智能電網的發展離不開新型電力設備的支持。超導電力技術是電力技術中最具革新性和應用前景的前沿技術，必將為未來智能電網的發展提供強有力的支持。本文介紹了智能電網的概念及其主要應用的先進技術，詳細闡述了超導電纜、超導限流器和超導儲能等主要超導電力設備的技術性能特點，并對其在智能電網可能的應用方向進行了分析。
張棟劉東升程從明/保定天威保變電氣股份有限公司管在電力領域不斷有新技術得到發展與應用，Z盡但長期以來，世界各國在多年的建設中逐漸形成的電力輸配系統并沒有出現質的飛躍。而近20年來，計算機、信息和通信技術領域卻已經發生了翻天覆地的變化，以信息化、數字化占主導的現代經濟模式正在引領世界經濟技術的發展潮流，這一方面對電力的供應和使用提出了越來越高的信息化要求，另一方面也為傳統電力系統向信息化、數字化、自動化管理轉型提供了強有力的技術支持。此外，節約能源，保護環境，提高安全性，已經成為全人類能源使用的主題，這也規定了未來電力設備建設和電力供應管理的基本標準。由此可見，未來電力系統的發展將會凸顯兩方面的特點：是發展新技術和新電力設備，二是建立信息化管理體系，實現高效的智能管理。
為了迎合與引領電力領域的發展新趨勢，美國能源部最先提出了"智能電網〃的概念，它是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標，其主要特征包括自愈、互動、安全，提供滿足21世紀用戶需求的電能質量，允許各種不同發電形式的接入，啟動電力市場以及電網資產的優化高效運行。
"智能電網〃將有可能重塑世界經濟和能源格局，其概念一經提出就引起了世界各國的廣泛關注。美國奧巴馬政府已把建設智能電網作為美國的國家發展戰略。中國也已對智能電網進行了規劃研究，并提出了要在2020年全面建成堅強的智能電網。無論各國對智能電網的定義和側重點有何不同，其核心目標都將是"可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全〃。智能電網的建設需要廣泛應用各類先進的設備技術，極大地提高輸配電系統的性能，尤其是提高功率密度、供電可靠性、電能質量以及電力生產的效率。這些先進技術中不僅包括應用現有的先進技術，還包括應用未來可能發展的各類高新技術，其中超導、儲能、電力電子和故障診斷方面的最新科研成果的應用開發將成為發展重點。
由于超導材料的零電阻和完全抗磁特性，用超導材料制成的電力設備集高效、低耗、安全和環保等特性于―身，其獨特的性能優勢可能使超導電力設備成為未來更新換代的產品，超導技術的推廣與應用也會促進電力系統建設理念的更新，從而使電網技術出現跨越式發展的景象。目前，超導電力設備主要包括超導限流器、超導電纜和超導儲能裝置等，下面分別進行介紹。
1超導電力設備在智能電網中的作用1.1超導限流器1.1.1技術背景理想的限流器應在穩態低阻、故障高阻及快速恢復的特點，即電網正常輸電時呈現較低的阻抗，這樣可以減低設備的運行損耗和保證用戶電壓穩定。在電網發生短路故障時，限流器迅速轉變為高阻抗狀態，有效地限制短路電流幅度；短路故障消除后，限流器又迅速地恢復到低阻抗狀態。盡管常規的空心電抗器和高阻抗變壓器等也有限制短路電流的作用，但還無法達到這樣理想的性能要求的。超導材料和技術的應用為制作理想的限流器提供了物質基礎。
從限流器件的性質上分，超導限流器可分為電阻型和電感型。電阻型SFCL是利用電阻的變化來實現通流、限流的，而電感型SFCL是利用感應電動勢的變化實現通流、限流。電感型根據工作原理不同又可分為感應型、屏蔽型、橋路型和飽和鐵心型。飽和鐵心型SFCL由鐵心、交流繞組、直流繞組和直流勵磁電路等基本部分組成。其原理類似于飽和鐵心電抗器，是利用磁材料磁導率的非線性進行限流控制。飽和鐵心型SFCL原理清晰，結構工藝簡單，性能可靠，利于制作大容量的限流裝置，但同時面臨鐵心體積大、成本高的問題。
1.1.2性能特點超導限流器具有優異的限流特性，是目前電力系統高壓電網理想的限流裝置，高電壓等級的大容量超導限流器以其獨特的優越性成為極有發展前景和市場競爭力的新型電力設備。相對于傳統的限流電抗器，超導限流器也可以稱作智能電力設備，符合智能電網的要求，其功能特點可以概括為：穩態運行時低阻抗，設備壓降低，對電網輸送電力影響很小。
短路發生時高阻抗，大幅度限制短路電流，保護系統內設備安全。
實時監測系統短路短路電流的發生，快速響應并觸發限流動作，整個限流響應過程可在幾毫秒內完成，并持續保證限流狀態；限流后可快速恢復，滿足電網重合閘的要求。
1.1.3應用前景超導限流器可避免過大故障短路電流對電力設備的損壞，保證電網保護系統的可靠性，提高電網的安全性。
超導限流器壓降很小，可提高供電質量、減少損耗。另外，降低系統短路電流必將導致降低電網系統中電氣設備抗短路沖擊的要求，尤其是斷路器的分斷容量要求，從而在設計新電網或改造舊電網時，通過使用限流器可以大大減少電網建設成本。
飽和鐵心型超導限流器的阻抗為非線性，可以根據電網系統的需要適當調節，與電容器等的優化組合還可以起到調節無功功率等更多的作用。
超導限流器主要應用范圍：在電網的關鍵節點和線路上使用超導限流器，可以解決電網互聯容量增大帶來的短路電流過大的難題，增強高壓、超高壓電網互聯的安全性。
為大型變壓器配備超導限流器，可以提高其抗短路電流沖擊能力，降低事故風險。
在大型發電機組和電網之間安裝超導限流器，相當于筑起道"防火墻"，可以隔斷短路事故的彼此影響。
超導限流器與先進的繼電保護系統相結合，可以組成個更加可靠的保護系統，進一步增強電網對短路故障的防范能力，使堅強的智能電網更加現實。
1.2超導電纜1.2.1技術背景超導電纜的基本結構與常規電纜有很大的差異。常溫絕緣的超導電纜，從內到外一般依次為內支撐管（或普通導體）、超導體、真空恒溫熱絕緣層、電絕緣層、電纜屏蔽層和護層，以及其他一些輔助元件。當電絕緣層處于真空恒溫熱絕緣層之內時，即在低溫狀態，則稱為冷絕緣超導電纜。
超導電纜的運行條件與常規電纜有很大的差異，即導體需要低溫運行環境，故其終端與常規電纜的終端有很大區別，另外還需要低溫制冷系統。制冷系統通常由制冷機組、液氮泵、絕熱管道、水冷卻裝置和液氮儲罐等部分組成。電纜終端是超導電纜和外部其他電氣設備之間相互連接的端口，也是電纜冷卻介質和制冷設備的連接端口。除類似于常規電纜終端擔負電氣安全連通的作用之外，還要保證實現溫度的過渡。終端的結構是和電纜的結構相配套的，因此常溫絕緣超導電纜與冷絕緣超導電纜的終端在結構上也有很大區別。
1.2.2性能特點超導電纜電阻近乎于零，損耗極低，這個特點意味著可以將它安裝在電網中的重要地方，分流負荷過重線路上的電流，形成新的網絡結構。超導電纜的輸送容量還隨著導體溫度的降低而增加，因此當有其他線路故障時，通過適度降低超導電纜導體溫度，還可以進一步調節潮流分布，會更有利于系統穩定。超導電纜無疑符合經濟、高效與安全的智能電網要求。其性能特點如下：損耗低。超導電纜的正常運行電阻很小，交流超導電纜的導體損耗不足常規電纜的1/10（直流超導電纜更低），加上制冷的能量損耗，其運行總損耗也僅為常規容量大。同樣截面的超導電纜的電流傳輸能力一般是常規電纜的35倍。
可以更好地調節傳輸電能的潮流分布。
節約材料。同樣傳輸能力的超導電纜與常規電纜相比，使用較少的金屬和絕緣材料，且超導電纜設置的回路較少。
環保。超導電纜是用液氮作為冷卻劑，釋放到空氣中不會造成環境污染，而充油常規電纜則存在著易燃、漏油和污染環境的問題；具有超導屏蔽層的冷絕緣超導電纜更是大幅度減小了電磁輻射，因為其容量大而回路少，占地面積很小，可以節約土地。超導電纜在地下鋪設，能利用現有各種線路（包括鐵路線、公路線及管道線等）進行安裝，不影響市容，且能降低電網升級的成本并減小對環境的影響。
安裝成本較普通電纜低。超導電纜的截面小，安裝重量和空間都較小，大大節約了普通電纜和母線鋪設時的建設和安裝成本。此外，超導電纜可以在低電壓下輸送大容量的電能，因此可以節省昂貴的高電壓設備和減少電壓轉化的損失。
能夠限制故障電流。超導體有一種天生的電流限制能力，一旦由電網短路造成的電流增強到一定程度，它們就會失去超導性而變得像普通導體一樣有電阻。利用適當的設計可使超導電纜失超時電阻達到足夠的數值，使短路電流衰減。
1.2.3應用前景268億kW.h，根據中國輸電損耗率為8%9%計算，這就意味著中國每年輸電線路損耗高達2000多億kWh，相當于30多臺百萬千瓦級機組的年發電量。應用超導電纜是減少電網損耗的絕佳辦法。由于超導輸電無需高壓，可將輸電損耗、電磁污染及占用走廊寬度降至最低，真正代表了世界最先進的輸電技術方向。針對我國堅強智能電網規劃，超導電纜近期可能在以下方面實現其價值：城市中心高密度負荷區，使用較多的常規電纜或架空線受到空間或環境保護限制時，可解決供電瓶頸問題，并帶來更多的環境效益。
發電廠和變電站內的大電流傳輸母線。
需求迅猛發展的大城市，可利用超導電纜直接更換原有管道內的常規電纜，提高供電容量。
1.3超導儲能超導儲能是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網或其他負載。超導儲能裝置般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統幾個部件組成。其中超導線圈是超導儲能裝置的核心部件，它可以是一個螺旋管線圈或是環形線圈。螺旋管線圈結構簡單，但是周圍雜散磁場較大；而環形線圈周圍散磁場較小，但是結構較為復雜。
超導儲能裝置的工作原理是在電網運行負荷處于低谷時把多余的電能儲存起來；而在電網運行處于用電高峰時，將儲存的電能送回電網。由于儲能線圈由超導線繞制且維持在超導態，線圈中所儲存的能量幾乎可以無損耗地永久儲存下去，直到需要釋放時為止。超導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，同時還可用于無功和功率因素的調節以改善電力系統的穩定性。
超導儲能線圈產生的磁場很強，儲存的能量密度很高。與其他儲能方式相比，如蓄電池儲能、壓縮空氣儲能、抽水儲能和飛輪儲能，有許多明顯優點：可長期無損耗地儲存能量，其轉換效率可達95%.可通過采用電力電子器件的變流器實現與電網的連接，響應速度快（毫秒級）。
由于其儲能量與功率調制系統的容量可獨立地在大范圍內選取，可建成所需的大功率和大能量系統。
除了真空和制冷系統外沒有轉動部分，使用壽命長。
在建造時不受地點限制，維護簡單，污染小。
2結束語發展智能電網離不開應用超導材料制成的新型電力設備的支持。作為應用超導特性研究的主要產品，超導限流器可以降低電網短路電流水平，提高電網安全性，改善供電質量，大大減少電網建設或改造成本。超導電纜具有低損耗、大容量和環保等優異特性；超導儲能則可以接近無損地調節用電峰谷，改善電力系統的穩定性。
目前，隨著各國智能電網規劃的出臺和實施，以及超導電力應用技術的飛速進步，超導電力設備必將迎來更大的發展空間，其良好的市場前景也值得期待。 |
