超导材料在电力系统中的应用
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【摘 要】超导材料在电力系统中可以扩大电网的输送，降低传输损耗，提高系统的运行稳定性，有效改善电能的质量，这样有助于环境的保护。超导材料的发展有效的推动了超导应用技术的发展，这是新世纪电力技术中最具有潜力的应用之一。本文就对超导材料在电力系统中的应用进行深入探讨。
【关键词】超导；材料；电力；应用
超导材料自20世纪问世以来，研发的步伐加快，应用的领域也逐渐增多。由于超导材料在电学上具有许多出色的性能，所以在电力系统中应用广泛。超导电力技术的应用不仅可以提升电力工业的发展水平，同时也引起了电力工业产品的重大变革。采用超导电力技术解决传统电力工业发展出现的问题，是电力工业未来发展的方向。
1、超导材料
超导材料具有常规材料不具备的3个基本特征，即零电阻、完全抗磁性、宏观量子效应。这在提高电力系统电力传输效率、减少电磁损耗等方INI拥有很大帮助。与传统的超低温超导材料所需的极低温度（23K）不同，高温超导材料所需要的温度要高很多，可以采用液氮来致冷，取代了昂贵的液氦，也使得深冷系统的效率提高了50倍。大大缓解了温度对超导材料应用的限制。目前发现的Bi系、Y系、T1系和Hg系超导体，都已基本达到电力系统的应用要求，但T1系和Hg系含有有毒元素，目前使用的Y系和B系带材已经用来制造电缆、变压器等电力设备。
2、超导材料在电力系统中的应用
2.1超导电机
超导电机的基本结构和常规电机相似，主要由转子、定子组成，只是还须有相应的低温容器以使超导体处于超导态。超导电机一般可分为绕组型和块材型两种。所谓绕组型超导电机是指电机的定子绕组或转子绕组由超导线绕制的线圈组成，而块材型超导电机是指电机转子由超导块材组成。由于超导电机采用了超导体，超导电机的运行电流密度和磁通密度都大大地提高了，这一方面大幅度减小了定子铁芯的尺寸，有利于提高定了繞组的绝缘水平，另一方面也提高了发电机的端电压，甚至可取消升压变直接将发电机并入电网运行，而损耗要比普通发电机下降50%以上。与常规电机相比较，超导电机能够承载更大的电流，产生更强的磁场，在输出功率相同的情况下，超导发电机具有更高的发电效率，更小的重量和几何尺寸。由于超导发电机的电抗约为普通发电机的1/4，它的使用将有利于改善电力系统的稳定性。
2.2高温超导储能装置
由于高温超导技术的突破和电力电子技术的发展，超导储能系统已经在欧美一此国家的电力系统中得到初步的应用，SMES因具有无损储能、快速吞吐和按系统要求在四象限范围内对系统有功和无功功率进行调节的特点，提高了电力系统的动态特性、维持电网稳定、提高输电能力和改善供电品质方向发挥了极其重要的作用。
2.2.1电磁储能
线圈中通电时，其所存储的能量与电流的平方和电感的乘积成正比，由于线圈导体有电阻，能量会以焦耳热的形式消耗，而高温超导在深冷状态下电阻为零，不存在焦耳热损耗，能量即可水久储存。早在1978年美国就开始研究存储能量为30MJ的超导电磁储能设备，并于1984年并网运行，储存的电能释放时效率达到95%。现在的电力系统内，能够实现大容量的储能发电系统主要有抽水蓄能、压缩空气蓄能、飞轮蓄能和电磁蓄能四种，其中抽水蓄能因其简单安全运用最为广泛，然而最具有潜能并且效率最高的还是高温超导电磁储能。
2.2.2飞轮储能
飞轮储能发电设备是仅次于抽水蓄能发电设备的一种大容量储能系统，两者基本原理结构形式类似：都采用发电电机。但抽水蓄能是在用电低谷时将水送至高处，待到用电高峰再用其发电。而飞轮储能则是在用电低谷是将发电电动机作为电动机来驱动飞轮旋转；电网负荷高峰时，发电机又被飞轮驱动来发电。飞轮储存的能量与其转速和转动惯量成正比。采用高温超导新材料制成的磁浮式推力轴承，可使飞轮和转子等转动部分在磁力恳浮状态下无阻力高速旋转。1991年日本开发的8MWh机组，储能效率高达84%.超过抽水储能和普通飞轮储能（70%），其极高的稳定性和氏使用寿命使其成为储能发电系统的发展方向。
2.3超导故障限流器
限流器是防止雷击或异常大电流造成电力系统破坏的保护装置。在电力系统工作正常时，限流器应是零阻抗，一旦发生异常，它的阻抗或导纳应迅速变化以达到保护目的。其动作应完全自动，而且无差错，因此，要求限流器能通过大电流并能耐高压，具有单畴结构的氧化物超导块材可以满足这些要求。超导型故障限流器（superconductorfaultcurrentlimiter，简称SCFCL）主要是利用超导的临界电特性，在发生故障时，使超导失超，瞬间恢复为常规导体。这一应用于20世纪70年代提出，到1983年法国阿尔斯通公司研制出交流金属系超导线后，各研究机构才逐渐开始研究超导故障限流器。超导故障限流器的研究投资少，其应用可能会很快进入实用化，有可能是最先得到大规模实际应用的超导装置。法国在2003年成功地利用熔融织构超导块材加工成曲折线的形状，制成横截面积4mm2，长度200～300mm的电阻型限流器，在1kV电压下将11000A的故障电流成功地限制到740A。
3、超导材料在电力系统中的应用前景
长期以来，传统电力系统的稳定性差和可靠性差问题一直存在，这也极大地影响了供电品质和经济的发展。超导电力技术的出现，从技术上带来了一系列的革新，第一减少了电力系统中电力输送的损耗，大大低于传统电网的损耗量；第二增强了电力系统输送的能力，输送能力达到原来的数十倍；第三电网故障短路问题大为减少，极大地提高了电网的安全性。另外，在应用超导电力技术之后，不但电网的输送容量不大的问题得到了有效的改善，而且还提高了电能的质量，提高电网的稳定性和可靠性，甚至还减少了电网的占地面积，很大程度上降低了电网的建设费用，并使电网的实输送能力大大提高。在21世纪，超导电力技术已经有了长足的发展，但要在电力系统中大规模应用，还需要进一步加强如下领域的研究：①对研究超导电力系统的潜能进一步挖掘，加大对其研究的投入，加快更新超导电力装置，以求满足各种环境下电力系统的要求，并且使超导体的优越性能全面地展现出来。②对于超导电力装置的内部动态特性和与电力系统动态两者的作用需要进一步研究，对应用超导装置的电力系统规划、运行、稳定、控制理论的研究，对其经济性、可行性、技术优越性、安全可靠性等方面进行考证。③将超导材料和电力系统完美地结合在一起，同时加大对超导变压器、超导储能装置的完善力度，还要对超导限流器和统一潮流控制器等进行积极的改进，力求使超导系统性能完美发挥出来，可以有效地提高电力系统的稳定性和安全性。④进一步对低温冷却技术进行试验，主要对高效、高可靠性的低温系统和传导冷却技术研究，还可以对低损耗的电流引线、磁体电源的控制和保护等进行试验。⑤对超导材料进行积极的探索，研究更为实用的超导材料。重点研究生产成本低、易于加工、使用温度高的新型超导体，同时要提高超导材料的性能，提高其机械特性和温度适应性，这都对超导电力技术的实际应用具有十分重要的现实意义。
4、结语
超导材料经过了20多年的发展，其制备工艺与性能已经逐渐变得成熟，现已初步进入了大规模实际应用和产业化。由于节能环保、新材料、新能源为主题的未来发展趋势，超导材料的潜在应用价值及市场是巨大的。同时对超导材料及其相关技术具有十分强烈的需求，它的进一步实用化还需要政府、科研院所和企业等各方力量的共同努力。可以预见，在强国强军的道路上，超导材料将发挥越来越重要的作用。
参考文献：
[1]刘汉贤.超导技术研究现状及其应用展望[J].电瓷避雷器，2016（3）：51-55.
（作者单位：国网晋中供电公司）
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