限流器已成功运行。 另一台 1 0 M V A的故障电流限流器正处于研制阶段;美国低温磁公司已试 验 成 功2 . 4 K V/ 2 . 2 K A , 1 5 K V/ 1 0 . 6 K A , 1 5 K V/2 0 K A等一系列不同容量的高温超导故障电流限流器。法国电力公司试验运行了一台 6 3 K V/1 . 2 5 K A容量的低温超导故障电流限流器;日本电力公司试验运行了一台 6 . 6 K V/ 2 K A的高温超导故
16、障电流限流器。3 . 可控超导储能装置超导储能的基本原理是对超导线圈通以直流从而将能量储存在线圈的磁场中。如果储能线圈是由常规导线绕制,那么线圈所储存的磁能将不断地以热的方式损耗在导线的电阻上。由于超导体的直流电阻为零,超导线圈中的能量会永久储存在其磁场中。将超导储能用于电力系统, 将提高输电线路稳定性和系统动态稳定性。提高输电能力, 对电网能量进行灵活控制, 增强调峰能力、 改善供电质量等。可控超导储能( S M E S ) 装置向电网吸收和释放能量都是直接的, 无需像电能“ 化学能或电能”机械能这样的能量转换,这使得 S M E S 装置不仅具有很高的效率,而且还能非常迅速地与电网进行能量交换, 其转换效率超过 9 0 %, 响应速度一般为毫秒数量级。同电池、飞轮等其它储能方式相比, S M E S 装置还具有重复率高、无环境污染以及安全可靠等特点。然而,同任何一种电力新技术一样, S M E S 技术和市场的进一步发展也面临着很大的挑战。电力市场彻底开
