超导电力设备在智能电网中的应用

智能电网的发展离不开新型电力设备的支持。超导电力技术是电力技术中最具革新性和应用前景的前沿技术，必将为未来智能电网的发展提供强有力的支持。本文介绍了智能电网的概念及其主要应用的先进技术，详细阐述了超导电缆、超导限流器和超导储能等主要超导电力设备的技术性能特点，并对其在智能电网可能的应用方向进行了分析。 　　张栋刘东升程从明/保定天威保变电气股份有限公司管在电力领域不断有新技术得到发展与应用，Z尽但长期以来，世界各国在多年的建设中逐渐形成的电力输配系统并没有出现质的飞跃。而近20年来，计算机、信息和通信技术领域却已经发生了翻天覆地的变化，以信息化、数字化占主导的现代经济模式正在引领世界经济技术的发展潮流，这一方面对电力的供应和使用提出了越来越高的信息化要求，另一方面也为传统电力系统向信息化、数字化、自动化管理转型提供了强有力的技术支持。此外，节约能源，保护环境，提高安全性，已经成为全人类能源使用的主题，这也规定了未来电力设备建设和电力供应管理的基本标准。由此可见，未来电力系统的发展将会凸显两方面的特点：是发展新技术和新电力设备，二是建立信息化管理体系，实现高效的智能管理。 　　为了迎合与引领电力领域的发展新趋势，美国能源部最先提出了"智能电网〃的概念，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、互动、安全，提供满足21世纪用户需求的电能质量，允许各种不同发电形式的接入，启动电力市场以及电网资产的优化高效运行。 　　"智能电网〃将有可能重塑世界经济和能源格局，其概念一经提出就引起了世界各国的广泛关注。美国奥巴马政府已把建设智能电网作为美国的国家发展战略。中国也已对智能电网进行了规划研究，并提出了要在2020年全面建成坚强的智能电网。无论各国对智能电网的定义和侧重点有何不同，其核心目标都将是"可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全〃。智能电网的建设需要广泛应用各类先进的设备技术，极大地提高输配电系统的性能，尤其是提高功率密度、供电可靠性、电能质量以及电力生产的效率。这些先进技术中不仅包括应用现有的先进技术，还包括应用未来可能发展的各类高新技术，其中超导、储能、电力电子和故障诊断方面的最新科研成果的应用开发将成为发展重点。 　　由于超导材料的零电阻和完全抗磁特性，用超导材料制成的电力设备集高效、低耗、安全和环保等特性于―身，其独特的性能优势可能使超导电力设备成为未来更新换代的产品，超导技术的推广与应用也会促进电力系统建设理念的更新，从而使电网技术出现跨越式发展的景象。目前，超导电力设备主要包括超导限流器、超导电缆和超导储能装置等，下面分别进行介绍。 　　1超导电力设备在智能电网中的作用1.1超导限流器1.1.1技术背景理想的限流器应在稳态低阻、故障高阻及快速恢复的特点，即电网正常输电时呈现较低的阻抗，这样可以减低设备的运行损耗和保证用户电压稳定。在电网发生短路故障时，限流器迅速转变为高阻抗状态，有效地限制短路电流幅度；短路故障消除后，限流器又迅速地恢复到低阻抗状态。尽管常规的空心电抗器和高阻抗变压器等也有限制短路电流的作用，但还无法达到这样理想的性能要求的。超导材料和技术的应用为制作理想的限流器提供了物质基础。 　　从限流器件的性质上分，超导限流器可分为电阻型和电感型。电阻型SFCL是利用电阻的变化来实现通流、限流的，而电感型SFCL是利用感应电动势的变化实现通流、限流。电感型根据工作原理不同又可分为感应型、屏蔽型、桥路型和饱和铁心型。饱和铁心型SFCL由铁心、交流绕组、直流绕组和直流励磁电路等基本部分组成。其原理类似于饱和铁心电抗器，是利用磁材料磁导率的非线性进行限流控制。饱和铁心型SFCL原理清晰，结构工艺简单，性能可靠，利于制作大容量的限流装置，但同时面临铁心体积大、成本高的问题。 　　1.1.2性能特点超导限流器具有优异的限流特性，是目前电力系统高压电网理想的限流装置，高电压等级的大容量超导限流器以其独特的优越性成为极有发展前景和市场竞争力的新型电力设备。相对于传统的限流电抗器，超导限流器也可以称作智能电力设备，符合智能电网的要求，其功能特点可以概括为：稳态运行时低阻抗，设备压降低，对电网输送电力影响很小。 　　短路发生时高阻抗，大幅度限制短路电流，保护系统内设备安全。 　　实时监测系统短路短路电流的发生，快速响应并触发限流动作，整个限流响应过程可在几毫秒内完成，并持续保证限流状态；限流后可快速恢复，满足电网重合闸的要求。 　　1.1.3应用前景超导限流器可避免过大故障短路电流对电力设备的损坏，保证电网保护系统的可靠性，提高电网的安全性。 　　超导限流器压降很小，可提高供电质量、减少损耗。另外，降低系统短路电流必将导致降低电网系统中电气设备抗短路冲击的要求，尤其是断路器的分断容量要求，从而在设计新电网或改造旧电网时，通过使用限流器可以大大减少电网建设成本。 　　饱和铁心型超导限流器的阻抗为非线性，可以根据电网系统的需要适当调节，与电容器等的优化组合还可以起到调节无功功率等更多的作用。 　　超导限流器主要应用范围：在电网的关键节点和线路上使用超导限流器，可以解决电网互联容量增大带来的短路电流过大的难题，增强高压、超高压电网互联的安全性。 　　为大型变压器配备超导限流器，可以提高其抗短路电流冲击能力，降低事故风险。 　　在大型发电机组和电网之间安装超导限流器，相当于筑起道"防火墙"，可以隔断短路事故的彼此影响。 　　超导限流器与先进的继电保护系统相结合，可以组成个更加可靠的保护系统，进一步增强电网对短路故障的防范能力，使坚强的智能电网更加现实。 　　1.2超导电缆1.2.1技术背景超导电缆的基本结构与常规电缆有很大的差异。常温绝缘的超导电缆，从内到外一般依次为内支撑管（或普通导体）、超导体、真空恒温热绝缘层、电绝缘层、电缆屏蔽层和护层，以及其他一些辅助元件。当电绝缘层处于真空恒温热绝缘层之内时，即在低温状态，则称为冷绝缘超导电缆。 　　超导电缆的运行条件与常规电缆有很大的差异，即导体需要低温运行环境，故其终端与常规电缆的终端有很大区别，另外还需要低温制冷系统。制冷系统通常由制冷机组、液氮泵、绝热管道、水冷却装置和液氮储罐等部分组成。电缆终端是超导电缆和外部其他电气设备之间相互连接的端口，也是电缆冷却介质和制冷设备的连接端口。除类似于常规电缆终端担负电气安全连通的作用之外，还要保证实现温度的过渡。终端的结构是和电缆的结构相配套的，因此常温绝缘超导电缆与冷绝缘超导电缆的终端在结构上也有很大区别。 　　1.2.2性能特点超导电缆电阻近乎于零，损耗极低，这个特点意味着可以将它安装在电网中的重要地方，分流负荷过重线路上的电流，形成新的网络结构。超导电缆的输送容量还随着导体温度的降低而增加，因此当有其他线路故障时，通过适度降低超导电缆导体温度，还可以进一步调节潮流分布，会更有利于系统稳定。超导电缆无疑符合经济、高效与安全的智能电网要求。其性能特点如下：损耗低。超导电缆的正常运行电阻很小，交流超导电缆的导体损耗不足常规电缆的1/10（直流超导电缆更低），加上制冷的能量损耗，其运行总损耗也仅为常规容量大。同样截面的超导电缆的电流传输能力一般是常规电缆的35倍。 　　可以更好地调节传输电能的潮流分布。 　　节约材料。同样传输能力的超导电缆与常规电缆相比，使用较少的金属和绝缘材料，且超导电缆设置的回路较少。 　　环保。超导电缆是用液氮作为冷却剂，释放到空气中不会造成环境污染，而充油常规电缆则存在着易燃、漏油和污染环境的问题；具有超导屏蔽层的冷绝缘超导电缆更是大幅度减小了电磁辐射，因为其容量大而回路少，占地面积很小，可以节约土地。超导电缆在地下铺设，能利用现有各种线路（包括铁路线、公路线及管道线等）进行安装，不影响市容，且能降低电网升级的成本并减小对环境的影响。 　　安装成本较普通电缆低。超导电缆的截面小，安装重量和空间都较小，大大节约了普通电缆和母线铺设时的建设和安装成本。此外，超导电缆可以在低电压下输送大容量的电能，因此可以节省昂贵的高电压设备和减少电压转化的损失。 　　能够限制故障电流。超导体有一种天生的电流限制能力，一旦由电网短路造成的电流增强到一定程度，它们就会失去超导性而变得像普通导体一样有电阻。利用适当的设计可使超导电缆失超时电阻达到足够的数值，使短路电流衰减。 　　1.2.3应用前景268亿kW.h，根据中国输电损耗率为8%9%计算，这就意味着中国每年输电线路损耗高达2000多亿kWh，相当于30多台百万千瓦级机组的年发电量。应用超导电缆是减少电网损耗的绝佳办法。由于超导输电无需高压，可将输电损耗、电磁污染及占用走廊宽度降至最低，真正代表了世界最先进的输电技术方向。针对我国坚强智能电网规划，超导电缆近期可能在以下方面实现其价值：城市中心高密度负荷区，使用较多的常规电缆或架空线受到空间或环境保护限制时，可解决供电瓶颈问题，并带来更多的环境效益。 　　发电厂和变电站内的大电流传输母线。 　　需求迅猛发展的大城市，可利用超导电缆直接更换原有管道内的常规电缆，提高供电容量。 　　1.3超导储能超导储能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。超导储能装置般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。螺旋管线圈结构简单，但是周围杂散磁场较大；而环形线圈周围散磁场较小，但是结构较为复杂。 　　超导储能装置的工作原理是在电网运行负荷处于低谷时把多余的电能储存起来；而在电网运行处于用电高峰时，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，线圈中所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去，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，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。 　　超导储能线圈产生的磁场很强，储存的能量密度很高。与其他储能方式相比，如蓄电池储能、压缩空气储能、抽水储能和飞轮储能，有许多明显优点：可长期无损耗地储存能量，其转换效率可达95%.可通过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（毫秒级）。 　　由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，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。 　　2结束语发展智能电网离不开应用超导材料制成的新型电力设备的支持。作为应用超导特性研究的主要产品，超导限流器可以降低电网短路电流水平，提高电网安全性，改善供电质量，大大减少电网建设或改造成本。超导电缆具有低损耗、大容量和环保等优异特性；超导储能则可以接近无损地调节用电峰谷，改善电力系统的稳定性。 　　目前，随着各国智能电网规划的出台和实施，以及超导电力应用技术的飞速进步，超导电力设备必将迎来更大的发展空间，其良好的市场前景也值得期待。

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