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超导电工技术论文

2017-11-07 11:42:10  字体:   打印 收藏 

摘 要:摘 要: 1 引言超导电工技术涵盖了超导电力科学技术和超导强磁场科学技术。随着经济和社会的发展,人们对电能的需求量日益增长,对电能质量的要求越来越高。采用超导电力科学技术,不仅可以大大提高单机容量和电网的输送容量并大大降低电网的损耗,而且还可以明

关键词:超导电工技术论文


  摘 要: 1 引言超导电工技术涵盖了超导电力科学技术和超导强磁场科学技术。随着经济和社会的发展,人们对电能的需求量日益增长,对电能质量的要求越来越高。采用超导电力科学技术,不仅可以大大提高单机容量和电网的输送容量并大大降低电网的损耗,而且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、降低电压等级、提高电网的安全性,降低电网的占地面积和电网的造价及电网

  推荐期刊:《电气技术》

  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。

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