电力应用中的高温超导

中国科学院电工研究所  林良真  肖立业

自20世纪60年代非理想的第Ⅱ类超导体NbTi、Nb₃Sn等相继发现以来，国际上曾对超导材料在电力方面的应用给予很大的关注。但由于超导线在工频运行条件下还存在有交流损耗，在当时条件下，采用超导技术所节省的焦耳损耗补偿不了所增加的制冷功率消耗。因此，在相当一段时间内，超导技术在工频电力装备中的应用研究发展缓慢。80年代初，随着低交流损耗的极细丝超导线的出现，超导技术在工频电力装备中的应用再次引起人们的重视。1986年高温超导体发现后，超导材料性能不断改善和提高，如千米长的Bi系带材平均工程电流密度已达14000A/cm²（0T、77K），人们便把超导电力应用研究的注意力转向高温超导材料。美国、日本和欧洲各国政府和相关大公司都投入大量的人力和资金，开展高温超导电力应用研究。下面就近年来高温超导电力应用研究的进展及其发展前景作一介绍。

高温超导电力应用进展

1. 超导故障电流限制器  超导故障电流限制器（或称超导故障限流器）是利用超导体的超导态-正常态转变的物理特性来达到限流要求的。它集检测、触发和限流于一身，是十分理想的限流装置。1989年以来，美国、德国、法国、瑞士和日本等都相继开展高温超导限流器的研究，1995年美国LMC、ASC公司和LANL等合作研制成一台额定值为2.4kV/80A的桥路型高温超导限流器。它可将最大短路电流从2.2kA限制到1.1kA。该限流器在南加州爱迪生电站进行试验运行，它的动作反应时间为8ms，能将短路电流降低约50%，并能对相隔15s的两个400ms连续故障作出正确反应。在此基础上，通用原子能公司、磁通用公司、LANL与南加州爱迪生公司合作研制额定值为15kV/1200A的商用超导故障限流器。根据设计，它可将最大短路电流从20kA限制到4kA，即将短路电流减小到20%。该限流器的限流线圈为螺旋管线圈，由Bi2223带绕制。线圈内径为60cm、外径100cm、高75cm，导线长15km，线圈重约680kg，线圈工作电流为2037A（直流），电感为4mH，运行温度为40K。这是迄今为止世界上最大的高温超导线圈。整个项目投资为980万美元。第一个和第二个高温超导线圈已分别于1998年和1999年成功地通过试验，整个系统试验可望在2001年完成。

ABB瑞士研究中心一直从事磁屏蔽型高温超导限流器的研究，1996年成功地研制出一台10.5kV/70A三相高温超导限流器。该限流器成功地将短路电流从60kA限制到700A。1997年它已安装在Lontsch变电站进行试运行。

德国西门子公司与加拿大Hydro-Quebec合作，1999年完成利用YBCO薄膜研制0.77kV/135A电阻型限流器。YBCO薄膜有很大的正常态电阻，不会像银包套超导体那样被正常金属所短路，而且薄膜的热容很低，因此它反应速度快（＜1ms）、恢复时间短（1s级）。他们在基础上将进一步研制1.0MVA电阻型限流器。

日本三菱电气公司等自1990年开始就开展电阻型高温超导限流器研究，他们首先用在SiTiO₃基础上生长的YBCO薄膜制成限流器，经试验可将电流从400A限制到11.3A。

我国也开展了超导限流器研究，目前中国科学院电工研究所与北京开关厂、北京紫微星实业有限公司等合作开展7.2kV/400A高温超导限流器研究，最终将研制出20kV/1.5kA实用高温超导限流器。此外，东北大学物理系也开展了屏蔽型高温超导限流器研究，完成了一台实验室样机，并开展饱和电抗型限流器的研究。

2. 高温超导输电电缆  高温超导输电电缆是超导强电应用中的一个重要方面。1996年美国电力研究所、Pirelli电缆公司及Southwier公司采用ASC公司的Bi2223/Ag带状导线研制出长30m、115kV、2kA的三相交流高温超导电缆模型，其目标是研制1km的高温超导电缆。Southwire已经在其总部安装一根试验用的长30m、12.5kV、1.25kA的三相交流高温超导电缆，该电缆已经累计满负荷运行3000h以上；还计划在Carrollton的三个电站安装类似的电缆。Pirelli电缆公司的近期目标是在Edison变电站安装一根长130m、24kV、2.4kA的三相交流高温超导电缆，以取代现有的9根铜电缆。与原来的9根铜电缆相比，该高温超导电缆的总直径减少66%，总重量由8170kg减少到110kg。预计该电缆于2001年2季度开始运行。

日本东京电力公司1995年研制出长7m、66kV、2kA的三相交流电缆，他们的目标是研制出66kV、1000MVA的高温超导电缆为东京地区供电。

1998年，中国科学院电工研究所、西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院合作研制出1m、1kA的直流高温超导电缆样机。在此基础上，于2000年研制出长6m的高温超导直流电缆，它包含低温容器、高温超导电缆芯、电缆的绝缘和电缆终端等部件。电缆芯的导体由8层共238根Bi2223/Ag带材在不锈钢波纹管骨架上螺旋绕制而成，安装在低温容器内，并与两个终端相连。经实验，在液氮温度下电缆的临界电流达2480A（1μV/cm判据）。

3. 高温超导变压器  1997年，ABB、ASC和EDF公司联合开发成功的一台容量为630kVA、变比为18.7kV（11.2A）/0.42kV（866A）的三相高温超导变压器，并成功地并入日内瓦电网。这台高温超导变压器采用Bi2223带材的工程临界电流密度为4500A/cm³，截面2.5mm×0.25mm，银超比4：1。1998年，ABB、ASC及EDF再次达成进一步开发三相10MVA高温超导变压器样机的合作协议，计划于2001年完成。

美国目前正在研究容量为30MVA、变比为138kV/13.8kV、60Hz的三相高温超导变压器样机，因为这种容量和电压等级的变压器约占美国今后20年中等容量变压器销量的50%。该变压器使用的超导线为银基Bi2223复合导线，运行于20K～30K，计划于2001年完成。设计表明，该高温超导变压器重量将只有24t，其中高温超导体仅重90kg，而同样容量的常规变压器的重量达48t，其中铜导体达数千公斤。高温超导线圈取代铜线圈和采用小型制冷系统取代常规的油浸热交换系统是使变压器发生变革的两个关键技术。

1996年日本九州大学研制了一台单相6.6kV/3.3kA、500kVA的高温超导变压器，运行于77K下，效率为99.1%。当运行于66K时，容量可提高到800kVA，效率达99.3%。

1999年德国西门子公司研制一台5.6kV/1.1kV、100kVA高温超导变压器，实验表明，高温超导绕组损耗仅为同容量常规变压器绕组损耗的1/6。目前西门子公司正致力开发铁路交通用的1MVA高温超导变压器。

4. 高温超导储能系统  目前，小型的低温超导储能系统（SMES）已经商品化。由于高温超导带的电流密度比低温超导线的低，且价格较高，因此有关高温超导储能系统的研究不多。1998年，苏兰Tampere理工大学研制了一台5kJ的高温超导SMES模型，超导磁体由11个双饼Bi2223线圈组成，外径317mm、内径252mm、高66mm、工作于20K、运行电流160A（平均电流密度85A/mm²）、总安匝数160千安匝，磁体系统采用G-M制冷机冷却。德国EUS也于1998年研制出一台8kJ的高温超导SMES原型样机，并计划于2002年完成150kJ/20kVA高温超导储能系统样机的研制。法国电力公司计划开展MJ级的高温超导SMES的研制工作，其中高温超导线圈将产生6T的磁场。

5. 高温超导电机  高温超导电动机可以采用高温超导永磁体制成或者用高温超导带材绕制电动机的磁场线圈，但对于大型的电动机来说，采用高温超导带材更为有利。1996年2月，美国REC公司成功研制出一台四级高温超导同步电动机：转速为1800r/min，高温超导线圈工作于27K，能连续输出147kW的功能（比设计的92kW高出60%）。计算表明：该电动机的峰值负载可达到294kW。1997年8月，REC公司开展3.7MW的高温超导电动机的研究工作，计划2001年完成全部研制工作。美国海军对单极高温超导电动机的研究高度重视，1996年，他们利用ASC和IGC提供的两个跑道型高温超导线圈研制的单极电动机在4.2K和28K下可分别输出122kW和82kW的功率，转速达11700r/min，电枢电流为30kA。美国海军希望将单极超导电动机用于船舶推进。1994年，GE公司领导开展了100MVA高温超导发电机的概念设计与评估工作,并研制用于该发电机的跑道型高温超导线圈。该高温超导线圈由3500mBi2223带（IGC提供，25K下的临界电流为34A）制成，总安匝数为40000，完全满足100MVA发电机的需要。

6. 高温超导磁体  超导磁体是超导电机、变压器和限流器等的关键部件。在30K以下Bi系导线的零限电流密度（J_C）在高场下几乎不随外磁场（已经测试到35T）的增加而衰减。因此，它很适用于高场超导磁体。1995年以来，美国国家高场实验室、日本金属材料研究所、牛津大学和德国卡尔斯鲁厄技术物理所都相继开展了1.0～1.1GH_Z核磁共振（NMR）的研制工作，其磁体的中心磁场将达23.5～25T，它由外NbTi-Nb₃Sn线圈和中间插入Bi系高温超导线圈组成。目前，日本金属所的高温超导试验线圈在1.8K和18T下可产生3.4T的磁场。该高温超导线圈利用共长1km的Bi2223mm带绕制，其有效孔径61mm、外径158mm、高223 mm，共有20个双饼线圈组成。在此高温超导线圈内，再加入另一个能产生1.98T的高温超导线圈，总磁场已达到23.4T。他们的1.0GH_ZNMR计划预期2001年完成。IGC公司采用2400m的Bi2223/Ag带研制的饼式线圈在4.2K和在没有外加磁场的零背场的下可产生3.2T的磁场。住友电气公司利用G—M制冷机冷却的高温超导线圈在20K可产生7T的磁场。该线圈由24个双饼线圈组成，运行电流230A，室温孔径达50mm。此外，日本东芝公司和住友公司等合作研制了一台用于硅单晶生长的高温超导磁体，磁体采用80km的Bi2223带绕成，运行于20K以下，磁体的直径达1.2m。

超导电力应用的前景及问题

超导科学技术是当代凝聚态物理最重要的研究领域，是当代材料科学一个十分重要前沿。超导技术又是一个有广泛应用和巨大发展潜力的高技术领域，在能源、信息、交通、科学仪器、医疗诊断技术、国防以及重大科学工程等方面都有或将有重大作用。超导应用技术发展与高温超导材料、高温超导体的超导物理、电工学、低温技术等有重要关系。

超导电力应用研究是21世纪高新技术发展的重要方向之一，有许多新的理论和关键技术需要研究，如高温超导线的磁通运动和交流损耗、高温超导线圈热稳定性和失超保护、高温超导电力设备内部复杂电磁场的计算、低温下高电压绝缘技术、超导电力设备冷却技术以及配备有超导设备的电力系统动态稳定性和参数匹配等。

超导技术将是21世纪具有战略经济意义的高新技术，而超导电力技术很可能首先商品化，从而将带动整个电力工业的革新。高温超导材料的进一步发展，无疑将会大大推动超导技术的应用进程，并形成新的高新技术产业。