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超导技术在未来电工技术中的重要地位 电气1121班 1130117124 刘建宇 摘要 人类进入21世纪以后，超导技术应用将成为电力科技领域最具发展潜力的技术之一 。目前超导技术在电力系统中的应用已取得长足的进步，正迅速地由实验阶段转入实际的工程应用，将把电力科技的发展带入一个崭新的阶段。　　 早在1911年，荷兰物理学家Onnes首先发现在温度接近绝对零度即液态氦温度时(4K＝－269．2)，金属汞的电阻完全消失这一超导现象。以后人们一直在寻找具有更高温度的超导材料，可是直到1973年才发现了临界温度在23．2 K的铌锗合金（Nb3Ge）超导材料，临界温度从4 K上升到23．2 K整整花了62年时间。由于要获得液态氦非常困难，超导技术在电力系统中的应用始终处于实验阶段。　　 1988年超导材料的研究取得了重大突破，科学家Mueller和Bednorz发现一些多元素合金化合物在温度达到130 K（－143）时就呈现出超导特性，而要达到这一温度使用液态氮就能实现。二位科学家因此而获得了诺贝尔奖。因为液态氮的价格仅是液态氦的1／50左右，维持超导状态所需的冷却系统造价大大下降，为超导技术在电力系统中的应用创造了有利的条件。现在美国、日本以及欧洲一些主要工业国家都以极大的热情，投入了大量资金，积极开展超导技术在电力系统中的应用研究工作，并且已在超导电力设备的实用化方面取得了相当大的成果。超导电机超导发电机具有更高的发电效率，更小的重量和几何尺寸。1977年美国电力研究院（EPRI )就开始1200MVA超导发电机的概念设计，1994年美国GE公 司在美国能源部的资助下，开始100 MVA超导发电机的研制〔3〕。由于发电机 采用超导转子其产生的磁场强度大大高于同容量普通发电机。这一方面大幅度减小了定子铁芯的尺寸，有利于提高定子绕组的绝缘水平，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。普通发电机与概念设计的超导发电机尺寸及性能比较见图3 和表1。?  超导发电机的另一个突出特点是有利于改善系统的稳定性。一般来说，发电机的电抗越小，系统就越稳定。超导发电机的电抗大约只有普通发电机的1/4左右，因此在系统电抗相 对较小时，系统的稳定极限增加了约4倍。另外对超导电动机的实用化研究也取得很大进展，美国Reliance公司的150 kW、1 800 rpm 超导电动机已通过试验，更大容量的745～3 730 kW超导电动机正在研制中超导变压器如果用超导材料替代铜来作变压器绕组，变压器的重量就会大大减轻，噪声大大减小，而且因不用变压器油而无火灾之忧，即使发生泄漏，液态氮蒸发到空气中对环境也无害，并且变压器工作在低温下其使用寿命要长得多，更重要的是进一步减少了损耗，过载能力强且对系统过流有限制作用。美国Waukesha公司在1997年就研制了1 MVA的超导变压器〔2〕 ，其结构如图2所示。绕制线圈的超导材料采用极细的复合多芯线，高低压绕组均置于液态氮中，而铁芯则于处常温下。因液态氮的冷却成本较低，为简化结构，有的超导变压器将绕组和铁芯全部置于液氮容器内。还有的结构设计是在绕组导线中流动制冷剂。该公司已计划于2001年中期在美国威 斯康新州投运一台正常容量5 MVA、过载容量10 MVA/26.4 kV的超导变压器。ABB公司的一台 三相18.7 kV/630 kVA的超导变压器绕组也是采用BSCCO材料，液氮冷却温度为77 K，铁芯 为常温，已在瑞士的日内瓦配电网中成功运行2年多时间。超导电缆　　电力电缆是超导技术在电力系统中很有发展潜力的应用之一。相同截面的超导电缆载流量大约是普通铜芯电缆的3～5倍，电能损耗极小，而重量要轻得多。因此和普通电缆相比，超导电缆输送容量大、损耗小，电网的电压等级可以大大下降。人口稠密的大城市在供电电压不变的情况下，要在有限的空间内扩大电力输送容量以满足迅速增长的电力需要，在原有地下管道内用超导电缆替代常规的铜芯电缆是解决方案之一。3条单相长130 m、24 kV，输送电流达2．4 kA的超导电缆，现正在美国底特律市的Frisbie变电站敷设，这将是世界上第一条正式投入商业运行的超导电缆〔1〕。它的基本截面构造如图1所示。这条超导电缆由世界最大的电缆制造商之一Pirelli电缆公司和美国超导公司ASC合作研制， 其中关键的超导体是由银合金的陶瓷化合物BSCCO(铋-锶-钙-铜 -氧化物)构成，这种带状超纯化合物在超导状态下的电流密度极高，尺寸仅4mm宽、0. 2 mm厚。超导薄带绕在一柔性空心芯管上，外层覆盖有保温材料，最外层则是常温下 的绝缘介质和保护外套。电缆中心是流动的液态氮制冷剂，要将超导体冷却至大约－200左