超导电工技术

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.KamerlighOnnes）意外地发现，将水银冷却到-268.98℃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。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，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-196℃的液氮中，效率达99.1%，随后他们将变压器运行温度降低到-207℃，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2020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:超导电动机的主要应用对象是大型舰船的电力推进系统,而超导同步发电机的应用对象主要是电网的同步调相,对电网进行无功功率补偿,以改善电压品质和电网的稳定性。对于超导变压器,在一些特殊场合如地下变电站或电力机车,由于对电气设备的占有空间有严格限制,高温超导变压器能发挥其体积小的优势。高温超导电缆将主要用于中低压电压等级,主要发展应用于短距离大电流的场合,如城市配电、发电厂、变电站母线、电镀电解行业等。超导储能系统则主要是发展小型分布式储能系统,主要用于改善用户端的电力质量和供电可靠性,也可以用于输电网以改善电网的稳定性。超导磁悬浮列车除速度快之外，还具有无噪音、无震动、省能源的特点，有望成为21世纪交通工具的主力。超导电力技术不仅是一项民用技术,在国防安全方面也具有重大应用价值。例如，高温超导电动机可以用于舰船推进，大大减少舰船电机的体积和重量；高温超导限流器可以用于舰船电力系统短路电流的限制，超导储能系统在提高舰船电力系统稳定性和电能质量方面也将发挥重要作用。总之，超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术。如同20世纪的半导体技术一样，超导技术将对21世纪的人类社会产生积极、深远的影响。作为超导技术的重要组成部分，超导电力技术具有广阔应用前景。超导电力设备的应用，可大大提高电力系统的稳定性和可靠性，明显地改善电能质量，从而将使电力系统的面貌焕然一新。因此，超导电力技术的研究具有现实意