超導(dǎo)輸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

肖立業(yè) 林良真

(1.中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190 2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190)

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超導(dǎo)輸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

肖立業(yè)1，2林良真1，2

(1.中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190 2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190)

由于我國(guó)電力資源與負(fù)荷資源分布極度不匹配，電力的遠(yuǎn)距離輸送不可避免，特別是未來(lái)可再生能源的規(guī)模開(kāi)發(fā)與利用，將會(huì)進(jìn)一步加劇這種不匹配的格局，大規(guī)模的電力遠(yuǎn)距離輸送在我國(guó)尤其重要。超導(dǎo)輸電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電力遠(yuǎn)距離輸送的潛在解決方案之一，近年來(lái)在國(guó)際上得到了較快發(fā)展，我國(guó)也有了很好的研究開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。該文對(duì)我國(guó)超導(dǎo)輸電技術(shù)的需求進(jìn)行了分析，介紹了國(guó)內(nèi)外超導(dǎo)輸電技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，分析了超導(dǎo)輸電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，并提出了有關(guān)發(fā)展對(duì)策與建議。

可再生能源 高溫超導(dǎo)材料 超導(dǎo)輸電技術(shù)

0 引言

一個(gè)國(guó)家的綜合發(fā)展水平越高，則其人均用電量越高。2011年，國(guó)際能源署提供的數(shù)據(jù)表明[1]，不同國(guó)家或地區(qū)的人均用電量與人均GDP大致呈正相關(guān)關(guān)系。我國(guó)目前人均GDP僅為7 000美元左右，大致相當(dāng)于發(fā)展中國(guó)家的平均水平，未來(lái)仍有大幅度提升的空間。根據(jù)周孝信[2]牽頭組織撰寫的報(bào)告，2010年，我國(guó)人均用電量約為3 000 kWh，到2050年，以我國(guó)人均GDP達(dá)到2.5～3.5萬(wàn)美元計(jì)算，較合理的預(yù)計(jì)是人均用電量將達(dá)到8 000～10 000 kWh以上，大致相當(dāng)于法國(guó)、德國(guó)或日本當(dāng)前水平，或相當(dāng)于美國(guó)20世紀(jì)70、80年代水平。

隨著化石能源的日益枯竭以及日益增長(zhǎng)的環(huán)境壓力等因素的驅(qū)動(dòng)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到必須大力發(fā)展可再生能源，并逐步實(shí)現(xiàn)可再生能源替代化石能源的新能源變革[3]。近年來(lái)，歐洲、美國(guó)和中國(guó)等國(guó)家的可再生能源發(fā)展十分迅速，裝機(jī)容量增長(zhǎng)速度年均超過(guò)20%。2009年，歐盟國(guó)家新增的電力裝機(jī)中，可再生能源發(fā)電裝機(jī)已占到62%以上[4]，超過(guò)了傳統(tǒng)能源發(fā)電的新增裝機(jī)。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，可再生能源發(fā)電的單位成本呈逐年下降趨勢(shì)。根據(jù)歐洲、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的預(yù)計(jì)，到2020年，光伏發(fā)電基本上可以實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)[5]。2011年，歐洲可再生能源委員會(huì)出版了一份名為《Re-thinking 2050》的報(bào)告[6]，報(bào)告預(yù)測(cè)：按照目前歐洲可再生能源的發(fā)展速度，到2020年，歐洲新增的電力裝機(jī)將全部來(lái)自可再生能源；報(bào)告也大體勾畫了到2050年實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供應(yīng)體系的路線圖。2011年1月份，德國(guó)環(huán)境咨詢委員會(huì)提交了一份名為《建立一個(gè)100%的可再生能源電力系統(tǒng)》的報(bào)告，該報(bào)告得出結(jié)論，到2050年，德國(guó)電力100%由可再生能源供應(yīng)是可能的[7]。世界觀察研究所的報(bào)告認(rèn)為[7]：到2050年，中國(guó)可再生能源將達(dá)到總能源需求的40%～45%。由此可見(jiàn)，可再生能源將在未來(lái)得到快速發(fā)展，而化石能源的比重將逐漸降低。

我國(guó)的能源資源和負(fù)荷資源的地理分布極不均衡，電力資源大部分分布在西部和北部地區(qū)，而人口和負(fù)荷資源大部分分布在中部和東部地區(qū)?？紤]到可再生能源發(fā)展的遠(yuǎn)景，我國(guó)未來(lái)能源資源和負(fù)荷資源分布不均衡的矛盾將更加突出。根據(jù)周孝信等[8]另一份研究報(bào)告，依據(jù)我國(guó)環(huán)境和資源約束條件，并結(jié)合我國(guó)未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)，預(yù)測(cè)我國(guó)2050年總的電力需求量和發(fā)電裝機(jī)容量如表1(低方案)及表2(高方案)所示。同時(shí)，我國(guó)將有約5億kW的電力需要從西部地區(qū)送往中東部地區(qū)，年輸送電能將達(dá)到2.3～2.5萬(wàn)億kWh。

表1 我國(guó)中長(zhǎng)期可支持的發(fā)電量及裝機(jī)規(guī)模(低方案)Tab.1 Future electric energy requirement and installed power capacity(low-level scenario)

表2 我國(guó)中長(zhǎng)期可支持的發(fā)電量及裝機(jī)規(guī)模(高方案)Tab.2 Future electric energy requirement and installed power capacity(high-level scenario)

由此可見(jiàn)，隨著可再生能源在能源中所占比重不斷增加，我國(guó)不僅“西電東送”、“北電南送”的基本格局沒(méi)有改變，而且電力資源與負(fù)荷資源分布不均衡的矛盾將進(jìn)一步加深，發(fā)展大容量遠(yuǎn)距離電力輸送技術(shù)仍十分必要。

1 超導(dǎo)輸電技術(shù)的原理及比較優(yōu)勢(shì)

超導(dǎo)輸電技術(shù)是利用高密度載流能力的超導(dǎo)材料發(fā)展起來(lái)的新型輸電技術(shù)，超導(dǎo)輸電電纜主要由超導(dǎo)材料、絕緣材料和維持超導(dǎo)狀態(tài)的低溫容器構(gòu)成，圖1和圖2分別是常溫電絕緣和低溫電絕緣的超導(dǎo)輸電電纜的示意圖。由于超導(dǎo)材料的載流能力可達(dá)到100～1 000 A/mm2(約是普通銅或鋁的載流能力的50～500倍)，且其傳輸損耗幾乎為零(直流下的損耗為零，工頻下會(huì)有一定的交流損耗，約為0.1～0.3 W/kA·m)，因此，超導(dǎo)輸電技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，主要可歸納為：

1)容量大。一條±800 kV的超導(dǎo)直流輸電線路的傳輸電流可達(dá)10～50 kA，輸送容量可達(dá)1 600～8 000 萬(wàn)kW，是普通特高壓直流輸電的2～10倍。

2)損耗低。由于超導(dǎo)輸電系統(tǒng)幾乎沒(méi)有輸電損耗(交流輸電時(shí)存在一定的交流損耗)，其損耗主要來(lái)自循環(huán)冷卻系統(tǒng)(對(duì)于交流輸電也是如此)，因此其輸電總損耗可降到常規(guī)電纜的25%～50%。

3)體積小。由于載流密度高，超導(dǎo)輸電系統(tǒng)的安裝占地空間小，土地開(kāi)挖和占用減少，征地需求 小，使利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施敷設(shè)超導(dǎo)電纜成為可能。

4)重量輕。由于導(dǎo)線截面積較普通銅電纜或鋁電纜大大減少，因此，輸電系統(tǒng)的總重量可大大降低。

5)增加系統(tǒng)靈活性。由于超導(dǎo)體的載流能力與運(yùn)行溫度有關(guān)，可通過(guò)降低運(yùn)行溫度來(lái)增加容量，因而有更大的運(yùn)行靈活性。

6)如果采用液氫或液化天然氣等燃料作為冷卻介質(zhì)，則超導(dǎo)輸電系統(tǒng)就可變成“超導(dǎo)能源管道”(Superconducting Energy Pipeline)，從而在未來(lái)能源輸送中具有更大的應(yīng)用價(jià)值。例如，從新疆向中東部地區(qū)供應(yīng)液化天然氣和可再生能源電力，就可采用這樣的“超導(dǎo)能源管道”。

圖1 常溫絕緣型超導(dǎo)輸電電纜Fig.1 Warm dielectric type superconducting transmission cable

圖2 低溫絕緣型超導(dǎo)輸電電纜Fig.2 Cryogenic dielectric type superconducting transmission cable

由于上述優(yōu)越性，超導(dǎo)輸電技術(shù)可為未來(lái)電網(wǎng)提供一種全新的低損耗、大容量、遠(yuǎn)距離電力傳輸方式。美國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)所做的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估分析(如表3和表4所示)表明[9]，如果超導(dǎo)帶材的價(jià)格可降到20～50美元/kA-m，超導(dǎo)直流輸電技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性具有明顯優(yōu)勢(shì)，因而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展及超導(dǎo)帶材價(jià)格的不斷降低，未來(lái)可望得到重要應(yīng)用。

表3 各種輸電技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較Tab.3 Technical comparisons among different power transmission technology

注：“√”表示具備比較項(xiàng)所提出的功能，“×”表示不具備。

表4 各種輸電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)比較(以5 GW、1 500英里為例)Tab.4 Economic comparisons among different power transmission technology

2 超導(dǎo)輸電技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì)

超導(dǎo)材料是發(fā)展超導(dǎo)輸電技術(shù)的根本物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，1987年以來(lái)，超導(dǎo)輸電技術(shù)的研究主要圍繞高溫超導(dǎo)材料開(kāi)展。高溫超導(dǎo)材料主要包括鉍(Bi)系高溫超導(dǎo)帶材(包括Bi2Sr2Ca2Cu3O10即Bi-2223、Bi2Sr2Ca1Cu2O8即Bi-2212，也稱為第I代高溫超導(dǎo)帶材)和YBCO (YBa2Cu3O7-x即Y-123)高溫超導(dǎo)帶材(也稱第II代高溫超導(dǎo)帶材)。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，第I代和第II代高溫超導(dǎo)帶材在臨界電流密度、長(zhǎng)度、機(jī)械性能等方面已基本滿足超導(dǎo)輸電技術(shù)的應(yīng)用需求。表5和表6分別列出了目前國(guó)際上主要的Bi系超導(dǎo)帶材和Y系超導(dǎo)帶材[10-14]供應(yīng)商的超導(dǎo)材料技術(shù)指標(biāo)。

表5 國(guó)際上主要生產(chǎn)廠商提供的Bi系超導(dǎo)帶材的性能Tab.5 Properties of Bi-based superconducting tapes provided by the manufacturers in the world

其中，日本住友電工長(zhǎng)期堅(jiān)持對(duì)Bi系高溫超導(dǎo)線進(jìn)行研制，2006年，該公司組建了30 MPa的冷壁式Controlled Overpressure(CT-OP)熱處理方案，成功制備臨界電流達(dá)180～200 A以上的Bi系高溫超導(dǎo)線，這一成果引起了世界同行的極大關(guān)注。德國(guó)Bruker公司和美國(guó)超導(dǎo)公司所生產(chǎn)的Bi-2223/Ag導(dǎo)線性能指標(biāo)也較高，但因目前轉(zhuǎn)為生產(chǎn)YBCO帶材，兩家公司的Bi-2223/Ag導(dǎo)線僅有少量庫(kù)存。

表6 國(guó)際上主要研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)或公司所研制的Y系超導(dǎo)帶材的性能Tab.6 Properties of Y-based superconducting tapes provided by the manufacturers in the world

然而，Bi系高溫超導(dǎo)帶材在77 K下的不可逆場(chǎng)約有0.4 T，臨界電流在較小磁場(chǎng)下衰減很快；同時(shí)，采用銀套管等成本較高的原材料，Bi系高溫超導(dǎo)帶材的生產(chǎn)成本將難以下降。因此，國(guó)際上已基本停止了對(duì)Bi系高溫超導(dǎo)帶材的研發(fā)，大部分公司已經(jīng)停止Bi系高溫超導(dǎo)帶材的生產(chǎn)。

在Y系超導(dǎo)材料研制中，日本Fujikura公司于2004年制備出長(zhǎng)度為100 m、臨界電流超過(guò)100 A的YBCO超導(dǎo)帶材；2006年，其研制的帶材長(zhǎng)度達(dá)200 m、臨界電流超過(guò)200 A；2007年，長(zhǎng)度發(fā)展到504 m、臨界電流超過(guò)350 A，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界記錄。2010年10月份，F(xiàn)ujikura公司制備出長(zhǎng)度達(dá)615 m、臨界電流達(dá)到609 A的帶材，2011年4月份又制備出長(zhǎng)度為816 m、臨界電流為572 A的YBCO帶材，再次創(chuàng)造出新的世界記錄。美國(guó)SuperPower公司采用離子束輔助沉積技術(shù)和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(IBAD+MOCVD)已經(jīng)可以批量制備千米級(jí)YBCO超導(dǎo)帶材，最長(zhǎng)單根超導(dǎo)帶材達(dá)到1 311 m、臨界電流約300 A；美國(guó)超導(dǎo)公司(AMSC)采用軋制輔助雙軸織構(gòu)基帶技術(shù)/金屬有機(jī)物化學(xué)溶液沉積技術(shù)(RABiTS/MOD)制備出YBCO超導(dǎo)帶材的最大長(zhǎng)度為520 m，可采用344法切割成超過(guò)3 000 m的超導(dǎo)帶材。

我國(guó)在YBCO超導(dǎo)帶材制備上也取得了重要進(jìn)展，北京有色金屬研究總院制備出臨界電流超過(guò)200 A的米級(jí)YBCO超導(dǎo)帶材，而上海交通大學(xué)采用全激光沉積(PLD)在軋制輔助雙軸織構(gòu)(RABiTS)基帶上進(jìn)行過(guò)渡層和超導(dǎo)層的生長(zhǎng)研究，獲得了長(zhǎng)度100 m、臨界電流達(dá)到170 A的YBCO超導(dǎo)帶材。蘇州新材料公司成立于2011年2月份，是國(guó)內(nèi)第一家專注于第二代高溫超導(dǎo)帶材產(chǎn)業(yè)化的高科技企業(yè)。截至2012年3月底，蘇州新材料研究所有限公司已投資10 000萬(wàn)元用于第II代高溫超帶材實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和加工。其中，已自主完成了離子束輔助沉積(IBAD)技術(shù)制備千米級(jí)有立方織構(gòu)MgO種子層的設(shè)備、千米級(jí)氧化物隔離層的外延生長(zhǎng)設(shè)備、千米級(jí)YBCO超導(dǎo)層的MOCVD外延生長(zhǎng)設(shè)備等的設(shè)計(jì)，并開(kāi)始加工制造。

值得一提的是，2001年，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的二硼化鎂(MgB2)超導(dǎo)材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)39 K[15]。MgB2超導(dǎo)材料具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，如果運(yùn)行于液氫溫度(27 K)，也可用于超導(dǎo)輸電技術(shù)。目前，意大利Columbus公司和美國(guó)HyperTech公司均可商業(yè)化制備并批量生產(chǎn)千米級(jí)MgB2長(zhǎng)線，中國(guó)科學(xué)院電工研究所和西北有色金屬研究院也具備制備百米量級(jí)的MgB2導(dǎo)線的能力[16]。2008年初，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種新型超導(dǎo)體——鐵基超導(dǎo)體，在世界范圍內(nèi)興起了一股新的超導(dǎo)研究熱潮，中國(guó)科學(xué)院物理研究所趙忠賢院士將鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度提高到了55 K。2008年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所率先制備出鐵基超導(dǎo)帶材，2014年，制備的鐵基超導(dǎo)帶材在液氦溫度和10 T磁場(chǎng)下的臨界電流密度已達(dá)到1 000 A/mm2以上。

3 高溫超導(dǎo)輸電電纜研發(fā)現(xiàn)狀

由于上述高溫超導(dǎo)材料制備技術(shù)取得的巨大進(jìn)步，自20世紀(jì)90年代末以來(lái)，世界范圍內(nèi)在超導(dǎo)輸電技術(shù)方面開(kāi)展了大量研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用示范。美國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)和韓國(guó)等都完成了高溫超導(dǎo)電纜的研制和示范，以前的研究重點(diǎn)主要集中在高溫超導(dǎo)交流電纜，近年來(lái)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了高溫超導(dǎo)直流電纜。表7列出了近年來(lái)國(guó)際上主要超導(dǎo)電纜的研發(fā)與示范項(xiàng)目。

表7 國(guó)際高溫超導(dǎo)電纜研究開(kāi)發(fā)與示范主要案例[17-25]Tab.7 Typical projects of high-temperature superconducting cable in the world[17-25]

其中，美國(guó)南方電線公司于1999年首先將30 m長(zhǎng)、12.5 kV/1.25 kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜安裝在其總部進(jìn)行供電運(yùn)行；丹麥于2001年研制出30 m長(zhǎng)、36 kV/2 kA的三相交流高溫超導(dǎo)電纜并進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。此后，國(guó)際上有多組更長(zhǎng)距離的高溫超導(dǎo)電纜并入實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行，主要集中在美國(guó)，包括長(zhǎng)度分別為200 m、350 m以及目前國(guó)際上最長(zhǎng)的600 m(138 kV/2 kA)等三組三相交流高溫超導(dǎo)電纜已完成研制，并投入到實(shí)際電網(wǎng)示范運(yùn)行(如圖3所示)。2006年，日本住友公司完成了全球第一組以商業(yè)化方式訂制的100 m長(zhǎng)、22.9 kV/1.25 kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜的開(kāi)發(fā)并交付韓國(guó)使用。

國(guó)際上還計(jì)劃開(kāi)展更長(zhǎng)距離的高溫超導(dǎo)電纜的研究開(kāi)發(fā)。例如，美國(guó)計(jì)劃研制長(zhǎng)度為1 760 m、容量為13.8 kV/2 kA的三相交流高溫超導(dǎo)電纜并在新奧爾良市更換一段滿負(fù)荷運(yùn)行的地下常規(guī)電纜；荷蘭于2007年底啟動(dòng)了長(zhǎng)度達(dá)6 000 m、容量為50 kV/3 kA的三相交流高溫超導(dǎo)電纜的前期工作，計(jì)劃在阿姆斯特丹市更換一段目前已超負(fù)荷運(yùn)行的充氣常規(guī)電纜，同時(shí)將傳輸電壓等級(jí)由常規(guī)電纜的150 kV降到超導(dǎo)電纜的50 kV；美國(guó)超導(dǎo)公司與韓國(guó)LS電纜公司于2009年9月份建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，共同推進(jìn)韓國(guó)現(xiàn)有電力傳輸網(wǎng)采用高溫超導(dǎo)電纜的進(jìn)程，預(yù)計(jì)在未來(lái)5年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)50 km高溫超導(dǎo)電纜在實(shí)際商業(yè)電網(wǎng)中的使用和服務(wù)。

圖3 美國(guó)超導(dǎo)輸電示范系統(tǒng)Fig.3 Demonstration projects of superconducting transmission in USA

我國(guó)自“九五”計(jì)劃以來(lái)就開(kāi)展高溫超導(dǎo)電纜的研究。1998年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所與西北有色金屬研究院和北京有色金屬研究總院合作研制成功1 m長(zhǎng)、1 000 A的Bi系高溫超導(dǎo)直流輸電電纜模型，2000年又完成6 m長(zhǎng)、2 000 A高溫超導(dǎo)直流輸電電纜的研制和實(shí)驗(yàn)?！笆濉逼陂g，在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下，中國(guó)科學(xué)院電工研究所于2003年研制出10 m、10.5 kV/1.5 kA三相交流高溫超導(dǎo)輸電電纜。在此基礎(chǔ)上，2004年中國(guó)科學(xué)院電工研究所與甘肅長(zhǎng)通電纜公司等合作研制成功75 m、10.5 kV/1.5 kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜并安裝在甘肅長(zhǎng)通電纜公司為車間供電運(yùn)行。2011年2月份，中國(guó)科學(xué)院電工研究所在甘肅省白銀市政府支持下，在白銀市建成10.5 kV/630 kV·A超導(dǎo)變電站，該75 m、10.5 kV/1.5 kA高溫超導(dǎo)電纜隨即移裝在超導(dǎo)變電站中運(yùn)行至今(如圖4所示)。

圖4 白銀超導(dǎo)變電站中的三相75 m、10.5 kV/1.5 kA高溫超導(dǎo)電纜Fig.4 Three-phase 75 m、10.5 kV/1.5 kA high-temperature superconducting cable in Baiyin Superconducting Transformer Substation

2001年云南電力公司與北京英納超導(dǎo)公司合資成立云電英納超導(dǎo)電纜公司，從事高溫超導(dǎo)電纜的研究開(kāi)發(fā)，2004年完成33 m長(zhǎng)、35 kV/2 kA高溫超導(dǎo)交流電纜的研制，安裝在云南普吉變電站實(shí)驗(yàn)運(yùn)行(如圖5所示)。

圖5 普吉33 m、35 kV/2 kA三相交流高溫超導(dǎo)輸電電纜Fig.5 Three-phase 33 m、35 kV/2 kA high-temperature conducting cable in Puji，Yunan

由于直流輸電的優(yōu)勢(shì)以及發(fā)展新能源并網(wǎng)的需求，近年來(lái)，超導(dǎo)直流輸電技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)備受重視。美國(guó)于2009年10月份啟動(dòng)了將三大電網(wǎng)(美國(guó)東部電網(wǎng)、西部電網(wǎng)、德克薩斯電網(wǎng))實(shí)現(xiàn)完全互聯(lián)和可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的“Tres Amigas超級(jí)變電站”項(xiàng)目，該超級(jí)變電站采用高壓直流輸電技術(shù)(HVDC)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)，即任何兩個(gè)電網(wǎng)互聯(lián)均由AC/DC進(jìn)行電能變換后通過(guò)高溫超導(dǎo)直流輸電電纜(Superconductor Electricity Pipelines)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，最終建設(shè)成一個(gè)占地22.5平方英里、呈三角形互聯(lián)的可再生能源市場(chǎng)樞紐(Renewable Energy Market Hub)，如圖6所示。但由于資金募集沒(méi)有到位，該項(xiàng)目中的高溫超導(dǎo)直流輸電電纜將由常規(guī)電纜替代。

2010年，日本中部大學(xué)完成了一組200 m長(zhǎng)、±20 kV/2 kA高溫超導(dǎo)直流電纜的研制和實(shí)驗(yàn)(如圖7所示)，并計(jì)劃在此基礎(chǔ)上研制2 000 m長(zhǎng)的高溫超導(dǎo)直流電纜投入實(shí)際電網(wǎng)示范運(yùn)行。

圖6 美國(guó)Tres Amigas超級(jí)變電站設(shè)計(jì)方案Fig.6 The design picture of Tres Amigas Super-Substation of USA

圖7 日本中部大學(xué)200 m長(zhǎng)、±20 kV/2 kA高溫超導(dǎo)直流電纜試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 200 m/±20 kV/2 kA high-temperature superconducting cable in Chubu University，Japan

韓國(guó)在濟(jì)州島智能電網(wǎng)示范項(xiàng)目中，于2014年開(kāi)始示范一組500 m長(zhǎng)、80 kV/60 MW的超導(dǎo)直流輸電電纜，并利用該電纜作為可再生能源接入電網(wǎng)的通道。2011年5月份，德國(guó)就開(kāi)展千公里級(jí)高溫超導(dǎo)直流輸電示范工程的建設(shè)召開(kāi)了國(guó)際可行性專題研討會(huì)，與會(huì)者對(duì)未來(lái)建設(shè)長(zhǎng)距離高溫超導(dǎo)輸電電纜以解決大容量的可再生能源輸送問(wèn)題寄予厚望；2011年8月份在日本召開(kāi)的第一屆亞洲—阿拉伯可持續(xù)能源論壇，提出開(kāi)發(fā)撒哈拉太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電，并采用超導(dǎo)直流輸電技術(shù)，將電力輸送到歐洲和日本的宏偉計(jì)劃。為此，日本住友電氣已經(jīng)啟動(dòng)了一項(xiàng)旨在利用超導(dǎo)直流輸電構(gòu)造全球性可再生能源網(wǎng)絡(luò)的前期研究項(xiàng)目(如圖8所示)。

圖8 日本住友電氣關(guān)于未來(lái)全球超導(dǎo)直流輸電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想Fig.8 An idea of future global DC transmission network with superconducting power cable proposed by Sumitomo Electric Industries，Japan

2007年8月份，中國(guó)科學(xué)院電工研究所與河南中孚公司合作，在中孚鋁冶煉廠建成360 m長(zhǎng)、電流達(dá)10 kA的高溫直流超導(dǎo)電纜。該電纜將采用架空方式布線，跨越公司綠化帶和內(nèi)部馬路，連接變電所的整流裝置將電流輸送到電解鋁車間的直流匯流大母線。圖9是360 m、10 kA高溫超導(dǎo)直流電纜安裝現(xiàn)場(chǎng)，該電纜已于2013年投入示范運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行表明，與同等容量的常規(guī)輸電電纜相比，該高溫超導(dǎo)電纜可節(jié)省輸電損耗約65%以上。

圖9 安裝在廠區(qū)的360 m、10 kA高溫直流超導(dǎo)電纜Fig.9 360 m、10 kA high-temperature superconducting DC cable

4 超導(dǎo)輸電技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著可再生能源比重的不斷增加，現(xiàn)有輸電網(wǎng)交流運(yùn)行模式將面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[26-29]。因此，國(guó)際上似乎已經(jīng)有了以下共識(shí)：即采用直流輸電網(wǎng)的模式對(duì)于建設(shè)未來(lái)大規(guī)模的可再生能源電網(wǎng)可能是較好的選擇。目前，無(wú)論是美國(guó)Grid2030構(gòu)想[30]還是歐洲的Super Smart Grid構(gòu)想(2050)[31]，均提出了以直流輸電網(wǎng)為骨干的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和輸電模式；美國(guó)電力科學(xué)院(EPRI)提出了Macro-Grid的概念[9]，其基本設(shè)想也是利用直流環(huán)形電網(wǎng)來(lái)解決資源的綜合利用問(wèn)題和提高供電的安全可靠性；歐洲已計(jì)劃到2020年左右將北海地區(qū)的海上風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)直流電網(wǎng)相連并網(wǎng)[31]，美國(guó)規(guī)劃2020年左右將大西洋沿岸建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)直流網(wǎng)絡(luò)向用戶提供清潔的能源供應(yīng)[31]；歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)就直流配電網(wǎng)的建設(shè)著手制定標(biāo)準(zhǔn)和建立示范工程。

正因?yàn)槿绱?，未?lái)超導(dǎo)輸電技術(shù)的一個(gè)極為重要的發(fā)展趨勢(shì)就是重點(diǎn)發(fā)展高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，這一點(diǎn)已經(jīng)從近年來(lái)國(guó)際上的研究開(kāi)發(fā)任務(wù)中可以看出。由于超導(dǎo)直流輸電電纜無(wú)焦耳熱損耗和交流損耗，從而可最大程度地提高輸電效率。同時(shí)，超導(dǎo)輸直流電電纜需要的冷卻系統(tǒng)，如果采用液化天然氣(液化溫度為110 K)或液氫(液化溫度為27 K)作為冷卻介質(zhì)，就可實(shí)現(xiàn)輸電和輸氣的一體化。這是因?yàn)?，一方面，目前已有的高溫超?dǎo)材料(如TlBaCuO(Tc～125 K)和HgBaCuO(Tc～150 K))的臨界溫度已超過(guò)了液化天然氣溫度，僅從臨界溫度的角度看，已具備研制輸電輸氣一體化“超導(dǎo)能源管道”的可能性；另一方面，由于可再生能源具有波動(dòng)性的特點(diǎn)，利用可再生能源制備天然氣或氫氣，不僅可將不可調(diào)度的波動(dòng)能源轉(zhuǎn)變成可調(diào)度的能源，而且可用于超導(dǎo)輸電電纜的冷卻。因此，發(fā)展“超導(dǎo)能源管道”也將是超導(dǎo)輸電技術(shù)的另一重要方向。

此外，直流輸電網(wǎng)中的短路故障開(kāi)斷也是一個(gè)極其重要的問(wèn)題。由于超導(dǎo)體存在超導(dǎo)態(tài)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，即超導(dǎo)體在過(guò)流時(shí)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，因而利用超導(dǎo)體研制的短路故障限流器對(duì)于超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也很有意義，它可迅速將短路電流限制在預(yù)定的水平，使得直流短路故障的開(kāi)斷變得更加簡(jiǎn)單。

總之，隨著直流輸電乃至直流輸電網(wǎng)的發(fā)展，研究開(kāi)發(fā)超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)、超導(dǎo)直流輸電-輸氣一體化的“超導(dǎo)能源管道”和直流超導(dǎo)限流器，是未來(lái)超導(dǎo)輸電技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)，值得高度關(guān)注。

5 對(duì)策與建議

超導(dǎo)輸電技術(shù)屬于前沿戰(zhàn)略性技術(shù)，一旦取得重大突破，將同時(shí)對(duì)電力、能源、交通、醫(yī)療、科學(xué)研究等產(chǎn)生重大影響。因此建議國(guó)家科技部門在國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃中設(shè)立“超導(dǎo)輸電技術(shù)研究計(jì)劃”，予以長(zhǎng)期穩(wěn)定支持，通過(guò)制訂近、中、遠(yuǎn)期發(fā)展戰(zhàn)略路線圖，突出目標(biāo)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向。

作為重要切入點(diǎn)，建議啟動(dòng)液化天然氣溫度的長(zhǎng)距離“超導(dǎo)能源管道”示范工程項(xiàng)目，通過(guò)在超導(dǎo)物理、超導(dǎo)材料、超導(dǎo)輸電關(guān)鍵技術(shù)及其在電網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的系統(tǒng)性突破，全面推動(dòng)超導(dǎo)輸電技術(shù)的發(fā)展，并通過(guò)15～20年的努力，建成數(shù)百公里級(jí)的高溫超導(dǎo)輸電示范系統(tǒng)，為我國(guó)未來(lái)能源輸送奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

致 謝：衷心感謝劉怡博士和杜永紅女士在本文修改過(guò)程中提供的有益幫助。

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Status Quo and Trends of Superconducting Power Transmission Technology

XiaoLiye1，2LinLiangzhen1，2

(1.Applied Superconductivity Laboratory Chinese Academy of Science Beijing 100190 China 2.Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science Beijing 100190 China)

With the increasing development of renewable energy，it is expected that large-scale renewable power would be transported from the west and north area of China to the east and south area.For this reason，large-capacity long-distance power transmission technology would be necessary for China’s power grid even in the future.Superconducting power transmission (SCPT) technology is a potential alternative for this requirement.In this paper，we review the R&D status of superconducting power transmission around the world，discuss the possible trends of SCPT in the future，and then offer some proposals for future SCPT R&D in China.

Renewable energy，high temperature superconducting materials，superconducting power transmission technology

2015-03-03 改稿日期2015-03-10

TM315

肖立業(yè) 男，1966年生，研究員，研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電工技術(shù)及電工理論與新技術(shù)。(通信作者)

林良真 男，1935年生，研究員，研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電工技術(shù)與電力系統(tǒng)。