浅析高温超导体在电力系统的应用

浅析高温超导体在电力系统的应用

吴继岩

宁夏电力有限公司固原供电公司宁夏固原756000

摘要：随着高温超导技术的发展和电力需求不断增长，高温超导体的材料对电力设备引着重大的影响，它不仅降低了压降，而且还减少了电磁污染，增加了电力的传输能力，为未来的电缆研制上提供了方向。

关键词：高温超导体；电力系统；应用

0.前言

随着时代的发展，高层建筑林立、大城市和城市密集居住地区，用电量急剧增加，城市供电等级由原来110千伏及以下已上升至220千伏甚至更高，这对电力系统的电能输送能力提出了更高的标准，而常规的输电线路一般由电力电缆和架空线路组成，由于输电线路本身原因导致线路损耗难以降低，在采用特高压输电提高电能传输能力同时，会对人产生相应的电磁辐射，并且费用昂贵，为了解决上述问题，如何通过使用新材料，来降低线路损耗提高电力传输能力是现在研究的方向。

1.超导体发展历史

1911年，荷兰物理学家昂纳斯首次发现汞的直流电阻在4.2K（即-269?C）时突然消失，物质的这种现象被称为“超导电现象”。处于这种状态的导体被称之为超导体。

从1911年至1985年超导温度只从4.2K提高到23.3K，于是科学家对能否找到更高温度的超导体进行争议直到1986年4月，瑞士科学家柏诺兰和缪勒首先发现La2-XBaXCuO4在30K存在超导电性的可能性。1987年，美国的朱经武和中科院物理所分别宣布发现Tc为98K及110K的Y-Ba-Cu-0超导体，使超导研究摆脱了液氦，进入液氮（77K以上），节省了大量研究资金。1988年，人们曾发现无限层Cu2O2层超导体。1933年12月法国科学家拉盖获得了Tc为250K的超导体。

2.高温超导材料的分类及相关特征

高温超导材料主要分为氧化物超导体（如YBa2Cu3O7-X）、非晶超导材料、复合超导材料（如超导线带材料）、重费米子超忖体（如CeCu2Si2）有机超导材料（如富勒烯等修饰的化合物）。其相关特征主要表现为：（1）晶体结构具有很强的低维特点，三个晶格常数往往相差3-4倍；（2）输送系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性；（3）磁场穿透深度远大于相干长度，是第二类超导体；（4）在梳子浓度低，且多为空穴型导电；（5）同位素效应不显著；（6）迈斯纳效应不完全；（7）隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。

通过研究发现，在4.2K下，Bi-Sr-Ca-Cu-0材料在零磁场下临界电流密度可达105A/cm2数量级，比在77K下电流密度高一个数量级，同时在高磁场下，它的电密度几乎不随外加磁场的增大而减少。因此在低温下高温超导材料是一种有发展前景的强场材料。

3.高温超导体的技术特点

在1911年发现超导现象后，人们希望把超导材料应用于电磁能量传输上，但只是在20世纪60年代末发现了金属互化物Nb3Sn以后才开始应用，超导电缆经历了直流低温超导电缆、交流低温超导电缆、交流高温超导电缆等几个过和，随着临界温度高于77K的高温超导材料的出，交流高温超电缆成为超导电缆发展的主流。高温超导输电电缆采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体，具有体积小、重量轻、损耗小、容量大等优点，因此高温超导电缆的发展潜力很大。

高温超导电缆的技术特点：

（1）大容量：目前常规电力电的运行电压最高为500kV，提高1000kV尚未到实用阶段。常规电力电缆为了提高送电容量，要降低热量损耗，需增大截面，最大为3500mm2，电流为3000A.如再提高送电容量，由于导体热量损耗随容量的提高而迅速增加，故需采用强冷措施。例如，35kV的热绝缘高温超导电缆第相最大能够达到2.5-3.0KA，基本是相同电压等级传统电缆的2-3倍。

（2）低损耗：超导材料在进入超导状戊时，其直流电阻几乎为零；但对交流电缆来说，超导体中仍有磁滞涡流损耗，但其值比常规电缆要小得多，即使计及低温冷却所需的电力，其电力损耗仍比常规电缆要小。

（3）紧凑结构：高温超导电缆传输电流密度高，因此在传输同样的电能时所需的送电通道远小于常规划电缆，当常规电缆要尔双回路或三回路时，单回路的超导电缆就能达到或超过最大输电电流的需要。从电缆安装空间有限和安全角度出发，在大城市中引入超导电缆经济可行。

（4）对环境影响小：超导电缆的内部冷却方式有利于降低对电缆安装地点和土壤要求。超导电缆的磁场集中在电缆内部，电缆外无磁场，减少了电磁污染。

4.高温超导电缆在电力系统中的应用

据研究发现，交流高温超导电缆的功率损耗只占输送容量的1%左右，如果采用超导输电技术，则可以节约10000兆瓦以上，即可少建10座1000兆瓦的燃煤发电厂。据统计，如果全部采用高温超导电缆，则按现在的电价和用电量计算，我国每年可节约400亿元。另一方面，节约大量的金属材料，降低煤的消耗量，这也意味着减少冶炼金属的污染。

我国西南地区水能资源丰富，占全国开发容量的72.1%。而特高压，如1100Kvgh传输大容量电能（>2GW）的电缆，在设计和制造上存在很多技术上的难度，采用高温超导电缆进行输电，电压不用升的很高，损耗和空间可以大大减少，输电线路成本大大降低，为解决西电东送等长距离大容量送电问题提供了一个新思路。

在人口稠密的场面市电网需要扩容时，若使用高温超导电缆，可利用其尺寸较小，传输容量大的优势，使用现有的地下电缆沟，取化现有的常规电缆，从而增大了传输功率，节约了安装空间，免去了昂贵的破坏性挖掘和建设费用。采用常规电缆，传输1GVA以上电力，一般需要采用500kV超高压电缆。采用高温超导电缆，可以降低电缆额定至220kV，用220kV高温超导电缆传输1GVA-4GVA。

5.高温超导电缆的运行成本和经济效益

我国制造等级为35-110kV、1-10kA的超导电缆成本，为人民币1.5-2万元/Ka*m，而目前交联聚乙烯常规电缆的价格为0.06-0.08万元/Ka*m。从近几年的研发情况来看，在几公里以上的线路建设中，超导电缆成本比常规电缆略高一些，但运行损耗减少，综合考虑经济上具有相当的可行性。虽然在电缆的造价上短时期内超导电缆还有无高于常规电缆，但因为使用超导电缆降低了对超高压线路的依赖，所以可以减少用在超高压线路附件上的昂贵费用，需要传输的电容量越大，输电网路的建设总成本方面使用超忖电缆与使用常规电缆的差距就会变得越来越小。

6.总结

从经济效益来看，虽然高温超导材料比常规电缆费用要高额很多，但是在运行中，它可以减少电力损耗，在不用提升电压的情况下，减少了电磁污染及电缆传输能力，大大的增加了运行可靠性，总体来说高温超导电缆的利是大于弊的。