超导电工技术

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1、超导电工技术 姓名：史佳惠系别：机电系专业：电气工程及其自动化班级：15Z电气1学号： 158320001超导电工技术 实用超导线与超导磁体技术与应用的发展，以及初步产业化的实现是20 世纪下半叶电工新 技术的重大成就。在 21 世纪上半叶，无论是聚变电站、磁流体发电，还是磁浮列车，磁流 体推进船的商业化，均将促使超导电工继续长足地向前发展，成为一个重要的电工产业。1 超导现象1911年，荷兰莱顿大学的昂纳斯(H.Kamerligh Onnes)意外地发现，将水银冷却到-268.98C 时，水银的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述水银相类似的低温下 失去电阻的特性，由于它的特

2、殊导电性能，昂纳斯称之为超导态。电阻的消失叫做零电阻效 应，是超导态的两个基本性质之一。超导态的另一个基本性质是完全抗磁性，完全抗磁性是指磁场中的金属处于超导状态时，体 内的磁感应强度为零的现象。这一现象是德国科学家迈斯纳发现的，因此又称为迈斯纳效应。 他在实验中发现，放在磁场中的球形的锡在过渡到超导态的时候，锡球周围的磁场都突然发 生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到导体之外。进一步研究发现，原来超导体表面能够产 生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消了超导体内部的磁场。利用 这一现象可以实现磁悬浮。2 超导技术的应用2.1 超导电机 超导电机是指绕组由实用超导线制成的电机。

3、其研究对象主要是超导同步发电机和超导单级 发电机。我国上海发电设备成套设计研究所于1977年试制了一台400kw超导同步发电机，其转子磁 力线圈由HbTi超导线绕制，最大磁感应强度达1T。在此基础上，于1988年又研制成一台 400-800kw超导同步发电机，并进行了短时间发电并网试验，发电容量达167kw，最大输出 容量达 400kw。与常规发电机相比，超导同步发电机具有效率高、重量轻、体积小、单机容量大和稳定性能 好等优点，但是要使超导同步发电机打到实用要求，还要在电机设计、制造和安全可靠运行 方面解决一系列关键技术问题。由于超导励磁绕组是运行在极低的温度下，它通过的电流密 度以及产生的磁

4、场强度比常规发电机高的多，因此超导发电机的设计与常规发电机有所不同 此外，由于超导绕组必须安放在低温容器内，因此带来真空绝热技术、液氦输送技术以及超 导发电机冷却技术等一系列问题。目前已基本解决上述关键技术问题，但是使得超导发电机 获得实际应用，除了上述技术问题外，还取决于它的经济性。目前普遍认为，只有大容量超 导发电机，如容量达300MW以上，在经济上才有优越性。因此，超导同步发电机的应用要 立足于大容量。高温超导体的出现进一步拓展了超导技术的应用领域，因为它的制冷费用比运行在液氦温区 的传统超导磁体要大大降低。近年来人们开始注意高温超导材料在电动机方面的应用，它不 仅可以提高电动机的功率，

5、同时还可以降低电动机的损耗。在电力应用方面，电动机负载占 很大比重全世界的电力负载中大约65%是电动机，而大型电动机占一半左右。现在常规的 大型电动机效率最高可达 97%左右，如果采用超导电动机，其效率可提高到98.3%。对长期 连续运行的电动机而言，采用超导绕组后其节约的电能十分可观。2.2 超导变压器早在 60 年代，国际上就开展了对超导电机的研究。但由于超导线的交流损耗较大，在经济 上没有明显优越性。20 世纪80年代初，底损耗的极细丝复合多芯超导材料研究成功后，超 导变压器的研究出现新的进展。1983 年，法国 Alsthorm 公司研制出一台 220kVA 的低温超 导变压器，与普通

6、变压器相比，该超导变压器的铁芯重量减少91.5%，铁芯损耗减少 85%， 总损耗减少 55%。因此，超导变压器显示出明显的优越性，其优点是重量轻、体积小、效率 高、故障时短路电流将比常规变压器小。1987 年出现高温超导材料后，有关超导变压器的研究大多转入高温超导变压器。日本于1996 年研制出一台500kW高温超导变压器，变压器运行在-196C的液氮中，效率达99.1%,随后 他们将变压器运行温度降低到-207C,变压器容量提高到800kW,效率达99.3%。与此同时， 瑞士 ABB公司和美国应用超导公司等合作，于1997年也研制出630kW三相高温超导变压 器样机，采用液氮冷却，并接入电网

7、进行试验。2001年德国试验成功1MVA高温超导变压 器模型，其主要目的是用于铁路机车。美国在能源部支持下已研制出1000kW单项高温超导 变压器。我国科学院电工研究所等单位也研制出26kW高温超导变压器。随着实用化高温超导材料性能的提高与价格的下降，超导变压器渴望在5到10年内实现产 业化。电网变压器通常是成对并联安装的，为的是提高电力系统的安全性，因此将来设计时，可以 考虑在两台变压器中允许一台使用高温超导变压器作正常连接，并联的一台常规变压器正常 断开，当需要时能快速切换，这样将大大减少常规变压器的损耗。2.3 超导输电 超导输电主要通过超导电缆来实现，它具有载流能力大、损耗低和体积小的

8、优点，是解决大 容量、低损耗输电的重要途径。超导输电电缆有直流和交流两种。直流超导电缆没有交流损耗，输送同样功率的电缆尺寸较 小，但如用于电力系统，则与直流输电一样，电缆两端需要有整流和逆变装置，所以只有输 电距离达到一定长度后，例如在 200kW 上，经济上才显示出优越性。交流输电电缆由于有 交流损耗和绝缘层介质损失等问题，其额定功率将受到限制。但一般认为，当输送大容量电 能，如 1000MW 以上时，交流超导输电电缆还是有竞争力的。当然，由于常规的超导电缆 必须运行在液氦温度区下，因此超导电缆结构将更加复杂。我国科学院电工研究所2003年研制出了 10m长的10.5kV、1.5kA的交流超

9、导输电电缆。我 国云电英纳超导电缆公司2003年研制出了 30m长的35kV、2kA高温超导电缆。超导电缆在我国电网干线及输电瓶颈线路的应用将有利于提高电网安全性和可靠性。在长距 离大容量输电时，超导电缆在系统综合性能上具有无可比拟的优势，从长远上将根本解决我 国“西电东送”等长距离大容量输电问题。据预测，到2020年高温超导电缆全球市场将达到122亿美元.全世界现有总长约13万公里 的地下电缆将可能被高温超导电力电缆陆续取代。因此，高温超导电缆的市场前景非常广阔。2.4 超导储能 超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负 载的一种电力设施，一般由超导线

10、圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件 组成。超导线圈是超导储能装置的核心部件。超导储能装置的工作原理是在电网运行处于低谷时把多余的电能储存起来，而在电网运行处 于高峰时，将储存的电能送回电网。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所 储存的电能几乎可以无损耗的永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于 调节电力系统的谷峰，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率震荡从而改善电网的电压和 频率特性，同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。超导储能装置可 长期无损耗的储存能量，其转换效率可达 95%；可采用电力电子器件的变流器实现与电网的 连接，响应速

11、度快；由于其储能量与功率调制系统的容量可独立的在大范围内选取，可建成 所需的大功率和大能量系统；除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长；在建造时 不受地点限制，维护简单，污染小。目前超导储能系统的研究主要是微型超导储能装置的实际应用。美国、日本等提出了开发 100kWh等级的微型超导储能装置的建议，如磁悬浮列车、10层计算机大楼和50层高层建 筑等用的超导储能系统，德国、意大利和韩国等也开展了微型超导储能装置的研究。美国IGC 和 ASC 的微型超导储能装置已经商品化。中国科学院电工研究所从20世纪90年代初期以来一直在开展微型SMES的研究，1997年 已成功试验了 25kj 的超导储

12、能装置原型样机，目前中国科学院电工研究所在中国科学院创 新工程支持下，开展用于提高电力系统稳定性的储能量为2.5Mj/1MW的超导储能系统的研 究。2.5 超导磁悬浮列车 超导磁悬浮列车是利用超导磁体使车体上浮，通过周期性的变换磁极方向而获取推进动力的 列车。通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于 它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。由于它与列车上的超导电磁体的 相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体N极）被安装在靠前一 点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极） 所排斥。当列车前进

13、时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个 S 极线圈，现在变为 N 极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向 前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。2015年4月16日，日本东海旅客铁道株时会社研发的“LO系”超导磁悬浮列车进行了高 速运行试验，达到了载人行驶每小时590公里的世界最高速度。2.6超导在电气工程领域的其他应用 电气工程领域中，超导还有很多其他应用。例如，在托克马克装置、磁流体发电机等设备中， 高强电磁铁是必不可少的，为了降低成本、减小体积、节约能源，也必须采用超导体电磁线 圈。磁悬浮轴承完全没有机械摩擦，可以

14、大幅度提高旋转部件的转速，同时普通常导电磁轴承用 电量大、稳定性差，采用超导磁悬浮轴承则可以解决这些问题。当然，由于超导低温设备复 杂，只能用于大型旋转设备上，例如，飞机燃气发电机转子和大型风力发电机转子轴承和超 高速飞轮电池转子轴承等。高温超导限流器将从开发适用于配电网的示范样机开始 ,逐步向发展适用于高压输电网（电 压等级110kV及以上）的限流器方向发展。超导限流器的原理也将呈现多样化的趋势。3 超导电力技术的应用前景 超导电力科学技术作为一门新兴交叉学科，它随着超导科学和电力科学的发展应运而生，将 对我国现有电力系统产生革命性的影响，是实现我国电力工业长远发展战略的必由之路。超 导电力

15、技术的应用不仅以提高单机容量和电网的输送容量并大大降低电网的损耗，还可以明 显改善电能的质量、提高电力系统运行的稳定性和可靠性、提高电网的安全性。因 此，美国能源部认为，超导电力科学技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备，日本新能 源开发机构认为，发展超导电力科学技术是在21世纪的国际高技术竞争中保持尖端优势的 关键。据第五届国际超导工业高峰会议预测，作为21 世纪具有重大经济战略意义的高新技术 ,超 导电力科学技术将会在 2010 一 2015 年左右出现大规模的应用。2010 年，全球超导电力技 术方面的产业将达到74 亿美元，占整个超导产业的29 %；到2 0 2 0 年，全球的超导产业 将可达到2440 亿美元，其中超导电力方面将达到70 亿美元。 高温超导电力应用主要在以下几个方面 :