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高温超导输电电缆的发展现状(2)

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2012/6/5 14:56:49   

2.1.1 第1 代Bi 系高温超导带

目前HTS 电缆主要是采用银包套Bi2223 带材作为载流导体。实用Bi2223 带材的尺寸约为(0.2~0.3)×(4~5)mm2,其临界电流约为(70~180) A (77 K、0 T),长度可达数百米到千米。表1 给出美国超导公司(ASC)生产的不锈钢加强的Bi2223 带材在77 K、0 T下的主要性能参数[1]。

2.1.2 第2 代钇系(YBCO)高温超导带材

由于第1 代Bi 系带材的高成本以及它的一些性能问题如磁场下临界电流的急剧衰减等, 使得超导界开始研制基于YBCO 体系的第2 代高温超导带材。

YBCO 涂层高温超导材料具有更为优异的磁场下性,是液氮温度下运行的更理想材料,临界电流密度可达2×106 A/cm2 (77 K)。与临界电流密度达到7×104 A/cm2 (77 K)的第1 代高温超导材料Bi2223 长带相比,临界电流密度提高1 个数量级以上[7]。

目前,日本国际超导产业技术研究中心(ISTEC)公司已制备出长212 m、临界电流245 A 的第2 代带材。美国、德国等也已制备出百米量级的YBCO带材。

2.1.3 新型二硼化镁(MgB2)超导带材

2001 年1 月,日本科学家发现了临界转变温度为39 K 的二硼化镁(MgB2)超导体。综合制冷成本和材料成本,MgB2超导体在20~30 K、低磁场条件下应用具有明显的价格优势。

2.2 HTS 电缆的性能优势

与常规电缆相比,HTS 电缆具有以下几个方面的优势[3, 8-9]。

1)损耗低。HTS 电缆的导体损耗不足常规电缆的1/10,加上制冷的能量损耗,其运行总损耗也仅为常规电缆的50%~60%。

2)容量大。同样截面的热绝缘HTS 电缆的电流传输能力是常规电缆的3~5 倍,这是由低温封套和屏蔽层的涡流损耗所决定的。冷绝缘HTS 电缆的电流传输能力更大一些,直流超导电缆的更高。

3)节约材料。由于HTS 的电流密度高,在同样传输能力下,与常规电缆相比,HTS 电缆使用较少的金属和绝缘材料。2001 年在美国底特律Edison 变电站投运的120 m 电缆比原替代电缆直径减少66%,总质量由8 170 kg 减少到110 kg。

4)无污染。HTS 电缆不会造成环境污染,而常规充油电缆存在着漏油而造成污染环境的缺点。此外,HTS 电缆具有无电磁污染、低噪音等特性。丹麦NKT 公司测算出的4 km、450 MW、132 kVHTS 电缆与常规交联聚乙烯(XLPE-Al)电缆的比较见表2。表3 给出文[10]对HTS、LTS(低温超导)及常规电缆的比较, 可以看出HTS 电缆的尺寸最小,运行费用也是最低的。

3 HTS 电缆的研发及应用现状

3.1 HTS 电缆的研发及初步应用

自20 世纪90 年代以来,美国、日本、丹麦、中国和韩国等都相继开展HTS 电缆的研究,先后研制出长度数十米至百米、0.8~3 kA、12.5~138 kV 超导电缆,进行了额定通流、负荷转移、短路过载、耐压和模拟地下、过河等安装环境的性能试验。

3.1.1 美国HTS 电缆的研发概况

美国超导技术的研发一直处于世界领先水平。1992 年在美国能源部的支持下,Pirelli 公司北美分部开始对HTS 电缆技术进行研究和开发,从而使美国成为最早发展HTS 电缆技术的国家[11-12]。

1996 年美国Pirelli 电缆公司与美国超导公司(ASC)成功研制30 m、115 kV/2 kA 超导电缆模型[11]。

1999 年, 美国提出了SPI (superconductivity partnership initiative)研究计划,该计划的研究内容包括超导电缆、超导变压器、超导电机、超导磁悬浮飞轮储能、超导限流器等项目的研究。1999 年底,美国南线(Southwire) 公司研制的三相30 m、12.5 kV/

1.25 kA 冷绝缘HTS 电缆并网试验运行, 这是世界上第一组并网运行的HTS 电缆[4, 12]。

2001 年,美国底特律市Frisbie 变电站敷设了由Pirelli 电缆公司和美国超导公司(ASC)合作研制的三相120 m、24 kV/2.4 kA 的超导电缆,这是世界上第1 条正式投入商业运行的超导电缆[12-13]。

2003 年8 月,美加大停电后,美国将利用超导电缆强化电网作为防范大面积停电的措施之一,制定了3 个更大规模的超导电缆应用计划,即Albany计划(350 m、34.5 kV/800 A, 美国IGC 公司与日本SEI 公司合作)、Ohio 计划(300 m、15 kV/2 kA,Southwire公司牵头) 和LIPA 计划(600 m、18 kV/2.4 kA,ASC公司与法国Nexans 公司合作)[11-12]。

2008 年4 月22 日,美国纽约长岛电力局和美国超导公司联合宣布,世界上第1 条HTS 电缆在商业电网中投入运行。该电缆系统的运行电压为138 kV,由并行排列的3 条独立单相HTS 电缆组成,安装在纽约长岛电力局的地输电走廊内, 由6 个终端装置与纽约长岛电网相连。该条电缆长610 m,用液氮冷却系统进行低温冷却。该系统机容量60 万kW,属于长岛电力局电网的一部分,能为30 万户家庭供电。

伴随着长岛电力局在商业电网中安装了第1 条超导输电缆,纽约市启动九头蛇计划(project hydra),其主要内容是2010 年启动的曼哈顿电网升级改造,应用美国超导公司(ASC)开发的液氮冷却系统和超导电缆,以提高纽约电力系统的运行可靠性。

3.1.2 日本HTS 电缆的研发概况

日本HTS 电缆研发工作主要集中在低损耗HTS 线材及电缆结构、低温电气绝缘、热绝缘、制冷系统、终端和接头技术等方面[4, 12]。

1995 年,东京电力公司(TEPCO)研制出长7 m、66 kV/2 kA 的三相交流HTS 电缆。2002 年住友电气和东京电力公司合作完成了一组三相100 m、66 kV/1 kA, 三芯平行轴电缆系统并在东京电力实验场完成了通电、负荷变动和耐压等试验。2004 年,Furukawa 和电力工业中心研究所等研制出长500 m、77 kV/1 kA 单相HTS 电缆并进行了现场试验。

3.1.3 中国HTS 电缆的研发概况

中国从20 世纪90 年代开始研制HTS 电缆。1998 年7 月,中国科学院电工研究所和西北有色金

属研究院、北京有色金属研究院合作成功研制出长1 m、1 kA 的直流HTS 模型电缆;2000 年12 月,成功研制出长6 m、2 kA 的直流HTS 模型电缆。2004年4 月, 北京云电英纳超导电缆公司成功研制出中国第1 组实用HTS 电缆在云南普吉并网运行,为三相33.5 m、35 kV/2 kA、热绝缘、Bi 系HTS 电缆,这也是世界上第3 组并网运行的HTS 电缆。2004 年,中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司等合作成功研制75 m、10.5 kV/1.5 kA 三相室温绝缘、Bi 系HTS 电缆,并在甘肃投运[12, 14]。

3.1.4 其他国家HTS 电缆的研发概况

来源:互联网
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