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我国超导材料快步走向产业化 超导电缆迎来发展的春天
2006年4月12日 9:38  来源:南方电缆网
  目前,全球超导材料的市场需求已达每年30多亿美元。据2005年国际超导产业峰会(ISIS14)预测,到2010年 
超导材料市场需求为150~200亿美元,2020年将达到1500~2000亿美元。因此,美国能源部认为,超导电力技术是21世纪电力工业
惟一的高技术储备。

  国际市场对超导材料如此重视,我国政府和相关行业也把目光投向了这一高科技含量的领域。在我国2006~2020年中长期科技
发展规划中,高温超导技术作为前沿技术被列为新材料技术的发展方向之一。可以预期,我国超导材料必将获得更广阔的发展空间。

  我国电力、通信、国防、医疗等方面的发展急需利用超导技术解决现有的关键技术问题。在电力工业方面,随着我国经济和社
会的发展,电能需求量日益增长,对供电质量和可靠性的要求越来越高,常规电力技术已越来越不能满足电力工业发展的需要。超
导电力技术(如超导储能、电缆、限流器、电机等)可以克服常规电力技术的缺陷,它的应用带来电力工业的重大变革。

  在超导电缆发展方面,可以用日新月异、快速发展来形容。自2000年以来,国内企业资本积极参与超导技术产业的发展,西安西部
超导材料科技有限公司、北京中数威利超导技术有限公司、北京云电英纳超导电缆有限公司和天津海泰超导公司相继成立。中国科学院电工研究所与5家电力设备制造企业和应用单位就超导电缆、超导变压器、限流器等签订了技术开发合同,共同推进超导电力技术的产业化。

  20世纪60年代研制成功了超导体,人们就已普遍认识到,这将引起整个电力工业与电工制造业的重大革命性变化,因为,在任
何电工装备中,将导线换成电阻为零的超导线都可能带来重大的效益与优越性,从而激发起发展超导电力技术的积极性。超导材料的发展是电力应用的基础,由于40年来,超导线经历了低温超导、工频超导与高温超导三个阶段的发展,相应电力应用的研究发展也可分为三个阶段。

  第一阶段:从20世纪60年代起,由于当时的NbTi与Nb3Sn复合超导线只适用于直流与慢脉冲工作状态,各国的超导电力研究发展计划集中在作为电网调峰及提高稳定性用的超导储能,采用超导激磁绕组的同步发电机与单极电机和超导输电。还为磁约束核聚变与磁流体发电的研究发展进行了所需超导磁体系统的研究工作。做出了一些优异成绩,诸如:建成了多个托卡马克超导磁体系统,
为建造国际托卡马克试验堆(ITER)奠定了可靠基础;研制成功了多台磁流体发电用超导磁体系统;20世纪80年代初美国建成了用于其西部电力输电线路稳定性的30MJ超导储能系统,使线路输送功率极限增加了40万KW,试验运行超过1200h,证明了超导储能装置可在电力系统中可靠工作;储能MJ的微型超导储能装置以形成了产品,已有几套在示范运行,提高了供电可靠性与质量;日本一直
坚持超导同步发电机的研究发展,1988~1998年花了十年时间研究成功了70MVA的样机,在大阪电站连续试验联网运行了1000h,取得了很大成功。得到实用的托卡马克超导磁体系统和兆焦耳的微型超导储能装置,低温超导电机与输电工作已大体停止,无进一步计划。

  第二阶段:1983年,当将超导丝径降至小于微米时发现超导线可用于工频交流,立即开始了一些超导工频电力装备的研究发展,括超导变压器、超导故障限流器和定子绕组也是超导的全超导发电机,也取得了一些可喜成绩,诸如:法国和日本相继研制成
功了220KVA和500KVA的变压器和6.6KV/1.5A、40KV/315A、6.6KV/2KA的超导故障限流器,以及全超导的小型同步发电机。由于工频超导线制造困难,价格昂贵,以及高温超导线的出现,使低温工频超导的研究发展工作20世纪90年代后期逐渐停止。

  第三阶段:20世纪80年代后期,发现了高临界温度超导体,使装备的运行温度可由液氦温度(4.2K)提高到液氮温度(77K),全世
界集中了很大力量来将高临界温度超导体做成实用的超导线并提高其性能,取得了可喜的进展,铋系导线在77K自场下的临界电流密度以提高到70km/cm2,已能生产长达数公里的长线,从而,由20世纪90年代中期开始,高临界温度超导电力应用得到了越来越大的重视,由于临界磁场不高,研究发展工作集中在超导输电、超导故障限流器与超导变压器。在超导电机与超导磁体方面也有一些工
作。已取得一些可喜的成绩,诸如:美国采用Bi-223/Ag带状导线已研制成功长30m 、115KV、2KA的三相交流超导电缆,正在研制350m长的示范运行电缆。日本研制成功了长50m、66K、2KA电缆;欧洲ABB公司于1997年4月在日内瓦电力公司一家电厂内安装了一台用Bi-223/Ag导线制成的18.7KV/420V、630KVA的三相变压器投入了试验运行,美国IGC和Waukesha公司研制成功了13.8KV/6.9KV、1MVA的单相变压器,日本九州大学也研制成功了6.6KV/3.3KV、500KVA及800KVA的变压器;在故障限流器方面进行了多方案的积极研制,做成了多台样机,进行了试验。

确良 我国在托卡马克与磁流体发电超导磁体系统,同步与单极电机及超导储能方面均进行了一定工作,近年来在高温超导电力应用
方面研制成功1m、6m、30m、50m、75m超导电缆、小型变压器与限流器,已可小批量生产铋系超导线,为应用与产业化奠定了一定基础。

  由于电力应用在可靠性与经济型方面的严格要求,而超导电力发展又与使用超导材料的发展紧密相关,产业化要善于选准目标,进行长期持续努力,有关工作已应开始。着眼于产业化,可以预期:

  (1)微型超导储能装置已成为产品,其应用可望扩大,逐步形成产业。中型(107~107J)储能装置作为提高输电与电力系统稳定
性与传输能力的措施可能实现示范应用,待其实际效益与可靠性证实后,将可能形成产品。

  (2)普遍认为,超导故障限流器有可能最早成为产品,得到广泛的应用,因为对限流器的需求范围很广,数量较大。鉴于超导限流
器有多种方案,正在进行研制发展,需要努力使它们达到技术成熟,特点与优势明显,可供用户选用。 

  (3)超导电缆的主要优势在于高电流密度与传输能力,可能在大城市大容量供电中首先得到应用。其应用一方面决定于技术与经济
的成熟性,另一方面决定于合适对象的选择,

  (4)超导变压器有着一系列明显的优点,温度变化小,寿命长,无燃烧危险,绝缘好等,其应用决定于与现有变压器经济性能的比
较,需要认真论证与示范。

  虽然对超导电力产业化的速度有不同估计,但是无可争议的是21世纪的上半叶将是超导电力的时代。
 
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