超導電力技術的運用范文

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引言

超導電力技術將是21世紀具有經濟戰略意義的高新技術[1]。超導技術的實用化、產業化會對電力領域產生巨大影響。國際超導技術界普遍認為，新一代高溫超導帶材(釔系高溫超導帶材)有望在5年后商品化，之后超導電力技術將會出現一個快速增長的時期，在2010年～2015年期間，各種高溫超導電力裝置將會陸續進入實用化階段。據國際超導工業界預測：2020年，全球超導電力技術產業的產值將達到750億美元。目前，超導電力技術已進入高速發展時期[2]，若干超導電力設備，如超導電纜、超導變壓器、超導限流器、超導儲能裝置等已在電力系統試運行。采用超導電力技術，可以大大提升電力工業的發展水平、促進電力工業的重大變革。廣東電網是全國最大的省級電網，隨著電網的高速發展，系統短路電流水平穩步增大，威脅著電網的安全穩定運行。變電站站址和線路走廊落實困難，電網建設滯后，已影響到電力供應的安全性和可靠性。本文從超導電力設備的特點和優勢出發，初步探討了超導電力裝置在廣東電網應用的可行性。

1超導電力技術簡介

高溫超導電纜采用無阻和高電流密度的高溫超導材料作為載流導體，具有載流能力大、損耗低和體積小的優點，其傳輸容量將比常規電纜高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出75m、35kV/2kA三相交流高溫超導電纜，安裝在云南普吉變電站試驗運行。超導故障限流器的基本原理是將超導裝置接入電網，系統正常運行，電流在臨界電流以下時，超導體電阻幾乎為0，對系統運行無影響。發生故障時，短路電流急劇上升超過臨界電流，超導體失超，電阻迅速增加，從而限制短路電流。故障切除后一段時間，超導體又從正常態恢復到超導態。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、云電英納超導電纜有限公司等單位在云南普吉變對35kV超導限流器進行了短路試驗，初步驗證了其有效性，并正在開展220kV超導限流器的研發工作。高溫超導變壓器與常規變壓器相比，具有體積小、重量輕等優點，同時它采用液氮作為冷卻劑，沒有污染環境或火災的隱患。高溫超導變壓器有很強的過載能力，在過載條件下短時間運行只導致冷卻功率增加，而常規變壓器過載約10%就有可能導致絕緣損壞。2005年，我國研制出630kVA、10.5kV高溫超導變壓器示范樣機，并在新疆并網試驗運行。超導磁儲能(SMES)是利用超導線圈作儲能線圈，由電網經變流器供電勵磁，在線圈中產生磁場而儲存能量。需要時，可經逆變器將所儲存的能量送回電網或提供給其他負載用。由于超導儲能線圈幾乎是無損耗的，因此線圈中儲存的能量可以長久儲存而幾乎不衰減。與其他儲能系統相比，超導磁儲能具有很高的轉換效率(可達95%)和很快的反應速度(可達ms量級)。正因為如此，超導磁儲能裝置不僅可用于調節電力系統的峰谷，而且可用于降低甚至消除電網的低頻功率振蕩從而改善電網的電壓和頻率特性。此外，它還可用于無功和功率因素的調節以改善系統的穩定性[3]。超導電力技術的特點及其對電力系統的作用具體見表1。表1列出了超導電力技術的特點及其對電力工業的作用和影響。可以看出，超導體所具有的優良電氣特性為從根本上解決電力系統中的若干技術難題，既可提高單機容量和電網的輸送容量，又可降低電網的損耗，還能明顯改善電能質量、提高電力系統運行的穩定性和可靠性、降低電壓等級、提高電網的安全性、降低電網占地面積、電網造價及電網的改造成本，并使超大規模電網的實現成為可能。此外，有了大容量的超導輸電系統，可將排污的發電廠建在煤礦和油田附近或將核電站建在比較偏遠的地區，從而改善人類的生存環境[4]。

2廣東電網現況與存在的問題

廣東電網是全國最大的省級電網。截至2009年底，廣東電網已覆蓋廣東全省21個地市，全面建成服務于珠江三角洲范圍的雙回路內環網，并部分建成雙回路外環網，向東延伸至潮州、向西輻射到湛江、向北輻射到韶關。2009年，廣東全社會用電量3609.6億kWh，全社會用電最高負荷達到65000MW。截至2009年底，廣東電網通過“八交四直”500kV及以上線路與西南地區電網互聯，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線路至湖南鯉魚江電廠；1回±500kV直流線路與華中電網相聯；另有4回400kV線路及多回132kV線路與香港中華電力系統互聯；通過3回220kV電纜線路和4回110kV線路與澳門電網相聯，還通過110kV向湘南供電。截至2009年底，廣東電力系統有500kV變電站33座，500kV變壓器總容量67250MVA，500kV線路總長度約5363km；220kV變電站265座，220kV變壓器總容量117930MVA，220kV線路總長度約16897km；110kV變電站1416座，110kV變壓器總容量130539MVA，線路總長度約29983km。廣東電網存在的問題：

（1）系統短路電流水平穩步增大隨著電網結構的不斷加強，系統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斷路器的額定開斷電流，嚴重威脅著電網的安全穩定運行。限制短路電流和簡化優化電網潮流已成為電力系統發展需面對和解決的重要問題。

（2）變電站站址和線路走廊落實困難，電網建設難度大、代價高隨著城市化進程加快，廣東（尤其是珠三角地區）城鄉已趨一體化，選擇確定新的線路走廊已非常困難，特別是向負荷中心地區建設輸電通道困難相當大，由于用地等外部因素影響，廣東電網輸變電工程前期工作時間相當長，工程進展常常大大滯后于規劃，也滯后于電力市場的發展，由于線路走廊問題而引起的電網建設滯后已嚴重影響到電網發展，影響到廣東電力供應的安全性和可靠性。

（3）多回直流相互影響問題和交直流系統相互影響問題顯現隨著西電送電廣東容量進一步增大，興安直流雙極投運，廣東電網形成多回直流集中饋入珠江三角洲負荷中心的復雜電網，交直流系統之間相互影響的問題變得更加復雜，交流系統故障引起單回或多回直流同時發生換相失敗、功率降低乃至相繼閉鎖的風險依然存在。

3超導電力技術在廣東電網應用初步分析

（1）應用超導限流器隨著廣東電網的容量在不斷擴大，其短路電流水平迅速提高，由于電氣設備須按短路容量水平來設計，這就使得開關設備的成本大大升高，甚至無法選型。為了降低短路電流，目前方法不管是從電網結構還是從運行方式上或者在電氣設備方面考慮，費用均非常高，容易導致電力系統運行的不穩定。超導故障限流器在故障條件下檢測到短路電流超標時才發揮作用，對正常方式下潮流沒有影響。廣東電網中短路電流超標站點位于內環網，潮流一般較重，采用超導故障限流器可以在短路故障發生時快速響應，瞬間產生高阻抗，有效限制短路電流。在短路故障切除后，迅速恢復正常運行狀態，配合電網的重合閘快速恢復電網正常運行。在廣東電網的內環網短路電流超標500kV變電站有廣闊的應用前景。

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