超导输电技术的应用及问题

研究生课程考核试卷科目:新型输电技术教师： 科目:新型输电技术教师： 题目：超导输电的应用及问题姓名：学号：专业： 电力系统 类别：学术型上课时间： 2015年5月〜2015年7月 考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师（签名） 重庆大学研究生院制超导输电的应用及问题摘要：我国电力资源与负荷资源分布极度不匹配，电力的远距离输送不可避免，特别是未来可再生能源的规模开发与利用，将会进一步加剧这种不匹配的格局。因此大规模的电力远距离输送在我国尤其重要。超导输电技木由于其输送容量密度大、损耗极小，是实现大规模电力远距离输送的潜在解决方案之一。本文就超导输电技术发展现状，首先讲解了超导输电的原理，进一步，对国内外超导输电的应用发展情况做出详细介绍，并分析了超导输电技木的优点和大规模应用的实现问题0关键词：超导输电高温超导超导电缆低温绝缘1.引言我国电力资源与负荷资源分布极度不匹配，电力的远距离传输不可避免，特别是未来可再生能源的规模开发与利用，将会进一步加剧这种不匹配的格局，大规模的电力远距离输送在我国尤其重要。但传统的电缆受铜、铝等基本导电材料的电导率限制，损耗不可避免。尤其在长距离输变电过程中，由于线缆造成的损耗约占总线路损耗的70%左右。同时，随着电能消费密度的不断增长，送电通道越来越紧张，常规技术以不能满足负荷中心高密度大容量送电的要求。在日本东京、大阪等大城市中，中心电力消费密度己达到80-100MW/kin2,大容量高密度送电问题十分突出⑴。为减少电能输变过程中的损失，也必须采用新型输电方式来实现资源节约型电能输送。超导输电技术是利用高密度载流能力的超导材料发展起来的新型输电技术。运用超导输电电缆作为电能传输媒介。由于超导材料的载流能力可以达到100〜1000A，mm%大约是普通铜或者铝的载流能力的50〜500倍，且其传输损耗儿乎为零（直流下损耗为零，工频交流下有少量交流损耗【2】。正是由于超导输电有诸多优点，且能够有效解决损耗和大容量大电流传输的问题，所以近年来超导输电技术受到各国的重视，先后有多个国家开展了超导输电技术的研究。本文就超导输电的发展现状，重点介绍国内外超导输电的应用，并分析超导输电技术存在的问题。2.超导输电技术的发展和应用近儿年来，关于超导技术的成果接连不断，让人们看到了超导技术的巨大作用和广阔的应用前景。至此，许多国家把超导技术当作21世纪具有经济战略意义的高新技术来重点发展，而重中之重就是加快超导电力技术的应用，以促进电力能源工业的重大变革。2.1.超导原理及超导电缆结构很低的温度下，物体会形成一个核外层电子公用的状态，这就是物质的超导态，核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。处于超导状态的物体电阻非常小，而电缆在传输电能过程中主要的损耗就是电阻造成的。因此，采用超导电缆进行电能传输可以有效的减少电能损耗。1-外护套；2-电绝缘；3-热绝缘：4-高温超导带材：5-波纹管骨架；6-LN2；7-低温恒温管内管；8-低温恒温管外管图1常温绝携高温超导电缆示意图图1所示是超导电缆的一般结构。超导电缆主要由电缆本体、终端以及低温制冷装置组成〔％超导电缆本体还包括电缆芯、电绝缘和低温恒温管，其电缆芯是由超导线带绕成，它装在维持电缆芯所需低温的低温恒温管中。电缆芯的超导线带在终端通过电流引线与外部电源或负荷相连接。超导电缆的低温恒温管一般采用具有高真空和超级绝热的双不锈钢波纹管结构，这种结构保证了超导电缆的柔性和保持夹层高真空度。超导电缆绝缘有常温绝缘和低温绝缘两种绝缘方式。常温绝缘超导电缆的电绝缘层是处在电缆低温恒温管外的常温区，它可以采用常规电缆的电绝缘材料和技术，低温绝缘超导电缆的电绝缘层是直接缠包在导体上，并与导体一起处在低温区，这样电缆尺寸将更紧凑。为了防止电缆载流时产生磁场对周围环境的影响，通常在绝缘层外还加有屏蔽层。2.2.国外超导输电技术发展和应用自20世纪90年代中期以来，液氮温度的高温超导材料制备技术取得了很大的进步，从而引发了世界范围内的超导输电技术研充开发热潮.美国、欧洲、日本、中国和韩国等都相继开展了高温超导电缆的研究，完成了多组高温超导输电电缆的研制，研究重点主要集中在高温超导交流输电电缆。美国南方电线公司于1991年首先将30m长、12.5kV/1.25kA三相交流高温超导电缆安装在其总部进行供电运行；丹麦于2001年研制出30m长36kV/2kA的三相交流高温超导电缆并进行并网运行实验。此后，国际上有多组更长距离的高温超导电缆并入实际电网运行，主要集中在美国，包括长度分别为200m、350m等三相交流高温超导电缆，均已完成研制，并投入到实际电网示范运行。2008年4月美国纽约州长岛市电力局（LIPA）、美国超导公司（AMSC）联合宣布：世界上第一条高温超导电缆己在商业电网中投入运行。该电缆用3根高温超导电缆和138千伏电压将574兆瓦的电力传输约600米【4】。日本多年来一直致力于超导输电电缆的研充与开发，1997年日本住友电气公司、古河电气公司，以及日本电力公司等己合作开展高温超导输电电缆样机的研制o2004年日本在经济、通商和工业省的支持下，Funilawa电气公司和电力工业中心研充所（CRIEPI）等研制出500m长、77kV/lkA单芯高温超导电缆。2006年，日本住友公司完成了全球第一组以商业化方式订制的100m长、22.9kV/1.25kA三相交流高温超导电缆的开发并交付韩国使用。目前在世界范围内，在较长距离的高温超导电缆的研究开发方兴未艾，高温超导电缆的实用化步伐正在加速，韩国启动了500m、22.9kV/1.25kA的三相交流高温超导电缆的研制，电缆安装在首尔韩国电力公司附近的配电网中，于2011年9月投入示范运行;美国超导公司与韩国LS电缆公司于2009年9月建立战略合作伙伴关系，共同推进韩国现有电力传输网采用高温超导电缆的进程，预计在未来五年内将实现50km高温超导电缆在实际商业电网中的使用和服务。德国从2012年起规划建设长达1公里的高温超导输电电路，输电电压10kV,输电功率40MW，计划四年建成。如果建成，该条高温超导线路将成为世界上最长的高温超导输电试验线路。俄罗斯近期也分别启动了超导输电电缆研制项目，以期在超导输电技术发展中取得优势。由于直流输电的优势以及发展新能源的需求，近年来，超导直流输电技术的研究与开发备受重视。2010年，日本中部大学完成了一组200m长±10kV/2kA高温超导直流电缆的研制和实验。韩国拟计划在济州岛智能电网示范项目中，研发一组500m长、80kV/60MW的超导直流输电电缆，并利用该电缆作为可再生能源接入电网的通道。2011年5月，德国就开展千公里级高温超导直流输电示范工程的建设，召开了国际可行性专题研讨会。同年8月日本召开的第一届亚洲一一阿拉伯可持续能源论坛，提出开发撒哈拉太阳能和风能发电，并采用超导直流输电技术将电力输送到欧洲和日本的宏伟计划。为此，日本住友电气己经启动了一项旨在利用超导直流输电构造全球性可再生能源网络的前期研究项目。2.3.我国超导输电技术的发展和应用我国自“九五”以来，即开展高温超导电缆的研究。1998年中国科学院电工研究所与西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院合作，研制成功Im长、IkA的秘系高温超导直流输电电缆模型，随后乂先后完成6m长、2kA高温超导直流输电电缆和10m长、10.5kV/1.5kA三相交流高温超导输电电缆的研制与实验。2004年中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司等合作研制成功75m长、10.5kV/1.5kA三相交流高温超导电缆，先后安装在甘肃长通电缆公司和白银超导变电站中运行至今。2004年4月北京云电英纳超导电缆公司研制成三相交流、33.5m长、35kV/2kA的高温超导电缆，并在昆明普吉变电站投入运行。2011年中国科学院电工研究所与河南中孚公司合作，在中孚铝冶炼厂建成360m长、电流达10kA的高温直流超导电缆，如图2所示，2012年9月投入实际运行。这是目前世界上传输电流最大的高温超导输电工程。图2世界上最大传输电流的超导电缆2013年12月上海电缆所在宝山钢铁股份有限公司研发的长50m、额定容量120M^k的低温绝缘高温超导电缆系统投入实际供电线路使用［习。这是我国国内首条示范运行的CD绝缘高温超导电缆系统。以上工程的实施，为我国高温超导电缆设计、制造和运行积累了经验。当前，高温超导电缆的总体发展趋势是:以示范工程为突破口，进一步发展实用化高温超导输电技术，逐步实现在更大容量、更长距离的电力传输领域的应用。同时，从过去以开发交流超导电缆为主，到目前开始并重推进直流超导电缆的研究开发与示范。3.超导输电技术的优点及问题超导输电技术无损耗、载流能力强、传输功率密度大的特点，使得超导输电技术有广阔的发展前景。但超导输电技术需要依赖冷却装置和良好的绝缘材料，且导电金属本身一般较为稀有，造价高昂。因此，直到目前为止，大部分超导输电线路都处于试验阶段，且长度都小于1公里。3.1.超导输电的优势超导输电线路容量大。一条±800kV的的超导直流输电线路的传输电流可达10〜50kA,输送容量可达1600-8000万kW,是普通特高压直流输电的2~10倍。超导电缆最大的优点就是损耗低。由于超导输电系统儿乎没有输电损耗（交流输电时存在一定的交流损耗），其损耗主要来自循环冷却系统（对于交流输电也是如此）。因此,其输电总损耗可降到常规电缆的25%〜50%。由于直流输电时超导电缆有着更为优良的性能，所以近年来各国超导输电技术的一个研究重点是高温超导直流输电系统。由于载流密度高，超导输电系统的安装占地空间小，土地开挖和占用减少，征地需求小，使利用现有的基础设施敷设超导电缆成为可能。且超导输电导线截面积较普通铜电缆或铝电缆大大减少，输电系统的总重量可大大降低。此外，超导输电技术能够大大增加系统的灵活性。由于超导体的载流能力与运行温度有关，可通过降低运行温度来增加容量，解决了传统电缆输送容量不能越限的问题，使得输电系统运行更加灵活。现有的超导输电系统多以液氮作为冷却剂，但可以作为冷却液的物质有很多。如果采用液氢或液化天然气等燃料作为冷却介质，则超导输电系统就可变成“超导能源管道”，即在输送电能的同时也运送其他能源，从而在未来能源输送中具有更大的应用价值，拓展输送系统的多用途功效。例如，从新疆向中东部地区供应液化天然气和可再生能源电力，就可采用这样的“超导能源管道”。由于上述优越性，超导输电技术可为未来电网提供一种全新的低损耗、大容量、远距离电力传输方式。3.2.超导输电技术存在的问题在高温超导输电示范工程方面，国内外己取得了一系列成果，但输电电缆最长仅610m,最高额定电压138kV,运行时间普遍较短，具有明显的研发电缆在电网试运行的性质，与高温超导输电的实际应用尚有差距。要实现使高温超导输电尽快成熟到能进入国家未来电网建设计划，进行大规模建设与运营总目标，在技术上尚需解决如下问题：1）高温超导电缆采用液氮温度下工作的超导带材作为导体层替代常规输电的室温工作的铜铝导线，其发展需要解决多方面的相关技术，诸如电缆结构和绕制技术、电缆绝缘技术、电缆终端与接头技术、低温杜瓦管技术、液氮制冷与循环冷却技术以及安全运行技术等。为了适应未来超导电缆大批量生产的需要，还要做大量工作。此外，超导电缆冷却系统的运行稳定性和可靠性是决定超导输电可靠性的最重要因素，研究开发出最佳的长距离超导电缆的冷却技术无疑是一项十分重大的任务。因此，要发展高温超导输电还必须部署长期持续的示范工程工作，以求在输电工程的设计、建设、运行和维护方面取得突破。2） 目前，Bi-2223/Ag高温超导导线己实现了商业化生产和产业化发展，它在低场下的性能与价格较YBCO带材有一定优势，但由于其电磁性质具有显著各向异性，同时其电流密度将随磁场增大而急剧下降，从而限制它的应用范围。YBCO超导体具有更为优异的磁场下性能，电磁性质各向异性也较Bi2333/Ag小一数量级。由于不需要银作为基体材料，近年来一直是超导材料领域的研究热点回。超导带材要获得实际应用还必须针对千米级的长带开展工作，解决关键制备技术，并进一步提高其性价比。发展高温超导输电至关重要的是超导材料要在技术性能和价格方面都有新的、重大突破并形成规模化产业。3） 要真正实现高温超导输电的规模化实际应用，必须发展长距离、合理高效、安全可靠的大型液氮温区的低温制冷冷却系统并实现产业化。整个低温制冷冷却系统的发展与成熟还需大力发展一系列关键低温技术，主要包括：高效、长寿命和高可靠性的大型制冷机的研发、长距离超导电缆冷却流程的优化设计技术和低温输配技术、低漏热低温杜瓦管的优化设计以及低温系统监控与保护技术等。4）高温超导输电线路是由超导电缆和一、二次电气设备构成，由于超导输电电缆可比常规输电电流大，因此研发高载流、容量/功率匹配、性能符合要求的换流等一次设备和监控、继保等二次设备并实现线路/系统的科学规划、建设、管理和运营也是发展高温超导输电的重要任务。4.总结超导输电技术有大容量高密度传输