肖立業(yè) 林良真

(1.中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190 2.中國科學(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

肖立業(yè)1，2林良真1，2

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

由于我國電力資源與負(fù)荷資源分布極度不匹配，電力的遠(yuǎn)距離輸送不可避免，特別是未來可再生能源的規(guī)模開發(fā)與利用，將會進(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，近年來在國際上得到了較快發(fā)展，我國也有了很好的研究開發(fā)基礎(chǔ)。該文對我國超導(dǎo)輸電技術(shù)的需求進(jìn)行了分析，介紹了國內(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，并提出了有關(guān)發(fā)展對策與建議。

可再生能源 高溫超導(dǎo)材料 超導(dǎo)輸電技術(shù)

0 引言

一個國家的綜合發(fā)展水平越高，則其人均用電量越高。2011年，國際能源署提供的數(shù)據(jù)表明[1]，不同國家或地區(qū)的人均用電量與人均GDP大致呈正相關(guān)關(guān)系。我國目前人均GDP僅為7 000美元左右，大致相當(dāng)于發(fā)展中國家的平均水平，未來仍有大幅度提升的空間。根據(jù)周孝信[2]牽頭組織撰寫的報告，2010年，我國人均用電量約為3 000 kWh，到2050年，以我國人均GDP達(dá)到2.5～3.5萬美元計算，較合理的預(yù)計是人均用電量將達(dá)到8 000～10 000 kWh以上，大致相當(dāng)于法國、德國或日本當(dāng)前水平，或相當(dāng)于美國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的環(huán)境壓力等因素的驅(qū)動，人們已經(jīng)認(rèn)識到必須大力發(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，歐洲、美國和中國等國家的可再生能源發(fā)展十分迅速，裝機(jī)容量增長速度年均超過20%。2009年，歐盟國家新增的電力裝機(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。根據(jù)歐洲、美國和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的預(yù)計，到2020年，光伏發(fā)電基本上可以實(shí)現(xiàn)平價上網(wǎng)[5]。2011年，歐洲可再生能源委員會出版了一份名為《Re-thinking 2050》的報告[6]，報告預(yù)測：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)將全部來自可再生能源；報告也大體勾畫了到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，德國環(huán)境咨詢委員會提交了一份名為《建立一個100%的可再生能源電力系統(tǒng)》的報告，該報告得出結(jié)論，到2050年，德國電力100%由可再生能源供應(yīng)是可能的[7]。世界觀察研究所的報告認(rèn)為[7]：到2050年，中國可再生能源將達(dá)到總能源需求的40%～45%。由此可見，可再生能源將在未來得到快速發(fā)展，而化石能源的比重將逐漸降低。

我國的能源資源和負(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)。考慮到可再生能源發(fā)展的遠(yuǎn)景，我國未來能源資源和負(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]另一份研究報告，依據(jù)我國環(huán)境和資源約束條件，并結(jié)合我國未來發(fā)展態(tài)勢，預(yù)測我國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，我國將有約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2.3～2.5萬億kWh。

表1 我國中長期可支持的發(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 我國中長期可支持的發(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，隨著可再生能源在能源中所占比重不斷增加，我國不僅“西電東送”、“北電南送”的基本格局沒有改變，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

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，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)幾乎沒有輸電損耗(交流輸電時存在一定的交流損耗)，其損耗主要來自循環(huán)冷卻系統(tǒng)(對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)，可通過降低運(yùn)行溫度來增加容量，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)，從而在未來能源輸送中具有更大的應(yīng)用價值。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。美國電力科學(xué)研究院對超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)所做的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估分析(如表3和表4所示)表明[9]，如果超導(dǎo)帶材的價格可降到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，因而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展及超導(dǎo)帶材價格的不斷降低，未來可望得到重要應(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

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，超導(dǎo)輸電技術(shù)的研究主要圍繞高溫超導(dǎo)材料開展。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，日本住友電工長期堅(jiān)持對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Bruker公司和美國超導(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)線僅有少量庫存。

表6 國際上主要研究開發(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下的不可逆場約有0.4 T，臨界電流在較小磁場下衰減很快；同時，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，國際上已基本停止了對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年制備出長度為100 m、臨界電流超過100 A的YBCO超導(dǎo)帶材；2006年，其研制的帶材長度達(dá)200 m、臨界電流超過200 A；2007年，長度發(fā)展到504 m、臨界電流超過350 A，創(chuàng)造了當(dāng)時的世界記錄。2010年10月份，F(xiàn)ujikura公司制備出長度達(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YBCO超導(dǎo)帶材，最長單根超導(dǎo)帶材達(dá)到1 311 m、臨界電流約300 A；美國超導(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)帶材的最大長度為520 m，可采用344法切割成超過3 000 m的超導(dǎo)帶材。

我國在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200 A的米級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)行過渡層和超導(dǎo)層的生長研究，獲得了長度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)制備千米級有立方織構(gòu)MgO種子層的設(shè)備、千米級氧化物隔離層的外延生長設(shè)備、千米級YBCO超導(dǎo)層的MOCVD外延生長設(shè)備等的設(shè)計，并開始加工制造。

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HyperTech公司均可商業(yè)化制備并批量生產(chǎn)千米級MgB2長線，中國科學(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，世界范圍內(nèi)在超導(dǎo)輸電技術(shù)方面開展了大量研究開發(fā)與應(yīng)用示范。美國、歐洲、日本、中國和韓國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，近年來重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了高溫超導(dǎo)直流電纜。表7列出了近年來國際上主要超導(dǎo)電纜的研發(fā)與示范項(xiàng)目。

表7 國際高溫超導(dǎo)電纜研究開發(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，美國南方電線公司于1999年首先將30 m長、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、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，國際上有多組更長距離的高溫超導(dǎo)電纜并入實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行，主要集中在美國，包括長度分別為200 m、350 m以及目前國際上最長的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、22.9 kV/1.25 kA三相交流高溫超導(dǎo)電纜的開發(fā)并交付韓國使用。

國際上還計劃開展更長距離的高溫超導(dǎo)電纜的研究開發(fā)。例如，美國計劃研制長度為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年底啟動了長度達(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，同時將傳輸電壓等級由常規(guī)電纜的150 kV降到超導(dǎo)電纜的50 kV；美國超導(dǎo)公司與韓國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)計在未來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 美國超導(dǎo)輸電示范系統(tǒng)Fig.3 Demonstration projects of superconducting transmission in USA

我國自“九五”計劃以來就開展高溫超導(dǎo)電纜的研究。1998年，中國科學(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、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、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，在國家“863”計劃支持下，中國科學(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年中國科學(xué)院電工研究所與甘肅長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通電纜公司為車間供電運(yùn)行。2011年2月份，中國科學(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)電纜的研究開發(fā)，2004年完成33 m長、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)勢以及發(fā)展新能源并網(wǎng)的需求，近年來，超導(dǎo)直流輸電技術(shù)的研究開發(fā)備受重視。美國于2009年10月份啟動了將三大電網(wǎng)(美國東部電網(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超級變電站”項(xiàng)目，該超級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)，即任何兩個電網(wǎng)互聯(lián)均由AC/DC進(jìn)行電能變換后通過高溫超導(dǎo)直流輸電電纜(Superconductor Electricity Pipelines)來實(shí)現(xiàn)雙向流動，最終建設(shè)成一個占地22.5平方英里、呈三角形互聯(lián)的可再生能源市場樞紐(Renewable Energy Market Hub)，如圖6所示。但由于資金募集沒有到位，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、±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)，并計劃在此基礎(chǔ)上研制2 000 m長的高溫超導(dǎo)直流電纜投入實(shí)際電網(wǎng)示范運(yùn)行。

圖6 美國Tres Amigas超級變電站設(shè)計方案Fig.6 The design picture of Tres Amigas Super-Substation of USA

圖7 日本中部大學(xué)200 m長、±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

韓國在濟(jì)州島智能電網(wǎng)示范項(xiàng)目中，于2014年開始示范一組500 m長、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，德國就開展千公里級高溫超導(dǎo)直流輸電示范工程的建設(shè)召開了國際可行性專題研討會，與會者對未來建設(shè)長距離高溫超導(dǎo)輸電電纜以解決大容量的可再生能源輸送問題寄予厚望；2011年8月份在日本召開的第一屆亞洲—阿拉伯可持續(xù)能源論壇，提出開發(fā)撒哈拉太陽能和風(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劃。為此，日本住友電氣已經(jīng)啟動了一項(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、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，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)未來發(fā)展趨勢

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，國際上似乎已經(jīng)有了以下共識：即采用直流輸電網(wǎng)的模式對于建設(shè)未來大規(guī)模的可再生能源電網(wǎng)可能是較好的選擇。目前，無論是美國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)來解決資源的綜合利用問題和提高供電的安全可靠性；歐洲已計劃到2020年左右將北海地區(qū)的海上風(fēng)電場通過直流電網(wǎng)相連并網(wǎng)[31]，美國規(guī)劃2020年左右將大西洋沿岸建設(shè)的海上風(fēng)電場通過直流網(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)槿绱耍磥沓瑢?dǎo)輸電技術(shù)的一個極為重要的發(fā)展趨勢就是重點(diǎn)發(fā)展高溫超導(dǎo)直流輸電電纜，這一點(diǎn)已經(jīng)從近年來國際上的研究開發(fā)任務(wù)中可以看出。由于超導(dǎo)直流輸電電纜無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，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)椋环矫?，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)中的短路故障開斷也是一個極其重要的問題。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)體在過流時迅速轉(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于超導(dǎo)直流輸電系統(tǒng)來說也很有意義，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斷變得更加簡單。

總之，隨著直流輸電乃至直流輸電網(wǎng)的發(fā)展，研究開發(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，是未來超導(dǎo)輸電技術(shù)的重要發(fā)展趨勢，值得高度關(guān)注。

5 對策與建議

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，將同時對電力、能源、交通、醫(yī)療、科學(xué)研究等產(chǎn)生重大影響。因此建議國家科技部門在國家重點(diǎn)研究計劃中設(shè)立“超導(dǎo)輸電技術(shù)研究計劃”，予以長期穩(wěn)定支持，通過制訂近、中、遠(yuǎn)期發(fā)展戰(zhàn)略路線圖，突出目標(biāo)驅(qū)動導(dǎo)向。

作為重要切入點(diǎn)，建議啟動液化天然氣溫度的長距離“超導(dǎo)能源管道”示范工程項(xiàng)目，通過在超導(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)問題的系統(tǒng)性突破，全面推動超導(dǎo)輸電技術(shù)的發(fā)展，并通過15～20年的努力，建成數(shù)百公里級的高溫超導(dǎo)輸電示范系統(tǒng)，為我國未來能源輸送奠定堅(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)。