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高温超导输电电缆的发展现状(3)

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

丹麦NKT 公司研制的三相30 m、36 kV/2 kA热绝缘HTS 电缆于2001 年5 月在哥本哈根郊区的Amager 变电站挂网运行,这是世界上第2 组并网运行的HTS 电缆[4]。

德国Siemens 公司技术部和能源输送部合作,于1996 年3 月开始试制第一个10 m 电缆样品,之后研制了多个超导电缆样品。为了400 MV·A 超导电缆研制和超导电缆工业化生产的前期验证的需要,又制造了一条50 m 长单芯电缆导体。

韩国于2001 年制定了超导技术电力应用的10年规划(DAPAS)。2004 年,韩国KERI-LG 公司研制了三相30 m、22.9 kV/1.25 kA 超导电缆系统,2006年完成了100 m、154 kV/1.9 kA 的HTS 电缆系统[15]。

3.2 HTS 电缆的未来重点应用领域

HTS 电缆具有高电流密度( 比常规电缆约高2 个数量级)和低损耗(包括冷却系统损耗,约小于常规电缆的50%)优点,因此它在电力系统中具有广泛的应用前景[1, 4]。

1)城市地下输电电缆。大城市一般建筑密集,高压架空输电线难以深入到负荷中心, 一般通过地下输电电缆来输送电能。随着城市不断发展和负荷增加,许多城市已有的地下输电电缆容量已达饱和,若采用HTS 电缆替换原有的常规电缆, 在现有城市地下电缆沟容积不变的情况下, 即可将输电容量提高3~5 倍,因而是解决提高城市输电功率的有效办法。

2)发电厂和变电站的大电流母线。目前,发电厂和变电站的大电流母线都采用常规导体做母排,由于电流大,因此焦耳热损耗很大。若采用HTS 电缆做大电流母线,不仅可以大大减少损耗,而且还可降低母线占用空间。

3)金属冶炼工业的大电流母线。冶炼工业(如炼铝工业)耗电量非常大,常采用低电压大直流电流供电,电源与电解槽之间距离不长,但电流很大,达几万甚至十几万安,母排损耗非常大。若采用HTS 直流电缆,由于其电阻几乎为零,同时电流密度比常规电缆约大2 个数量级,因此可大大降低电能损耗。

4)分布式电源的电能传输。由于分布式电源(太阳能、风能等)的不稳定特性,系统需要在任何时候都能够提供所需要的能量和消耗过剩的能量。HTS电缆和超导磁储能(SMES)的综合应用能够使电网更为坚强,有助于实现与相邻电网的电能交换。

4 HTS 电缆在智能电网中应用尚需解决的问题

目前,HTS 电缆技术整体仍处于研发、试验和示范的阶段,在电缆性能和经济性上均有待突破。从技术性能、经济性、工程实用性等方面看,尚不能满足远距离、超大容量输电应用要求[2,16]。

4.1 技术性能方面

1)HTS 电缆长度有限。由于受HTS 线材产业化生产能力限制,要将HTS 电缆应用于长距离、大容量输电,必须解决HTS 电缆单元之间的连接技术问题,即实现HTS 电缆接头处的低电阻、大载流和高绝缘强度。然而目前这方面的研究甚少。

2)绝缘材料自身和液氮低温(77 K)条件下绝缘技术限制。目前HTS 电缆的电压等级最大为138 kV,最大输送功率57.4 万kW。如何提高绝缘等级和传输容量是研究热点和难题之一。

3)额定电流限制。在额定传输电流的选择上,虽然低电压等级、高功率传输是超导电缆的技术优势,但交流传输时会产生磁滞损耗,Bi 系超导电缆传输3 kA 电流时其损耗与系统漏热相当(约1.5 W/m),若进一步增大容量需提高制冷系统的性能。要研制出实用化的大容量超导电缆, 需研发损耗更低的超导线材。

4.2 经济性方面

目前HTS 材料的价格很高,高于常规材料近十倍,加之日常必需的低温运行、维护等因素,在一定程度上限定了HTS 电缆的制造和运行成本。因此,经济性成为HTS 电缆技术研发和应用推广无法回避的障碍之一。

2008 年美国纽约长岛电力局(LIPA)和美国超导公司(ASC)联合研制的世界上第一条在商业电网中运行的610 m、138 kV HTS 电缆,其研发费用高达1 800 万美元;2004 年北京云电英纳超导电缆有限公司完成的中国第一根并网运行的33.5 m、35 kVHTS 电缆,其研发费用约3 000 万元。

文[17]对132 kV/3 kA 超导电缆和138 kV/1.04 kAXLPE 电缆进行了生命周期费用比较。结果表明,随着超导电缆相关部件价格的降低和性能的提高,其生命周期费用将会逐渐降低,并在将来实现大规模推广应用,但目前只能应用于某些特殊的场合。

4.3 工程实用性方面

1)低损耗、高载流超导线材、大容量电流引线、绝缘绝热技术、低温制冷、在线监测与控制保护、与现有电网的匹配协调运行等问题还有待深入研究和完善。

2)HTS 电缆应用于远距离输电,在地形复杂、环境多变的工况条件下,如何进行HTS 电缆输电线路的设计、规划、施工、运行、监测、保护等,目前国内外尚无经验可循。

3)对电缆的设计方法、实际结构、整体性能、可靠性和安全性的评估必须基于电缆的长期实际运行,积累现场数据,进而获得科学的分析和判断,以确保电网的安全、稳定、高效、智能运行。

5 结语

高温超导电缆具有低损耗、大容量、无污染等常规电缆无法比拟的优点, 是实现低损耗、高效率、大容量输电的有效途径。然而,在远距离、超大容量输电应用时,在技术性能、经济性及工程实用性等方面仍存在很多问题尚需解决。作为智能电网的高级输电技术,随着技术水平的不断提高,HTS 电缆近似为零的电阻损耗、无阻的承载大电流密度、无环境污染等诸多性能优势决定了在未来智能电网中得到大规模应用的可能行。

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