1 超导电力技术概述

超导体具有诸多特别的物理性质，如零电阻特性、完全抗磁特性、宏观量子相干效应等，超导技术就是基于这些性质而发展起来的。超导电力技术则是超导技术与电工技术相结合而产生的一门新技术。

超导电力技术主要研究开发各种超导电力装置以及含超导装置的电力系统的各种特性。超导电力装置具有体积小、重量轻、容量大等基本特点，许多电力装备都可以采用超导技术来提高其性能，如输电电缆、电机、变压器、储能装置等，同时还可采用超导技术研制出常规技术无法实现的新型电力设备，如超导故障电流限制器等。超导电力技术的实际应用，不仅可以极大地提高电力系统中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，并为电网向超大规模方向发展提供技术基础。表l列出了超导电力技术的特点及其对电力系统的作用和影响。

多年来，超导电力技术一直受到世界各国的重视。1986年发现高温超导材料以后，由于高温超导体可以在比低温超导体所需液氦温区(4．2 K)高得多的液氮温区(77 K)下运行，高温超导电力装置的研究倍受重视。近年来，由于美国和欧洲相继出现了多次大停电事故，西方政府和工业界都加快了超导电力技术研究的步伐。目前，在高温超导输电电缆、高温超导故障电流限制器、高温超导电机、高温超导变压器以及超导磁储能系统等研究方面，已取得实质性进展。

2 超导电力装置的特点及发展动态

近年来超导电力技术受到了世界各国的广泛重视。1999年，美国开始了SPI(Superconductivity Partnership Initiative)计划。开展了如超导电机、超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导磁悬浮飞轮储能等项目的研究。在“美国电网2030”计划中，还提出了采用超导电力技术建设骨干电网等建议，在其海军舰船先进电力系统计划中也列入了超导推进电机等研究项目。日本在20世纪90年代曾实施了SuperGM等超导电力技术研究计划，并成立了国际超导技术研究中心(ISTEC)，其主要电力公司及电机制造厂家均积极参与超导电力技术研究工作。法国、德国、俄罗斯、以色列和印度等都相继开展了超导电力技术研究工作。韩国也于2001年制定了高温超导技术的十年发展规划。

在超导电力装置方面，国外研究开发的重点主要是高温超导电缆、高温超导限流器、超导储能系统、高温超导变压器、高温超导电动机以及无功功率补偿用的高温超导同步发电机。表2列出了国际上超导电力装置研究开发的典型事例。

2.1 高温超导电缆

高温超导电缆采用无阻和高电流密度的高温超导材料作为载流导体，具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，其传输容量将比常规电缆高3～5倍，而电缆本体的焦耳热损耗几乎为零。虽然在交流运行状态下，它也存在磁滞、涡流等损耗，即交流损耗，但超导电缆只要超过一定长度后，即使考虑到低温冷却和终端所需的电能消耗，其输电损耗也将比常规电缆降低20％～70％。另外，高温超导电缆是采用液氮作冷却介质。在结构上还可以使其磁场集中在电缆内部，从而防止对环境的污染。同时，液氮冷却的高温超导电缆不会有漏油污染环境和发生火灾的隐患。随着大城市用电负荷的日益增加，高压架空线深入城市负荷中心又受到许多因素的影响．因此往往需要采用地下电缆将电能输往城市负荷中心。在这种情况下，采用高温超导输电电缆有明显的优势，是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。

20世纪90年代以来，美国、日本、丹麦和韩国等都相继开展了超导输电电缆的研究。2000年2月，美国Southwire公司研制了长30 m、12.5 kV/1.25 kA三相高温超导电缆，并安装在公司总部供电运行。2001年，日本东京电力公司与住友电工合作，研制出100 m、1 kA/66 kV三相高温超导交流电缆，并进行了冷却、额定电流通电运行、负荷变动、过负荷和耐压等一系列试验。2004年日本Furukawa电气公司和电力工业中心研究所(CRIEPI)等研制了长500 m、77kV／1 kA单相高温超导电缆，并进行了高温超导电缆在穿越地下、过河、上下坡等不同安装环境下的性能试验。2006年，美国超导公司(AMSC)、SuperPower公司等在能源部和纽约州等支持下，分别研制出200 m(13.5 kV／3 kA)、350 m(34.5 kV／0.8 kA)和660 m(138 kV／2.4 kA)三相高温超导交流电缆，并分别安装在俄亥俄州哥伦布的Bixby变电站、纽约州的Albany和长岛等地并网试验运行。2005年，韩国电力研究所(KEPRI)等与日本住友株式会社合作，研制出长100 m、22.9kV／1.2 kA三相高温超导交流电缆。墨西哥也计划在墨西哥市建造33 m、15 kV／1.8 kA的高温超导电缆，为用户提供更安全可靠的电能。美国超导公司、长岛电力局（LIPA）和能源部在2008年6月25日宣布世界上第1条高温超导(HTS)电力输送电缆系统在商业电网中投入运行，这个138 kV的系统由3条独立的、各相并联运行HTS电力电缆组成，系统2008年4月22日带电，并成功地在LIPA的Holbrook输电线路运行。

自“九五”开始，我国就开展了高温超导电缆的研究。中国科学院电工研究所与北京有色金属研究总院和西北有色金属研究院合作于1998年研制成功1 m长、2 kA高温超导直流输电电缆模型，随后于2000年又研制出6 m长、2 kA高温超导直流输电电缆。2002年，中国科学院电工研究所还完成了10m长、1.5 kA三相高温超导交流输电电缆的研制。结合高温超导电缆的研制，中国科学院电工研究所还进行了高温超导电缆带材电流分布的均匀性问题、电缆的电磁屏蔽技术、电缆的高电压绝缘和终端绝缘技术、高温超导电缆的焊接技术、高温超导电缆的绕制技术、高温超导电缆冷却技术、高温超导输电电缆系统监控保护技术以及高温超导带材临界电流和均匀性无接触测量技术等研究, 并取得了一系列成果。2005年，中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司、中国科学院理化技术研究所等合作，研制出75m、10.5 kV/1.5 kA三相交流高温超导输电电缆，并于2005年底安装在甘肃长通电缆公司向车间供电运行。2005年4月，北京云电英纳电缆公司研发出33 m、35 kV/2 kA三相交流高温超导输电电缆，安装在云南普吉变电站试验运行。

2.2 超导故障限流器

超导故障限流器主要是利用超导体的超导态一正常态转变的物理特性，实现对故障短路电流的限制。超导故障限流器可融检测、触发和限流于一体，且反应速度快、正常运行时损耗很低、能自动复位，是十分理想的限流装置。在电力系统中安装超导故障限流器可大大降低短路故障电流，从而显著提高系统的稳定性和可靠性，改善电能质量，降低电网的建设和运行成本，提高电网的输送容量。

1989年以来，美国、德国、法国、瑞士和日本等国都相继开展了高温超导限流器研究。美国通用原子能公司等已研制成功一台15 kV/1.2 kA超导故障限流器,它可将最大短路电流从20kA 限制到4kA，即将短路电流限制到20％。瑞士ABB研究中心一直从事屏蔽型超导故障限流器的研究，1996年成功地研制出一台用Bi2212材料制成的10.5kV／70A屏蔽型三相高温超导限流器。该限流器能在第一个半周波内将短路电流从60 kA限制到700 A。1997年它已安装在Lontsch变电站进行试运行。2002年，瑞士ABB研究中心用Bi2212材料研制出0.8 kA(rms)／8 kV电阻型高温超导限流器，它可以将短路电流从20 kA(rms)限制到2.7 kA(rms)，该限流器已在瑞士Baden的电力实验室试验成功。1999年，德国Siemens公司与加拿大Hydro—Quebec电力公司合作完成了利用YBCO薄膜研制的0.77 kV/135 A电阻型限流器。他们在此基础上将进一步研制1.0 MVA电阻型限流器。德国卡尔斯鲁厄研究中心技术物理研究所(ITPdes FZK)和Nexans公司等合作，用Bi2212材料研制了10kV/10 MVA电阻型三相高温超导限流器。日本电力公司与东芝合作计划研究500 kV／8 kA超导限流器。作为第一步，首先研制了6．6 kV/2 kA限流器，并计划于2010年在500 kV输电系统中配备高温超导限流器。

中国科学院电工研究所于2002年研制成功一台400V／25 A高温超导限流器，在此基础上，提出了多种新型高温超导限流器的原理。2004年，电工研究所完成50 kJ／25 kW 超导限流——储能原理样机研制，并进行动模试验。2005年，中国科学院电工研究所研制出10.5 kV／1.5 kA新型桥路式高温超导限流器,并安装在湖南娄底电力局高溪变电站，进行了挂网运行和三相短路限流实验。该限流器成功地将预计的3.5 kA短路电流限制到635 A。

2.3 超导电机

超导电机是采用超导线材取代常规的铜导线绕制电机的励磁绕组或电枢绕组。由于超导线的电流密度要比铜导线高约2个数量级，且几乎无焦耳热损耗，因此超导同步发电机的效率可比常规电机提高0.5％一0.8％；电机的整机重量可减少1／3～1／2，且体积小。同时，电机同步电抗可减小到原来的1／4，从而提高了电机的运行稳定性；它还可省去铁芯，使电机的电枢绕组对地绝缘水平大大提高。另外，由于气隙磁通密度可比常规电机大数倍,单机容量可达百万千伏安以上。

但是,由于超导绕组必须运行在液氦或液氮温区，且超导绕组电流密度大、绕组，给电机的设计、制造和运行带来一系列新的技术问题。例如，大电流密度和高磁场的超导电机绕组设计和电磁计算，超导绕组的阻尼屏蔽结构，超导绕组的稳定性和失超保护，超导绕组低温容器的真空绝热和密封技术，超导绕组冷却技术，以及高速旋转下冷却介质输运技术等都需要研究和解决。

迄今为止所研制的超导同步发电机只是转子励磁绕组采用超导线圈，电机的定子绕组一般仍然采用常规的铜绕组,这是因为电机的定子绕组是在50 Hz工频下运行的。而超导体在交流运行条件下存在交流损耗。日本自1988年开始进行超导同步发电机研究，已研制出一台励磁绕组采用NbTi超导线绕制的70 MVA超导同步发电机。这台电机采用超临界氦冷却,1997年已经试验成功。原计划准备在此基础上进一步研制200 MVA超导同步发电机，但至今未进行。

1996年，美国Reliance电力公司(REC)成功地研制出一台转速为1 800 r／min的四极高温超导同步电动机，其高温超导线圈是在27 K下运行的。经试验，该电动机输出功率达147 kW(比设计的92 kW 高出60％)，其效率达97.1%。1997年，REC开展了3.7 MW(5 000 hp)的四极高温超导电动机研究工作，目前已完成该机研制工作。2003年，美国AMSC公司和ALSTOM公司研制成功5 MW 高温超导单极电动机,并在模拟船舶上进行了测试。美国AMSC公司目前正在研制36.5MW、转速120 r／min的船舶推进用高温超导电动机。美国海军期望未来的作战舰艇能使用包括高温超导电机、超导限流器、超导电缆、超导变压器在内的高温超导电力系统,美国空军也计划在新一代飞机中使用超导电机。

早在1965年,中国科学院物理研究所与武汉712研究所合作。就曾采用宝鸡有色金属加工研究所研制的单芯NbTi超导线，设计、研制一台具有超导转子的20 kW 超导电机模型。1977年,上海电机厂研制出一台400 kVA超导同步发电机并进行了短时间的并网发电试验。1981年，上海发电设备成套设计研究所在400 kVA超导同步发电机的基础上,开始研制一台新的400～800 kVA超导同步发电机。该超导电机最长发电实验时间达1 h,并成功并网5 min。1992年,中国船舶重工集团公司武汉712研究所与中国科学院电工研究所和浙江大学合作,研制成功一台船舶推进用300 kW 超导单极电机。近年来，712研究所等还开展了船舶推进用的高温超导电动机研究。2007年研制出100kVA、3极、500 r／min高温超导电动机。

2.4 高温超导变压器

与常规变压器相比，高温超导变压器有体积小、重量轻等优点，同时它采用液氮作为冷却剂，没有污染环境或火灾的隐患。高温超导变压器有很强的过载能力。在过载条件下短时间运行只导致冷却功率增加，而常规变压器过载约10％就有可能导致绝缘损坏。此外，在电力系统中采用超导变压器，当发生短路时,超导线圈还有限流的作用。

1997年4月,ABB研究中心研制出一台630 kVA,18．7kV／420 V三相高温超导变压器，并安装在日内瓦电力公司下属电厂进行测试和试验运行。日本九州大学与富士公司等合作研制出一台单相500 kVA，6．6 kV／3．3 kV的高温超导变压器,该变压器运行于77 K时，效率达99．1％。当该变压器运行于66 K时,容量可提高到800 kVA，效率可达99．3％ 。1998年初，美国电力公司、IGC公司、橡树岭国家实验室和Rochester燃气电力公司等合作研制完成1 MVA单相高温超导变压器样机并成功地进行了试验。随后,又计划合作研制出容量为30 MVA,138 kV／13．8 kV，60 Hz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%。2001年，德国Siemens公司也研制、试验成功用于铁路机车的1 MVA高温超导变压器样机。

2003年,中国科学院电工研究所与新疆特变电工股份有限公司合作先后研制成功26 kVA、400V(37．5 A)／16V(938 A)三相高温超导变压器和45 kVA、2．6 kV／160 V单相高温超导变压器 。在此基础上进而研制出630 kVA、10．5 kV(34．6A)／400 V(909 A)的高温超导变压器示范样机，于2005年12月在新疆特变公司并网试验运行。此外，株洲电力机车车辆厂也开展了电力机车用300 kVA高温超导变压器的研制。

2.5 超导磁储能

超导磁储能(SMES)是利用超导线圈作储能线圈，由电网经变流器供电励磁，在线圈中产生磁场而储存能量。需要时，可经逆变器将所储存的能量送回电网或提供给其他负载用。由于超导储能线圈几乎是无损耗的，因此线圈中储存的能量可以长久储存而几乎不衰减。与其他储能系统相比，超导磁储能具有很高的转换效率(可达95％)和很快的反应速度(可达ms量级)。正因为如此，超导磁储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性。此外，它还可用于无功和功率因素的调节以改善系统的稳定性。

20世纪70年代，美国等主要致力于大型超导储能技术的研究，其目的是用于电力系统负载调节和其他如军事应用。在70年代末，美国曾研制出一台30 MJ超导储能装置并安装在西海岸的一条500 kV输电线路上，用以消除其0．35Hz负阻尼振荡和提高其输送功率。试验取得了满意结果，但因低温系统达不到运行要求并出现故障，致使该储能装置未能继续运行。80年代，美国军方提出一个研制20．4 MWh的超导储能工程实验模型的计划并开展了预研工作，后因冷战结束，该计划也随之中止。90年代，美国为改善阿拉斯加电网的可靠性，曾提出研制1．8 GJ超导储能装置计划，该项目完成了设计并开始进行预研。后因经费等原因，研制计划中止。

目前，超导磁储能的研究主要是开发微型超导储能装置的实际应用。美国、德国和日本等提出了开发100 kWh等级的微型超导储能装置的建议，如用于磁浮列车、计算机大楼和高层建筑等用的超导储能系统：德国、意大利和韩国等也都在开展微型超导储能装置的研究。美国IGC和AMSC公司的微型超导储能装置(1～10 MJ)已经商品化，AMSC公司目前正在开发一种新的配电SMES(D—SMES)用于功率调节。

1997年，中国科学院电工研究所研制成功了一台25 kJ(300 A／220 V)超导储能样机，2004年又研制出一台100 kJ／25 kW 超导储能装置并进行实验研究。目前，该所已研制出1 MJ／0．5 MW 高温超导储能装置，并将于2007年并网试验运行。近年来，清华大学、华中科技大学、华北电力大学等都在开展超导储能装置的研究。清华大学与保定天威集团公司合作，于2003年9月研制完成0．3 MJ超导储能磁体，在此基础上于2004年5月完成0.3 MJ／150 kVA可控超导储能快速UPS系统。华中科技大学也研制了35 kJ／7 kW 直接冷却高温超导储能装置并将进行动模实验。

3 超导技术前景分析

超导电力技术是从根本上为降低电力系统损耗、提高电力系统输送能力、有效限制故障短路电流、提高电网的安全性和改善电力系统动态特性开拓的新技术途径。采用超导电力技术，不仅可以大大提高单机容量和电网的输送容量并大大降低电网的损耗，而且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、降低电压等级、提高电网的安全性、降低电网的占地面积和电网的造价及电网的改造成本，并使超大规模电网的实现成为可能。不仅如此，通过大容量的超导输电系统，可将排污的发电厂建在煤矿和油田附近或将核电站建在比较偏远的地区，从而改善人类生存环境的质量。通过超导储能，还可大大改善可再生能源的电能质量，并使其与大电网有效地联结。

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军用舰船推进，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的作用。

超导产品在电力系统中的使用，涉及到很多方面，如设备性能、可靠性、维护方便性、效率、使用寿命和安装费用等。这些是现存的传统的电力设备能否被超导电力产品取代的关键。

目前，超导电力技术已有很大的发展，但要在电力系统中真正获得实际应用，还需要进一步开展以下重大课题研究。

1)积极开展超导电力新装置、新原理的探索和研究，开发新型超导电力装置，以使超导电力装置满足电力系统不同运行状态的要求，并能最大限度地发挥超导体的优越性能。

要研究大容量交流电流、高变化率动态电流甚至瞬变脉冲电流条件下的超导线／电缆内的磁通运动与交流损耗机理，提出适合超导电力装置各类性能要求的超导线／电缆的合理结构和载流特性，以确保超导电力装置能在各种复杂的动态条件下保持其超导稳定性。

研究超导电力装置内部的复杂电磁场优化理论,并以此为依据对超导线圈、超导磁体的结构和位形进行优化设计，减轻在瞬变、动态条件下的电磁应力；开展低温绝缘、传导冷却等相关支撑技术的研究。

2)需要在深入分析各种超导电力装置的工作机理和电磁特性的基础上,研究超导电力装置的内部动态特性，和与电力系统动态相互作用的机理。与传统电力装置相比,超导电力装置具有许多完全不同的特性，正是这些特性使得超导电力技术具有良好的应用前景，而这些特性又必然会对电力系统动态特性产生影响。此外，还要开展含超导装置的电力系统规划、运行，稳定、控制理论，以及经济优化理论和安全保障理论等的研究。

3)开展超导电工技术与电力电子技术相结合的研究，这是超导电力技术发展的重要方向之一。超导技术和电力电子技术的结合，有可能将诸如超导变压器、超导储能、超导限流器、有源滤波、统一潮流控制器等多个功能集成于一体，同时根据不同电力储能技术具有不同的功能定位，也有可能实现将超导储能系统和其他储能方式有机集成于一体,发挥各种储能技术的综合优势,以应对多种电力事故、提高电力系统的稳定性和改善电力质量。

4）超导线材价格也是影响超导电力产品使用的重要因素。据资料分析，按照目前传统电力电缆制造和铜线的价格情况看，超导线材的价格需要降到23 美元/(kA·m)，才能使超导电力产品价格有竞争性。在中国，由于中国自身的电力系统特点和经济情况，其国内的高温超导市场必然和美国、日本和欧洲的市场前景有所区别。随着超导电力产品进入市场的临近，在国内对超导电力市场和价格进行深入细致的研究，就显得愈来愈重要。

4 小结

超导电力技术是一门有广泛应用和巨大发展潜力的高技术领域，也是目前国际科技发展的重要前沿，开展超导电力技术研究具有十分重要的理论和实际意义。随着高温超导材料和超导技术的进一步发展，超导电力技术对未来电力系统将会成为最具有影响力的新技术，超导电力技术的应用将大大提高电力工业的发展水平并将促进电力工业重大变革。