超导电力技术的发展现状和趋势研究

姜新

[摘 要]21世纪，我国经济发展迅猛，科学技术快速发展，其中，超导电力技术的发展引起了人们的高度重视，各个国家对该技术均进行了系统探索。现阶段，对于电力工业来讲，超导技术对电力行业的进步和发展具有十分深远的影响。基于此，本文深入分析了超导电力技术的发展现状，并研究了超导电力技术的发展趋势，希望为更多的业内人士提供参考。

[关键词]超导电力技术;发展現状;发展趋势

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.24.077

[中图分类号]F273;TM26[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2020）24-0-02

0     引 言

超导技术是一种尖端技术，随着超导技术的不断发展，超导电力技术产生的实际价值与实际产值也在逐年提高，成为降低电力传输能耗，提高电力传输效率的重要方式与技术。在输电过程中，超导电力技术发挥着重要作用，很多国内外专家开始深入研究该技术，他们认为，在未来的社会发展中，超导电力技术势必成为推动社会发展的重要力量之一。我国也在不断深入研究超导电力技术，很多文献都涉及了国内超导电力技术的相关内容。基于此，笔者结合多年工作的经验，系统论述了我国超导电力技术发展现状，并在此基础上预测未来我国超导电力技术的发展趋势，希望能推动我国超导电力技术发展。

1     超导电力技术概述

超导电力技术是一种新型的技术，指利用超导体的无阻高密度载流能力及超导体的超导态-正常态相变的物理特性发展起来的一门新的电力技术。超导电力技术最先在欧美国家受到关注，并得到了广泛运用。通俗地讲，美国在应用超导电力技术的过程中，结合了电网工程，加强了全国范围的电网建设，之后，超导电力技术成为美国电网应用的核心技术。我国的电力技术，特别是超导电力技术的发展水平，虽然和美国等先进国家存有很大差异，但是，我国相关研究人员通过多年的研发，已经在超导电力技术运用方面取得良好成绩。目前，面对超导电力技术广泛应用的发展趋势，我国势必要将超导电力技术的研发和应用置于电力事业发展的核心地位。

2     超导电力技术应用的相关装置

2.1   大电流引线

超导体的运行应在4.2～77 K（K表示热力学温标）的低温条件下进行，如果温度差超过200 K，热量将从高温区侵入低温区。隔热层（如真空层）可以成功地抑制由于低温杜瓦产生的热量入侵。电流引线直接连接到低温和高温环境，且通过电流引线侵入的热量在总热量中占大多数。因为高温超导体的导热系数较小，作为电流引线中的高温超导体应用能够最大限度地减少低温状态下的热量入侵。现阶段，使用由高温超导体和铜导体组成的二进制电流引线，温度高于液氮温度范围的部件应使用铜导体，低于液氮温度范围的部件应使用高温超导体，这就是高温超导电流引线。

2.2   高压低温绝缘套管

虽然超导体并没有电阻，但低电压依旧可用于大容量输电，这并不意味着超导功率用不到高压技术。目前，超导电力装置的开发应用，已逐步向高电压发展，超导电缆电压达到275 kV。超导电力装置的电流引线套管需要经过液氮（氦）、低温氮（氦）、常温的不同环境，且绝缘条件十分复杂。高电压与低温度绝缘套管的重要性将随着电力装置的实用性和规模化体现。

2.3   大功率电力电子转换器

如果要实现超导储能系统与电力系统之间的互联，需要有效应用大功率电子电力转流装置。现阶段，脉冲宽度调制控制通过环流装置可以实现超导储能系统从吸收或向系统传送有功功率与无功功率，有效提高超导储能系统性能，然后深入探索效率较高、容量较大、谐波较低的环流装置。

2.4   超导电力技术的相关课题

为了将超导电力技术广泛运用到电力系统中，需要相关研究人员结合下列内容进行深入研究。第一，从技术性能看，有效提升超导线材的技术性能，减少成本支出;第二，从超导电力装置的角度看，注重优化设计及改进其电磁特性;第三，从系统角度看，深入研究超导电力装置的导入对电力系统特性的影响以及电力系统动态特性对超导装置技术的要求;第四，从安全保护角度看，深入探究超导装置与包含超导装置的电力系统失超保护问题;第五，从低温角度看，有效提升冷却效率，并提高可靠性。

3     我国超导电力技术的发展现状

3.1   高温超导限流器的发展现状

作为电力系统中至关重要的装置，超导限流器对现代化电力系统的发展具有重要意义。超导限流器的主要作用是检测与限制电流，具有触发功能，这种装置的阻抗变化范围大，响应时间短，速度快，这些优势决定了高温超导限流器可以有效保护电气设备，并保护供电的可靠性，进而提高供电稳定性。

3.2   高温超导输电的发展现状

高温超导输电是超导技术中最直接的技术，也是电力超导技术的初期发展目标。高温超导输电技术的应用可有效提高输电效率，降低输电损失，大量节省电力资源。这是现代社会发展的必然趋势，也是建设资源节约型社会的必然选择。

3.3   超导储能系统的发展现状

现如今，能源已成为现代社会进步与发展过程中最重要的因素，也是现代各个国家之间竞争的主要因素。能源具有多种形式，比如：太阳能、潮汐能、风能等，这类能源均属于可再生能源，但是存在形式都不稳定，想要实现合理运用，就要将其转化成稳定的能源形式。超导储能系统具有响应速度较快、输出功率较高、控制性比较灵活等特性，这些特性直接决定了其可以实现高效调度、适时动态功率平衡，这对于提高电网供电质量和储存电能等具有重要的意义和价值。

3.4   超导电机的发展现状

超导电机是如今超导电力技术应用的重要趋势，通常可分成超导变压器与超导电动机两种类型。不管是超导电动机还是超导变压器，均具有占地小、容量高的特性，这决定了超导电力技术的价值。此外，超导电机还具有耗损小、重量轻的特征，在现代社会中得到了广泛应用。

4     超导电力技术的应用

4.1   超导电缆

电力电缆作为超导技术在电力系统中非常有潜力的应用载体，相同截面的超导电缆载流量一般是普通铜芯电缆的3～5倍，电能损耗小，重量轻。因此，对比普通电缆，超导电缆具有较大的输送容量、损耗较小，可有效降低电网电压等级。在人口密集的大城市，在供电电压不变的条件下，需要在有限的空间中提高电力输送容量，进而满足人们快速增长的电力需求。

4.2   超导变压器

如果超导材料代替铜当作变压器绕组，则可以有效减少变压器重量，减少噪声。另外，在低温工作条件下，变压器的使用年限不断延长，且能有效降低损耗，过载能力强，限制系统过流。

4.3   超导限流器

在电力系统中应用的限流器具有以下功能：在正常运行过程中损耗较小，如果系统出现故障则要在瞬间限制短路电流，在故障电流消失之后立即恢复到正常状态。具体而言，正常状态下，超导限流器处在超导状态，损耗较小;一旦系统出现故障，会立刻转变为非超导状态，这类导电状态的跃变可在小于1毫秒内顺利完成，从而限制短路电流，保障系统稳定。电力系统中利用超导限流器后，系统设备的短路容量值不能减少，进而有效提高电网的输送容量，扩大电力规模，节省设备投资。

5     超导电力技术的未来发展趋势

5.1   向高电压等级方向发展

现阶段，我国电力技术在配电网中得到了广泛运用，而专家对超导电力技术的深入研究，使超导电力技术飞速发展。从配电到输电领域发展，从低压等级向高电压等级发展是电力技术发展的必然趋势，因此，我国应参照国外成功转型的经验，确定我国超导电力技术的发展方向。

5.2   向集成化方向发展

新时期背景下，我国超导电力技术的发展虽然取得了很大进步，但仍处于初级阶段，超导装备发展依旧不成熟，功能十分单一。伴随超导电力技术的进步发展，现有超导装置已无法满足超导电力技术的发展需求。基于此，超导装置向集成化转变已成为必然趋势，通过组装超导装置，能够有效发挥超导电力技术的作用。

5.3   向超导直流方向发展

以往我国大都采用交流输电方式输电，原有的交流输电模式在输电中消耗大量能源，效率较低，超导直流输电模式的功耗较小，效率较高，在同等条件下，超导直流的输电模式具有较高的性价比。通过相关实践可知，随着超导电力技术的飞速发展，超导输电势必会向超导直流趋势发展。

6     结 语

超导电力技术的发展与应用极大地促进了我国电力事業的进步与发展，有效降低了供电与输电过程中的能量损耗，利用该技术可以保障电力系统的稳定与安全，对现代社会的进步与发展具有重要意义和价值。超导电力技术的进步与发展极大地改变了现代电力运输形式，有效降低了电能损耗，为建设资源节约型社会提供了有力保障。

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