超導(dǎo)電力技術(shù)的運(yùn)用范文

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引言

超導(dǎo)電力技術(shù)將是21世紀(jì)具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)[1]。超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化會(huì)對(duì)電力領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。國(guó)際超導(dǎo)技術(shù)界普遍認(rèn)為，新一代高溫超導(dǎo)帶材(釔系高溫超導(dǎo)帶材)有望在5年后商品化，之后超導(dǎo)電力技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)快速增長(zhǎng)的時(shí)期，在2010年～2015年期間，各種高溫超導(dǎo)電力裝置將會(huì)陸續(xù)進(jìn)入實(shí)用化階段。據(jù)國(guó)際超導(dǎo)工業(yè)界預(yù)測(cè)：2020年，全球超導(dǎo)電力技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到750億美元。目前，超導(dǎo)電力技術(shù)已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期[2]，若干超導(dǎo)電力設(shè)備，如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置等已在電力系統(tǒng)試運(yùn)行。采用超導(dǎo)電力技術(shù)，可以大大提升電力工業(yè)的發(fā)展水平、促進(jìn)電力工業(yè)的重大變革。廣東電網(wǎng)是全國(guó)最大的省級(jí)電網(wǎng)，隨著電網(wǎng)的高速發(fā)展，系統(tǒng)短路電流水平穩(wěn)步增大，威脅著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。變電站站址和線路走廊落實(shí)困難，電網(wǎng)建設(shè)滯后，已影響到電力供應(yīng)的安全性和可靠性。本文從超導(dǎo)電力設(shè)備的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)出發(fā)，初步探討了超導(dǎo)電力裝置在廣東電網(wǎng)應(yīng)用的可行性。

1超導(dǎo)電力技術(shù)簡(jiǎn)介

高溫超導(dǎo)電纜采用無(wú)阻和高電流密度的高溫超導(dǎo)材料作為載流導(dǎo)體，具有載流能力大、損耗低和體積小的優(yōu)點(diǎn)，其傳輸容量將比常規(guī)電纜高3～5倍，而電纜本體的熱損耗幾乎為零。2005年4月，北京云電英納電纜公司研發(fā)出75m、35kV/2kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜，安裝在云南普吉變電站試驗(yàn)運(yùn)行。超導(dǎo)故障限流器的基本原理是將超導(dǎo)裝置接入電網(wǎng)，系統(tǒng)正常運(yùn)行，電流在臨界電流以下時(shí)，超導(dǎo)體電阻幾乎為0，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)影響。發(fā)生故障時(shí)，短路電流急劇上升超過(guò)臨界電流，超導(dǎo)體失超，電阻迅速增加，從而限制短路電流。故障切除后一段時(shí)間，超導(dǎo)體又從正常態(tài)恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)。2000年ABB瑞士研究中心研制出單相6.4MVA該型故障限流器。2009年，云南電力研究院、昆明供電局、云電英納超導(dǎo)電纜有限公司等單位在云南普吉變對(duì)35kV超導(dǎo)限流器進(jìn)行了短路試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了其有效性，并正在開(kāi)展220kV超導(dǎo)限流器的研發(fā)工作。高溫超導(dǎo)變壓器與常規(guī)變壓器相比，具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它采用液氮作為冷卻劑，沒(méi)有污染環(huán)境或火災(zāi)的隱患。高溫超導(dǎo)變壓器有很強(qiáng)的過(guò)載能力，在過(guò)載條件下短時(shí)間運(yùn)行只導(dǎo)致冷卻功率增加，而常規(guī)變壓器過(guò)載約10%就有可能導(dǎo)致絕緣損壞。2005年，我國(guó)研制出630kVA、10.5kV高溫超導(dǎo)變壓器示范樣機(jī)，并在新疆并網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)是利用超導(dǎo)線圈作儲(chǔ)能線圈，由電網(wǎng)經(jīng)變流器供電勵(lì)磁，在線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)而儲(chǔ)存能量。需要時(shí)，可經(jīng)逆變器將所儲(chǔ)存的能量送回電網(wǎng)或提供給其他負(fù)載用。由于超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈幾乎是無(wú)損耗的，因此線圈中儲(chǔ)存的能量可以長(zhǎng)久儲(chǔ)存而幾乎不衰減。與其他儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能具有很高的轉(zhuǎn)換效率(可達(dá)95%)和很快的反應(yīng)速度(可達(dá)ms量級(jí))。正因?yàn)槿绱耍瑢?dǎo)磁儲(chǔ)能裝置不僅可用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的峰谷，而且可用于降低甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩從而改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性。此外，它還可用于無(wú)功和功率因素的調(diào)節(jié)以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。超導(dǎo)電力技術(shù)的特點(diǎn)及其對(duì)電力系統(tǒng)的作用具體見(jiàn)表1。表1列出了超導(dǎo)電力技術(shù)的特點(diǎn)及其對(duì)電力工業(yè)的作用和影響。可以看出，超導(dǎo)體所具有的優(yōu)良電氣特性為從根本上解決電力系統(tǒng)中的若干技術(shù)難題，既可提高單機(jī)容量和電網(wǎng)的輸送容量，又可降低電網(wǎng)的損耗，還能明顯改善電能質(zhì)量、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性、降低電壓等級(jí)、提高電網(wǎng)的安全性、降低電網(wǎng)占地面積、電網(wǎng)造價(jià)及電網(wǎng)的改造成本，并使超大規(guī)模電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。此外，有了大容量的超導(dǎo)輸電系統(tǒng)，可將排污的發(fā)電廠建在煤礦和油田附近或?qū)⒑穗娬窘ㄔ诒容^偏遠(yuǎn)的地區(qū)，從而改善人類(lèi)的生存環(huán)境[4]。

2廣東電網(wǎng)現(xiàn)況與存在的問(wèn)題

廣東電網(wǎng)是全國(guó)最大的省級(jí)電網(wǎng)。截至2009年底，廣東電網(wǎng)已覆蓋廣東全省21個(gè)地市，全面建成服務(wù)于珠江三角洲范圍的雙回路內(nèi)環(huán)網(wǎng)，并部分建成雙回路外環(huán)網(wǎng)，向東延伸至潮州、向西輻射到湛江、向北輻射到韶關(guān)。2009年，廣東全社會(huì)用電量3609.6億kWh，全社會(huì)用電最高負(fù)荷達(dá)到65000MW。截至2009年底，廣東電網(wǎng)通過(guò)“八交四直”500kV及以上線路與西南地區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)，包括羅洞～梧州雙回、茂名～玉林雙回、羅洞～賀州雙回、賢令山～桂林雙回500kV交流線路以及天廣±500kV直流線路1回、貴廣±500kV直流線路2回和云廣±800kV直流線路1回；2回500kV線路至湖南鯉魚(yú)江電廠；1回±500kV直流線路與華中電網(wǎng)相聯(lián)；另有4回400kV線路及多回132kV線路與香港中華電力系統(tǒng)互聯(lián)；通過(guò)3回220kV電纜線路和4回110kV線路與澳門(mén)電網(wǎng)相聯(lián)，還通過(guò)110kV向湘南供電。截至2009年底，廣東電力系統(tǒng)有500kV變電站33座，500kV變壓器總?cè)萘?7250MVA，500kV線路總長(zhǎng)度約5363km；220kV變電站265座，220kV變壓器總?cè)萘?17930MVA，220kV線路總長(zhǎng)度約16897km；110kV變電站1416座，110kV變壓器總?cè)萘?30539MVA，線路總長(zhǎng)度約29983km。廣東電網(wǎng)存在的問(wèn)題：

（1）系統(tǒng)短路電流水平穩(wěn)步增大隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷加強(qiáng)，系統(tǒng)的短路電流水平逐步增大，部分500kV變電站母線短路電流接近甚至超過(guò)斷路器的額定開(kāi)斷電流，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。限制短路電流和簡(jiǎn)化優(yōu)化電網(wǎng)潮流已成為電力系統(tǒng)發(fā)展需面對(duì)和解決的重要問(wèn)題。

（2）變電站站址和線路走廊落實(shí)困難，電網(wǎng)建設(shè)難度大、代價(jià)高隨著城市化進(jìn)程加快，廣東（尤其是珠三角地區(qū)）城鄉(xiāng)已趨一體化，選擇確定新的線路走廊已非常困難，特別是向負(fù)荷中心地區(qū)建設(shè)輸電通道困難相當(dāng)大，由于用地等外部因素影響，廣東電網(wǎng)輸變電工程前期工作時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，工程進(jìn)展常常大大滯后于規(guī)劃，也滯后于電力市場(chǎng)的發(fā)展，由于線路走廊問(wèn)題而引起的電網(wǎng)建設(shè)滯后已嚴(yán)重影響到電網(wǎng)發(fā)展，影響到廣東電力供應(yīng)的安全性和可靠性。

（3）多回直流相互影響問(wèn)題和交直流系統(tǒng)相互影響問(wèn)題顯現(xiàn)隨著西電送電廣東容量進(jìn)一步增大，興安直流雙極投運(yùn)，廣東電網(wǎng)形成多回直流集中饋入珠江三角洲負(fù)荷中心的復(fù)雜電網(wǎng)，交直流系統(tǒng)之間相互影響的問(wèn)題變得更加復(fù)雜，交流系統(tǒng)故障引起單回或多回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗、功率降低乃至相繼閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)依然存在。

3超導(dǎo)電力技術(shù)在廣東電網(wǎng)應(yīng)用初步分析

（1）應(yīng)用超導(dǎo)限流器隨著廣東電網(wǎng)的容量在不斷擴(kuò)大，其短路電流水平迅速提高，由于電氣設(shè)備須按短路容量水平來(lái)設(shè)計(jì)，這就使得開(kāi)關(guān)設(shè)備的成本大大升高，甚至無(wú)法選型。為了降低短路電流，目前方法不管是從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)還是從運(yùn)行方式上或者在電氣設(shè)備方面考慮，費(fèi)用均非常高，容易導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。超導(dǎo)故障限流器在故障條件下檢測(cè)到短路電流超標(biāo)時(shí)才發(fā)揮作用，對(duì)正常方式下潮流沒(méi)有影響。廣東電網(wǎng)中短路電流超標(biāo)站點(diǎn)位于內(nèi)環(huán)網(wǎng)，潮流一般較重，采用超導(dǎo)故障限流器可以在短路故障發(fā)生時(shí)快速響應(yīng)，瞬間產(chǎn)生高阻抗，有效限制短路電流。在短路故障切除后，迅速恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，配合電網(wǎng)的重合閘快速恢復(fù)電網(wǎng)正常運(yùn)行。在廣東電網(wǎng)的內(nèi)環(huán)網(wǎng)短路電流超標(biāo)500kV變電站有廣闊的應(yīng)用前景。

（2）應(yīng)用高溫超導(dǎo)電纜廣東珠三角地區(qū)城鄉(xiāng)已趨一體化，選擇確定新的線路走廊已非常困難，特別是向負(fù)荷中心地區(qū)建設(shè)輸電通道困難相當(dāng)大。高溫超導(dǎo)電纜具有結(jié)構(gòu)緊湊，損耗極低，傳輸容量大的特點(diǎn)，可以在允許制造尺寸條件下，傳輸容量巨大的電能。可將高溫超導(dǎo)電纜優(yōu)先應(yīng)用于廣東電網(wǎng)的深圳、廣州等地，在公眾反對(duì)的地方以及輸電通道稀缺的地方試點(diǎn)應(yīng)用，且避免環(huán)境污染和破壞。廣東珠三角地區(qū)大城市地下管網(wǎng)繁多，新建地下工程，敷設(shè)空間極為有限。加深敷設(shè)深度會(huì)使工程費(fèi)用大為增加，亦會(huì)給運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)很大困難。高溫超導(dǎo)電纜可以用于地下電纜工程改造，利用現(xiàn)有排管或電纜隧道，以高溫超導(dǎo)電纜取代現(xiàn)有的常導(dǎo)電纜，增加傳輸容量。此外，高溫超導(dǎo)電纜可以在比常導(dǎo)電纜較低的運(yùn)行電壓下將大量電能利用超導(dǎo)電纜傳輸而進(jìn)入城市負(fù)荷中心[5]。采用高溫超導(dǎo)電纜，可以降低電纜額定電壓至220kV。在人口密集的珠三角地區(qū)，用高溫超導(dǎo)電纜取代架空電線，能夠節(jié)約安裝空間和成本，且不污染環(huán)境。此外廣東電網(wǎng)也可考慮試點(diǎn)應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置不僅可用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的峰谷，而且可用于降低甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，從而改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性。