发展超导电力科学技术的关键及主要研究课题

将超导技术应用于电力系统，无论是从装置特性还是从系统特性上，都可以取得若干使用常规技术无法或难以实现的性能超导发电机、超导变压器为系统提供有功、无功的快速响应容量，为电力系统的稳定性控制开辟了新的思路用于负荷侧的超导储能装置可以改善供电品质和提供紧急备用电源但是，超导电力的实际应用本身还有若干问题需要解决，这有待技术的进一步发展，同时，发展超导电力也需要解决若干非技术性的问题1超导电力科学技术中的关键课题1.1实现超导电力需解决的基本问题要在电力系统中广泛应用超导技术必须对其经济性、技术优越性、与现行技术的兼容性、安全可靠性等4个基本问题进行研宄对于经济性和技术优越性，应该从2个方面来看：既要考虑超导电力装置超导技术的经济性，更应该注重引入超导技术后在电力系统中带来的总体经济效益和技术优越丨性就目前的水平来说，高温超导线材的价格仍然较贵，技术参数也有待进一步提高，所以国际上预测超导技术在电力系统中的实际：2000-12-）6段落。本刊将继续关注国内外超导电力技术的研究和发展，及时报道*新研究成果与动态。相信经过科研。生产运行。管理等部门广大科技工作者的共同努力，超导技术将以其独特的性能在未来电力系统中发挥重要作用。应用还需要5年~10年的时间名古屋大学的研究结果表明，在大城市电网中采用超导电缆技术时，虽然超导电缆本身的运行费用较高，但是，由于大容量的高密度输电可以改善和优化大城市电网的网络结构、潮流分布，从而可以使整个系统的网损下降，另一个是在电力系统中应用超导装置后的系统常规保护问题1.6.1超导电力系统中的失超保护还可i能引起超导体的“失超问题J因此必须进行fciSh！统故障这将严重影响系统的供电可靠性甚至会bookmark1超导装置只能运行在临界温度以下，所承受的磁场和所通过的电流均不得大于其临界值，否则就会失去超导电性，即发生失超。失超的危害是巨大的首先，超导装置送电容量大，严重的失超会导致电力应用够蒺可以说才刚刚起步，中国错院她h是涉及电电力系统中从发电电到影响系统的稳定性其次，失超后在超导装置内产生的热量可能烧损装置内的超导体，也可能导致冷却媒体体积的急剧膨胀，直至损坏整个装置（主要低温冷却媒体体积变化情况为：4.2K的液氦蒸发后，体积大8倍，100K液氦气体蒸发后，体积大530倍；77K液氮蒸发后，体积大182倍，100K液氮蒸发后，体积大250倍）第三，影响超导体临界值的因素很多，仅从表面看就有3个临界值，且3个临界值相互关联，而且还各自受到若干因素的影响，如超导体内部的交流损耗、磁通跳跃机械振动、冷却应力等都有可能导致临界值的下降，所以超导装置的失超保护是一个相当复杂的问题第四，失超还会引发诸如过电压、绝缘水平下降机械应力大等并发故障研究超导电力系统中的失超保护，应当从3个方面着手：①从超导线材开始，对失超现象进行细致的研究，这是失超保护的基础，②对超导装置的失超保护，包括如何减少失超后产生的热量，尽快将超导装置内的能量转移；③在失超发生后保证电力系统的安全稳定运行，这是超导电力系统的特有问题，也使得超导电力中的失超保护具有与一般超导技术的失超保护不同的含义，需要我们在充分理解超导电力系统的动态特性的基础上进行超导装置的动态设计，如超导电力装置的额定电流值以及保护装置的动作电流值，在系统运行管理中，也应当尽量避免可能导致失超的运行方式1.6.2超导电力系统中的保护系统超导电力系统中的保护系统除了必须完成现行常规系统中的保护任务外，还要实现超导电力装置的失超保护以及整个系统的失超保护。超导限流器是超导电力系统中的主要保护装置之一，它不仅可以限制系统中的短路电流，降低对断路器开断容量的要求，而且可以作为其他重要超导装置的过电流失超保护。超导限流器动作迅速、动作电流值可控引入超导限流器的系统保护可认为是故障电流水平可控的主动保护。如何协调超导限流器和常规保护系统的动作等将是超导电力系统安全保护的重要研究内容。 2关于发展超导电力科学技术的几点看法我国的超导电力应用技术研究和国外先进国家的差距较大美国、日本俄罗斯、法国、德国、瑞典英国、挪威等国家均相继研制出了各类超导电力装置实验样机我国在超导物理材料特性方面的研究和国外差距不大，有的甚至还处于**地位，在一般超导应用技术方面也有若干研究成果。但是，在超导电工研究所华中科技大学清华大学等研究机构和大学己经开始了初步的研究工作美国、日本等国家在超导电力应用技术方面投入了大量的资金。以日本为例，几乎所有设有电气工程学科的大学都在不同程度地从事超导电力应用技术研究其中，以九州大学大阪大学名古屋大学、横滨国立大学以及东京大学的成果*为显著。大型电机电缆制造公司、电力公司也投入了巨额资金，东芝日立三菱、富士等电机制造厂，昭和、住友、横河、藤仓等电缆制造厂，东京电力公司、中部电力公司、关西电力公司和九州电力公司等主要电力公司均参与了超导电力的应用研究工作。 应当看到，在超导电力科学技术的研究领域仍然存在广阔的发展空间超导电力毕竟还没有实现真正意义上的实际应用，即使在美国、日本等工业发达国家，迄今为止的超导电力研究工作也基本停留在单机超导电力实验装置的试制与实验室研究阶段，还没有将超导电力提到学科高度来综合研究只要我们不失时机地进入到超导电力科学技术进步的潮流中去，完全有可能形成自主的知识产权来迎接超导电力的到来超导电力的实现还有待各方面的努力和支捺2.1超导电力需要国家的重点支持超导电力科学技术虽然具有良好的应用前景，但毕竟还处于早期发展过程中。在我国现阶段开展超导电力研究还难以做到立竿见影，马上形成产品，占领市场，得到巨大的经济回报所以，超导电力的发展离不开国家重点投资。 美国、日本早期的超导电力研究工作也是以国家投资为主日本通产省和新能源开发机构在“阳光”计划‘月光“计划、”新阳光“计划中均包含了超导电力应用研究的资金在这些计划的支持下，相继成立了以国家支持为中心，若干研究机构和企业共同参与的以开发研究超导发电机及其相关技术为主要目的的联合组织（Super-GM，1988年成立）和以开发研究超导磁储能系统及其相关技术为主要目的的国际超导研究中心（ISTEC，1991年成立），同时，对其他超导电力装置也提供了大量的支持美国能源部很早就投资进行了超导发电机超导磁储能的partnershipinitiative）研究计划，表1为SPI计划中超导电力相关的项目及投资情况（均为高温超导），能源部（DOE）投资约占50%（资料来自因特网）2.2超导电力需要产业部门的支持从工业领域来说，超导电力既需要电力工业的热情，也需要机械制造业的关心一种新技术，而且表1美国spi计划主要内容及投资超导电力主要技术参数投资情况百万美元装置相关企业变压器限流器电力电缆电动机磁悬浮飞轮储能有电力部门从根本上认识到其必要性和技术经济优越性时才会得到真正的应用和发展虽然大多数超导电力装置与常规装置的基本原理和结构相差不大，但是，由于超导体的特殊电磁性能，超导电力装置的设计原则、制造工艺等仍然是制造厂商的研究课题只有制造厂掌握了成熟的超导电力装置的生产技术，才会有真正意义上的广泛应甩以日本为例，主要电力公司、若干电机电缆以及相关设备（如真空低温设备）制造厂不仅积极参与了有日本通产省或新能源开发机构重点支持的Supei.-GM和ISTEC的联合攻关研究，并且自主地进行了若干其他超导电力科学技术的研究工作。如东京电力公司和住友电工联合进行高温超导电力电000A，100m）的研究开发工作，双方各投资50%，共18亿日元（约合人民币1350万元）作者参加了日本名古屋大学主持进行的全封闭型超导一体化输电模型的研究工作（超导变压器6000V，250A，5m），该项目申请国家科研经费1600万日元，中部电力公司支持2000万日元，昭和电线电缆公司提供超导线材可以说，离开了电力行业和电工制造行业的支持，超导电力科学技术研究工作是难以开展起来的我国超导电力科学技术的发展有待于电力行业、制造厂的积极参与，共同挑战具有前瞻性的科学研究课题，以形成自主的知识产权23超导电力需要广泛的学科交叉超导电力首先是超导应用技术和电力系统的结合。现在的超导技术离不开低温低温技术不仅仅为超导提供了*基本的运行条件，还直接关系到超导设备的效率和安全可靠性，是超导技术能否实际应用于电力系统的关键之一。超导电力离不开超导实*重要的应用领域，二者互为依托，相互促进，是典型的跨领域跨学科的课题新型超导材料的开发以及提高超导材料应用性能的研究工作是超导电力的重要基础之一。在电力系统中应用超导技术，特别是应用超导储能系统时，电力电子是不可缺少的技术手段。由此可见，发展超导电力需要包括超导物理超导材料、低温工程、电力电子、电力系统、自动控制以及机械制造等学科的广泛交融反过来说，发展超导电力不仅可以在电力工业引发技术革命，同时可以促进若干相关学科的发展3结语在我国，由于能源资源和能源消费的分布极不均衡，高电压长距离的西电东送不可避免，这使得系统的稳定性问题变得十分突出随着电力消费的长，电力系统规模越来越大，断路器的断流容量己经很难满足系统短路容量长的要求；过大的短路电流又对电力装置提出了更高的电磁、电动以及热的技术指标由于用具有电阻的铜铝作为导电物质，网损巨大在大城市，电能消费密度不断长，但送电通道越来越紧张，用常规技术己经难以满足大城市高密度大容量送电的要求由于超导具有电阻为0以及其他一些优越特性，应用超导技术正是解决电力系统中上述困难的有效途径这将是电力行业和电工行业的技术革命。我们热切期望超导电力也成为我国电力、电工行业的一个研究热点；期望着通过广大科技工作者的努力，把我国的超导技术从基本理论、基础材料直至超导电力应用推向一个全新的发展水平，使我国在21世纪的国家间技术竞争中处于有利的地位.