超导电力技术的运用范文

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引言

超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术[1]。超导技术的实用化、产业化会对电力领域产生巨大影响。国际超导技术界普遍认为，新一代高温超导带材(钇系高温超导带材)有望在5年后商品化，之后超导电力技术将会出现一个快速增长的时期，在2010年～2015年期间，各种高温超导电力装置将会陆续进入实用化阶段。据国际超导工业界预测：2020年，全球超导电力技术产业的产值将达到750亿美元。目前，超导电力技术已进入高速发展时期[2]，若干超导电力设备，如超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导储能装置等已在电力系统试运行。采用超导电力技术，可以大大提升电力工业的发展水平、促进电力工业的重大变革。广东电网是全国最大的省级电网，随着电网的高速发展，系统短路电流水平稳步增大，威胁着电网的安全稳定运行。变电站站址和线路走廊落实困难，电网建设滞后，已影响到电力供应的安全性和可靠性。本文从超导电力设备的特点和优势出发，初步探讨了超导电力装置在广东电网应用的可行性。

1超导电力技术简介

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，而电缆本体的热损耗几乎为零。2005年4月，北京云电英纳电缆公司研发出75m、35kV/2kA三相交流高温超导电缆，安装在云南普吉变电站试验运行。超导故障限流器的基本原理是将超导装置接入电网，系统正常运行，电流在临界电流以下时，超导体电阻几乎为0，对系统运行无影响。发生故障时，短路电流急剧上升超过临界电流，超导体失超，电阻迅速增加，从而限制短路电流。故障切除后一段时间，超导体又从正常态恢复到超导态。2000年ABB瑞士研究中心研制出单相6.4MVA该型故障限流器。2009年，云南电力研究院、昆明供电局、云电英纳超导电缆有限公司等单位在云南普吉变对35kV超导限流器进行了短路试验，初步验证了其有效性，并正在开展220kV超导限流器的研发工作。高温超导变压器与常规变压器相比，具有体积小、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。2005年，我国研制出630kVA、10.5kV高温超导变压器示范样机，并在新疆并网试验运行。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[3]。超导电力技术的特点及其对电力系统的作用具体见表1。表1列出了超导电力技术的特点及其对电力工业的作用和影响。可以看出，超导体所具有的优良电气特性为从根本上解决电力系统中的若干技术难题，既可提高单机容量和电网的输送容量，又可降低电网的损耗，还能明显改善电能质量、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、降低电网占地面积、电网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。此外，有了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，从而改善人类的生存环境[4]。

2广东电网现况与存在的问题

广东电网是全国最大的省级电网。截至2009年底，广东电网已覆盖广东全省21个地市，全面建成服务于珠江三角洲范围的双回路内环网，并部分建成双回路外环网，向东延伸至潮州、向西辐射到湛江、向北辐射到韶关。2009年，广东全社会用电量3609.6亿kWh，全社会用电最高负荷达到65000MW。截至2009年底，广东电网通过“八交四直”500kV及以上线路与西南地区电网互联，包括罗洞～梧州双回、茂名～玉林双回、罗洞～贺州双回、贤令山～桂林双回500kV交流线路以及天广±500kV直流线路1回、贵广±500kV直流线路2回和云广±800kV直流线路1回；2回500kV线路至湖南鲤鱼江电厂；1回±500kV直流线路与华中电网相联；另有4回400kV线路及多回132kV线路与香港中华电力系统互联；通过3回220kV电缆线路和4回110kV线路与澳门电网相联，还通过110kV向湘南供电。截至2009年底，广东电力系统有500kV变电站33座，500kV变压器总容量67250MVA，500kV线路总长度约5363km；220kV变电站265座，220kV变压器总容量117930MVA，220kV线路总长度约16897km；110kV变电站1416座，110kV变压器总容量130539MVA，线路总长度约29983km。广东电网存在的问题：

（1）系统短路电流水平稳步增大随着电网结构的不断加强，系统的短路电流水平逐步增大，部分500kV变电站母线短路电流接近甚至超过断路器的额定开断电流，严重威胁着电网的安全稳定运行。限制短路电流和简化优化电网潮流已成为电力系统发展需面对和解决的重要问题。

（2）变电站站址和线路走廊落实困难，电网建设难度大、代价高随着城市化进程加快，广东（尤其是珠三角地区）城乡已趋一体化，选择确定新的线路走廊已非常困难，特别是向负荷中心地区建设输电通道困难相当大，由于用地等外部因素影响，广东电网输变电工程前期工作时间相当长，工程进展常常大大滞后于规划，也滞后于电力市场的发展，由于线路走廊问题而引起的电网建设滞后已严重影响到电网发展，影响到广东电力供应的安全性和可靠性。

（3）多回直流相互影响问题和交直流系统相互影响问题显现随着西电送电广东容量进一步增大，兴安直流双极投运，广东电网形成多回直流集中馈入珠江三角洲负荷中心的复杂电网，交直流系统之间相互影响的问题变得更加复杂，交流系统故障引起单回或多回直流同时发生换相失败、功率降低乃至相继闭锁的风险依然存在。

3超导电力技术在广东电网应用初步分析

（1）应用超导限流器随着广东电网的容量在不断扩大，其短路电流水平迅速提高，由于电气设备须按短路容量水平来设计，这就使得开关设备的成本大大升高，甚至无法选型。为了降低短路电流，目前方法不管是从电网结构还是从运行方式上或者在电气设备方面考虑，费用均非常高，容易导致电力系统运行的不稳定。超导故障限流器在故障条件下检测到短路电流超标时才发挥作用，对正常方式下潮流没有影响。广东电网中短路电流超标站点位于内环网，潮流一般较重，采用超导故障限流器可以在短路故障发生时快速响应，瞬间产生高阻抗，有效限制短路电流。在短路故障切除后，迅速恢复正常运行状态，配合电网的重合闸快速恢复电网正常运行。在广东电网的内环网短路电流超标500kV变电站有广阔的应用前景。

（2）应用高温超导电缆广东珠三角地区城乡已趋一体化，选择确定新的线路走廊已非常困难，特别是向负荷中心地区建设输电通道困难相当大。高温超导电缆具有结构紧凑，损耗极低，传输容量大的特点，可以在允许制造尺寸条件下，传输容量巨大的电能。可将高温超导电缆优先应用于广东电网的深圳、广州等地，在公众反对的地方以及输电通道稀缺的地方试点应用，且避免环境污染和破坏。广东珠三角地区大城市地下管网繁多，新建地下工程，敷设空间极为有限。加深敷设深度会使工程费用大为增加，亦会给运行维护带来很大困难。高温超导电缆可以用于地下电缆工程改造，利用现有排管或电缆隧道，以高温超导电缆取代现有的常导电缆，增加传输容量。此外，高温超导电缆可以在比常导电缆较低的运行电压下将大量电能利用超导电缆传输而进入城市负荷中心[5]。采用高温超导电缆，可以降低电缆额定电压至220kV。在人口密集的珠三角地区，用高温超导电缆取代架空电线，能够节约安装空间和成本，且不污染环境。此外广东电网也可考虑试点应用超导储能装置，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。