对超导电力技术及其发展前景的探讨的论文

对超导电力技术及其发展前景的探讨的论文（精选3篇）

对超导电力技术及其发展前景的探讨的论文 篇1

1超导电力技术的现状及优势

1.1超导电力技术发展现状

超导电力技术主要是利用超导体能够实现零电阻的特点进行各类超导电力设备的制造，而零电阻这一特性可以有效降低电能传输的损耗。目前，超导电力技术主要在以下几个方面得到了具体的应用[1]：

(1)高温超导限流器。高温超导限流器将检测、触发等多项功能集于一身，其阻抗能够在从零开始的极大范围内进行转换，相对传统限流器，其响应和恢复的速度更快。高温超导限流器在电力系统中的应用可以有效保护各类电器设备的安全、稳定运行，同时还能提升输电容量，扩大电网规模。

(2)高温超导电缆。通过超导技术制造的高温超导电力可以大幅度提升输电的密度，加上其零电阻的特性，能够有效降低线损，为满足现代用电需求提供了良好的传输介质。

(3)超导储能系统。风能、太阳能等新能源虽然具有清洁以及循环可再生等多种特点，但是这些系能源发电稳定性较差，需要通过电能储存系统来确保其稳定并网。而传统储能设备性能较差，通过超导技术所制造的超导储能系统具有更高的响应速度，同时可以根据需求对输出功率进行灵活调整，使电网供电质量全面提升。

(4)超导电机。当前的变压器、发电机及电动机单机容量相对较低，而且质量大、对电能的损耗也较大，而超导电机刚好克服了这些缺点，这使得其能够在面临资源问题和环境问题的巨大压力之下具有更好的发展空间。

1.2超导电力技术的应用优势

随着现代电力系统规模、容量等方面要求的不断提升，系统出现了大量的问题，而超导电力技术有效克服了其中的大量问题，表现出了明显的技术优势，具体如下：

(1)短路电流会威胁到电力系统运行的稳定性，而传统限流设备的限流效果并不理想，而且缺少自动复位功能，虽然SF6断路器能够在短路电流增加的情况下及时切断故障线路，但是当短路电流超过63kA之后，其限流保护功能会受到极大的影响。而超导限流器在正常状态下为零阻抗，有效降低电能损耗，当短路故障发生后，其阻抗会迅速上升，且其容量上限比传统限流设备大得多，能够更好的保证电力系统的稳定运行。

(2)随着城市的发展，用电规模不断增加，传统的电缆在小空间中进行大容量电能的输送面临着一定的技术瓶颈，而超导电缆的应用能够有效降低线损，并提高城市空间的利用效率。

(3)风能、太阳能等新能源发电并网可能会影响电网的动态稳定性，而通过超导储能系统的应用，能够有效改善电能质量，提高并网的稳定性和可靠性。

(4)随着土地资源问题的日渐凸显，传统电气设备占用空间大的弊端越来越突出，为了提高土地面积的利用效率，可以通过超导电缆、超导变压器等超导电气设备的应用来提高土地资源的利用效率。

2超导电力技术的发展方向分析

近年来，随着能源危机及环境问题的日渐突出，加上城市化进程的不断推进，电力行业面临着巨大的挑战。传统的电力技术很难适应这种挑战，对此需要通过新的能源发电及新的电力技术的应用来满足这一需求。而超导电力技术以其独有的优势能够很好的满足这一需求，同时也已经取得了长足的进步。从社会的发展情况来看，超导电力技术主要会朝着以下几个方向发展：

2.1电压等级不断提高。

超导电力技术最初的应用范围主要集中在电压等级较低的配电领域，且其输电距离比较短。而随着近年来各国对超导电力技术的深入研究，使其逐渐向输电领域进行应用。比如，美国基于第二代高温材料对三相电阻型机饱和铁芯型高温超导限流器进行了研究;韩国也在加强高温超导输电方面的研究工作。

2.2超导电气设备将会集成更多的功能，同时超导电力技术的原理也会更加多元化。

超导电气设备会将更多的功能集成到一种装置上实现，从当前的情况来看，中美两国在这方面的研究明显领先于其他国家，其中中国科学院电工研究所遭灾就研制成功了同时集成超导限流、超导储能等多项功能于一体的超导限流储能装置，通过试验发现，该装置能够在电网正常运行状态下以超导储能为主要作用进行运转，一旦电网出现短路过流故障，则切换为超导限流器功能，确保电网的安全运行;从美国方面来看，其将超导限流功能集成到超导电缆中，使得额其额定电压达到13.8kV，额定电流也达到了4000A，相对当前使用的超导电缆具有更高的容量和电压等级。

2.3为新能源的并网发电提供技术保障服务。

通过超导技术的应用，避免系能源并网发电对电网稳定性的影响，从而在保证电网稳定性的条件下，使各类新能源发电能够更好的.进行并网，为解决日益严重的能源危机和环境问题提供了充分的技术支持。

2.4向超导直流输电方向发展。

相对于超导交流输电来说，超导直流输电过程中，因为不存在交流损耗问题而具有更高的输电效率。当输电容量相同时，直流输电具有更高的输电性价比。目前，中日两国在超导直流输电方面进行非常深入的研究和实验工作，其中，中国科学院电工所当前在建的用于电解铝厂工地那的超导示范系统，通过采用超导直流输电方式，其额定电流达到了10kA，且传输距离达到380m;而日本的中部大学也建成了额定电流达到2kA，传输距离达到200m的超导直流输电线缆。通过这些示范系统，充分验证了超导直流输电的可用性、高效性及经济性，超导输电也是未来超导电力技术发展的主要方向之一。

3结束语

对超导电力技术及其发展前景的探讨的论文 篇2

一般来说, 根据物体导电能力的强弱, 可以把物体分为导体、半导体和绝缘体。导体的主要代表有铜、铝、银等金属, 绝缘体的典型代表有陶瓷、塑料、橡胶和玻璃, 现在电力传输所用的电缆, 都是用铜、铝作为内芯, 外面包覆一层绝缘体。物体的导电特性和温度有非常大的关系, 对于金属材料, 温度越低, 材料的电导率越大。

1911年, 荷兰物理学家昂内斯在用液氦将汞的温度降到4.15K (零下273摄氏度为0K) 时, 发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为超导性[1]。后来昂内斯和其他科学家陆续发现其他一些金属也是超导体, 昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。超导现象是指材料在低于某一温度时, 电阻变为零的现象, 而这一温度称为超导转变温度 (Tc) 。起初人们发现的超导体主要是金属和合金, 它们的超导转变温度一般都在2 0 K以下。1987年, 美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及中国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上[2]。

由于超导体的电阻为零, 所以用超导材料制成的电缆, 可以把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计, 目前的铜或铝导线输电, 约有15%的电能损耗在输电线路上, 光是在中国, 每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电, 节省的电能相当于新建数十个大型发电厂, 在超导电力传输方面, 美国走在了世界的最前沿。

2008年7月2号, 美国超导公司正式在一个商业电网中部署了世界上第一个高温超导输电系统。这一超导输电系统在满负荷运转时能够满足3 0万户家庭的用电需求, 仅由三根138千伏的电缆组成。相比同样粗细的铜导线, 他们的输电能力高达150倍。尽管这一工程造价昂贵, 但是新型超导电缆的造价将降低五分之四, 输电缆沟的宽度仅为一米左右。它的另一个优点是这种电缆能够防止由电网短路造成的故障电流。超导体有一种天生的电流限制能力, 一旦电流增强到一定程度, 它们就会失去超导性而变得像普通导体一样有电阻, 使电流衰减。因此, 该技术也得到美国国土安全部的支持。2009年10月13日, 美国超导公司宣布超导输电通道已经被美国第一个可再生能源市场中心TresAmigas项目选用, 该项目首次连接美国的三个电网, 即东部电网、西部电网和德克萨斯电网, 以满足新能源传输的增长并增强电网的可靠性。TresAmigas可再生能源枢纽将会是一个好几英里三角形的超导输电通道, 能够在三个电网内传输和平衡几千兆瓦的可再生能源。

从电力传输角度来说, 超导传输线的两个最重要的参数是超导转变温度Tc和临界电流Jc。当超导体中通过的电流大于临界电流的时候, 超导体将恢复常态, 一般来说, 超导体的温度越低, 临界电流的数值越大。由于超导特性只有在低温下才能出现, 所以决定超导电力传输的主要问题就是低温技术。温度越低, 超导电缆的性能越好, 但是获得低温所用的成本也越高。所以超导电缆研究的最主要目标就是提高电缆的超导转变温度和临界电流。

2、低温获得技术

低温获得技术可以分为两大类, 一类是采用制冷剂, 第二类是采用制冷机。下面将对这两种方式分别做介绍。

制冷剂是温度非常低的物质, 当它和物体接触时会吸收物体的热量, 从而使物体降温。制冷剂吸收热量以后会散发掉, 为了维持恒定的低温, 就需要不断的消耗制冷剂。最常见的制冷剂是液氦和液氮, 不太常用的制冷剂主要有液氢。

由于液氦的温度很低, 所以液化氦气需要大量的复杂的设备, 液氦的储存、运输都需要特殊的容器, 才能减少液氦的损耗, 即便如此, 液氦还是会在储存、运输过程中不断流失。氦在地球中的含量很少, 所以事实上只有美国大量生产液氦。由于液氦必须储存在特殊的液氦罐中, 所以无论用多少液氦, 都要买一整罐, 用剩下的液氦只能白白浪费掉。所以液氦的主要缺点是价格昂贵。

液氮的主要问题就是它的沸点太高。在实际使用中, 只有钇钡铜氧能够在液氮温度下使用, 但钇是稀土元素, 地壳中含量很少, 所以价格昂贵。钇钡铜氧是一种陶瓷, 所以很难将它加工成电缆, 也很难和其它金属电缆连接。现在人们正在探索液氮温区的新兴高温超导材料。

液氢是最近研究比较密集的一种制冷剂, 它的沸点是20K左右, 能够达到一些新型超导材料的超导转变温度要求。其中比较引人注目的材料是MgB2, 它的超导转变温度是40K, 临界电流密度也很高。液氢本来不作为制冷剂使用, 因为氢气容易发生爆炸。随着对清洁能源的不断需求, 人们设想出了一种新奇的能量传输方式:用管道传输液氢, 在液氢中间放入超导线, 传输电能。

由于制冷剂在使用过程中需要不断的消耗, 所以维持使用非常不方便。制冷机则可以在只消耗电能的情况下实现低温。使用的制冷机有两种, 一种是GM机, 另一种是脉管机。

G M机的基本本原理是:室温下压缩氦气, 然后通过柔性管线输运至制冷机。压缩的氦气通过膨胀制冷, 为制冷机的两个“热站”提供冷量。气体在制冷机制冷后返回压缩机周而复始, 就可以连续地进行制冷。

脉管 (PT) 制冷机使用类似G-M制冷机的压缩和膨胀循环过程, 但是没有G-M制冷机中的运动部件回热器, 从而在相同真空法兰连接情况下, 脉管制冷机的振动比G-M要小。

3、低温保持技术

低温下的物体会通过传导、对流和热辐射的方式吸收周围环境的热量, 从而温度上升, 为了保持物体的低温, 就需要隔绝物体与环境之间的热量传输, 物体外部的腔体叫做低温恒温器。为了阻止热传导和对流, 需要在恒温器内部维持真空, 为了减少热辐射, 就需要在物体外面安装一层镜面, 叫做防辐射屏。

低温恒温器可以分为两大类, 一类是传导型低温恒温器, 另一类是交换气体型低温恒温器。传导型低温恒温器结构简单, 通过金属块将冷源的冷量, 传导给被降温的物体;交换气体型恒温器通过把制冷剂汽化, 然后冷的蒸汽再将物体降温。冷源可以是通过制冷剂, 也可以通过制冷机。

在检测超导电缆的临界温度的时候, 需要检测电缆电阻随温度的变化关系, 由于超导体电阻极小, 所以一般采用四端法测量电阻。四端法的基本特点是恒流电源通过两个电流引线极将电流供给待测低值电阻, 而电压则通过两个电压引线来测量, 由恒流电源所供电流而在待测低值电阻上所形成的电位差。由于两个电流引线极在两个电压引线极之外, 因此可排除电流引线极接触电阻和引线电阻对测量的影响。又由于电压表的输入阻抗很高, 电压引线极接触电阻和引线电阻对测量的影响可忽略不计。检测超导电缆的临界温度一般选用接触型的低温恒温器, 这种恒温器结构简单, 价格便宜, 升降温方便。

4. 结语

综上所述, 在进行超导电缆性质研究的过程中, 应该根据实际情况, 选取合适的低温恒温器。交换气体型液氦低温恒温器非常适合超导电缆性质的研究, 但是液氦价格昂贵, 不容易获得;如果液氦来源不方便, 可以采用大功率制冷机为冷源的交换气体型低温恒温器, 这种恒温器只需要消耗电力, 但是价格昂贵;如果不进行临界电流测量, 最合适的就是热传导型低温恒温器。

参考文献

[1]Onnes HK (1911) The resistance of pure mercury at helium temperatures.Commun Phys Lab Univ.Leiden12

[2]Superconducting properties of natural and artificial grain boundaries in bulk melt-textured YBCO.Phys C:Supercond302 (4) :257–270, 1998.

[3]低电平测量手册:精确的直流电流、电压和电阻测量, Keithley Instruments Inc

对超导电力技术及其发展前景的探讨的论文 篇3

关键词：超导电力技术；电力工业；电力系统

中图分类号：TM249 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）09-0071-02

2010年上半年，世界范围内的超导电力技术的生产总值已经达到了80亿美元，预计在未来几年，这个数值还将持续增加。国内外的专家、学者普遍认为：在未来的电力工业领域中，超导电力技术将作为一项尖端技术储备，并得到广泛的应用。超导电力技术的发展情况将作为衡量一个国家生产力水平的重要标准之一。国内外的一些专家、学者纷纷表示，一个国家想要保持电力工业的尖端优势，超导电力技术的应用和发展是重中之重。

1 超导电力技术的发展是国家的战略需求

我国想要在超导电力技术产业的竞争当中占得先机，就必须积极制定超导电力技术的发展规划，部署科学的、符合我国国情的发展战略。同时，对国内的各种资源加以充分利用，对现有的机制进行改革创新，我们要深刻地明白，超导电力技术的发展是关乎国民经济持续增长的大事。我国电力系统的容量和电网的规模越来越大，现如今，我们正在致力于电网一体化的工作，力求将全国各个省份的电网联接起来。如此大规模的电网对于其自身的稳定性和安全性要求非常之高，因为一旦发生电力事故，其影响的范围将会非常大。当下，网络技术和信息技术在人们的工作和生活中已经成为了不可或缺的元素，并逐渐呈现出向工业领域渗透的趋势，而这些都要仰仗于强大的电能支持，现在生产企业对于电能的质量要求也越来越高，因为电能的质量会对一些生产设备产生巨大影响，严重的情况会直接导致设备的停机，从而产生严重的事故，给企业造成严重的经济损失。也正是因为电力系统中存在的种种缺陷，很大程度上制约了我国电力工业的发展。

现如今我国电力系统的短路容量非常大，如果对这些短路电流不加以控制，势必会对企业的工业生产造成严重的危害，甚至会致使整个电力系统的崩溃。据不完全统计，历史上美国发生的两次重大的停电事故造成的直接经济损失高达1000亿美元。目前，美国已经将停电事故提升到了国家安全的高度。而在我国的输电系统中还没有设置限流设备，而且快速熔丝更加不具备自动复位的基本功能，我国目前只能够着力于对电网运行方式以及结构上的改造，然而此项改造的造价非常之高。国际上在处理短路故障问题上，普遍采用断路器对线路开断的方法，而这种方法也存在一定的弊端，相对较为被动，想要提高开断容量更是难上加难，因此，我们必须对现有的技术进行创新，利用高新技术有效控制短路电流，进而扩大电网的规模。我国的电力系统仍旧存在着一些缺陷，这些缺陷严重地制约了电力系统的有效性以及灵活程度。电力系统的关键在于：电能在产生、输送、供应等环节中需要达到一个平衡状态，一旦出现失衡，便会造成严重的电力事故，进而给国家和企业造成巨大的经济损失。而随着电力系统的不断完善，我国的电力事故发生率已经呈现出了逐年下降的趋势，但是每次电力事故的规模以及损失却在大幅度攀升，特别是在信息科技高度发达的今天，电力事故会对各行各业的信息系统造成严重的影响。因此，提升电能的品质，让电力系统更加趋于稳定、安全、可靠是从业人员需要深入探究的重要课题。

2 电力系统改造中遇到的问题和解决办法

我国现行的电力系统储备技术主要是以抽水的形式进行，这种技术的优点在于可以提供时间较长、功率较大的电能，其缺点在于，抽水储备技术的反应非常之慢，一旦电能功率发生瞬间失衡，不可能对其产生有效的补偿措施。对传统的电力系统进行改进和革新的工作难度很大，因为传统的电力系统中的导电材料主要以铜、铝等金属为主，这些金属材料具有不易更换、结构紧密的特点，这无形当中增加了系统改造的难度。此外，目前我国的大部分发电量都要依靠燃煤，这种形式会引发环境污染问题，严重不符合可持续发展战略。

在最近10年里，我国的经济发展速度令世人瞩目，城市化进程加快，这就使得城市人口越来越集中，人口密度的提高势必会导致电能需求量持续增加，同时电网建设的占地面积也会不断增长，想要从根本上解决这一问题，我们需要在工作中不断积累经验，拓展思维、积极创新，力求改变当前电力系统的格局，从实质上进行变革。此外，为了解决环境污染问题，我们应当将工作的重心转向开发新能源上，充分利用风力发电、太阳能发电等全新的发电模式，最大限度地降低环境压力。虽然目前这些利用可再生能源的发电方式还存在诸多不足，尤其会受到气候条件的影响，对此，我们应当开发出全新的技术手段，有针对性地弥补这些不足，进而改善电能品质。

3 超导电力技术的现状

现如今，国际上开发出的高温超导限流器、超导变压器已经进入了运行阶段，我国自主研发的高温超导电缆已经被广泛地应用到电力系统当中，在本世纪初，我国就成功研制出了交流高温超导电缆系统，并基于此提出了超导变压器原理，其开发工作仍旧在进行当中，预计在两年之内便可研制成功，到那时，我国将拥有世界上输出电流最高的超导变压器。目前，我国已经着手研制超导电动机，并在中国科学院的全面支持下，推动超导电力技术的快速发展。国内的一些科研单位启动了一个又一个高温超导技术科研项目。与此同时，国内的一些电力公司与国外企业的进行合作，致力于超导电缆的研发，并取得了一定的进展，单相高温超导电缆的开发已经初见成效，并预计在短期内投入运行。

4 超导电力技术的发展趋势

目前，高温超导限流器已经与高压输电网相适应，其开发原理应逐渐趋于多元化，未来的高温超导电缆将主要应用于距离短的场景，而对于长距离超导输电电缆目前还有许多技术障碍亟待解决，想要将其实用化仍旧需要克服许多技术难题。

就目前的超导变压器而言，容量只有达到一定标准才能发挥出其优势，所以我们应当重点开发出大型设备，然而有些场合对设备的占地具有明确的限制，而高温超导变压器恰恰可以发挥出其占地面积小的优势。

多电压等级和交直流输电功能仍旧存在于电力系统当中，这就导致了超载现象频发，加之电气设备的老化，严重影响电力系统的供电能力，而解决这一问题的最有效办法就是采用超导电力技术。因为该技术可以有效提高电网的输送量，同时最大限度地降低电网的损耗，对于电能的质量有明显的改善作用，而且利用此技术对电网进行改造，具有造价成本低、安全、稳定性能高等特点，加速了建造大规模电网的进程。除此之外，利用超导电力技术建造的输电系统，完全可以将发电厂建在远离市区或是煤矿附近，在节约能源的同时，更加有利于环境的改善，进而从实质上解决环境污染问题。

5 结语

超导电力技术的应用与开发在很大程度上推动了我国电力工业的发展，利用该技术可以解决电力系统中的诸多问题，进而使电力系统稳定、安全、高效地运行。可以说这是一项关系到工业生产和人民生活的重大课题，对于我国的经济发展具有重要的现实意义。

参考文献

[1]肖立业.超导电力技术应用前景分析[J].技术物理科

学，2008，（3）.

[2]汪洋.超导电力技术的现状和发展趋势[J].电网技术，

2008，（28）.

[3]王银顺.超导电力技术基础[M].北京：科技出版社，

2011.

[4]林良真.超导电力技术发展与展望[J].科学新闻杂志，

2009，（23）.

作者简介：梁章水，男，广东开平人，阳春市新光电力工程有限公司助理工程师，研究方向：电力施工技术。