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超导电缆发展现状及前景分析
时间:2018-12-26 09:07:44来源:未知

  对于超导电力应用技术的发展及意义,“美国电网2030”计划将超导电力应用技术放在一个十分重要的位置上。日本的新能源开发机构也认为发展高温超导电力技术是在21世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。《中国制造2025》关于“电力装备”领域方面,明确指出“突破大功率电力电子器件、高温超导材料等关键元器件和材料的制造及应用技术,形成产业化能力。在中国《能源技术创新计划(2016-2030年)》中将面向超导电力装备的应用型超导材料研究作为战略方向,开展高温超导在超导电缆、变压器、限流器、超导电机等领域的示范和应用。

  近年来,超导电缆研究继续朝着实用化的方向发展,在前期众多功能验证示范工程的基础上,全球范围内先后涌现多个关于CD绝缘高温超导电缆示范项目。

  在美国,2011年,AMSC等公司成功完成了美国能源部资助的Lipa二期项目,该项目在2008年完成的Lipa一期项目的基础上,用一根二代带材制作的高温超导电缆更换原有一代带材制作的超导电缆,并深入地研究了超导故障维护技术、电缆接头技术、热收缩应对技术、限流技术和高效制冷系统技术等专门针对工程化商业化应用的关键技术。

  美国纽约正在建设13.8kV/96MVA的Hydra超导电缆示范项目,由美国国土安全部、美国超导公司和Consolidated Edison共同出资开发。该电缆采用AMSC公司的2代高温超导带材制作,安装于地下电网,集成了限制故障电流功能,提升了电网的输电容量,加强了电网安全性能和可靠性能。项目原计划2010年完成,后因经费等方面的原因项目推迟。

  在欧洲,2013年德国Essen市完成了Ampactiy三相同轴超导电缆项目,该项目在Essen市区安装了一根10kV/2.4kA的三相同轴超导电缆,用于替换原有的110kV电缆。该超导电缆线路集成了电阻型超导故障电流限制器,线路于2014年4月开始正式供电。

电缆,超导电缆

  俄罗斯方面,联邦电网公司(FGC)联合格日查诺夫斯基能源研究所(ENIN)全俄电缆工业研究所(VNIIKP)、莫斯科航空研究所((MAI)等单位进行了高温超导交流电缆和直流电缆的研究,计划在莫斯科的迪纳莫(Dynamo)变电站安装一根200 m长、20kV/1.5kA的交流超导电缆。另据国际大电网2015年报告,俄罗斯计划在圣彼得堡安装一根20kV/2.5km的直流超导电缆系统。

  丹麦Alliander能源公司、Ultera和代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)计划在Alliander的电网上安装一根6km的三相同轴高温超电缆,以此展示超导电缆在实际电网中的优异性能。

  在韩国,韩国电力公司(KEPCO)对高温超导电缆在电网中的应用有着浓厚的兴趣,先后开展了多个超导电缆研究和示范项目,自2005年就开始了22.9kV超导电缆的测试研究。2008年在知识经济部(MKE)的资助下,启动了22.9kV超导电缆示范工程项目,于2010年底完成了一条410m、50MVA的超导电缆示范线路。线路由一根267m和一根150m的三芯超导电缆连接而成,其中在制作接头时切除了7m,因此总长410m。该线路安装在利川变电站,2011年8月19号实现通电,韩国期望通过该线路对超导电缆的性价比进行评估。2011年韩国又启动电缆济州岛超导电缆示范工程项目,进行80kV直流超导电缆和154kV交流超导电缆的示范应用,项目的电缆由LS电缆公司开发,韩国电力技术研究所(KERI)负责超导电缆的系统研究。其中的80kV、500m、3125A超导直流电缆于2014年开始运行,154kV、1km、2250A交流超导电缆于2016年开始运行。

  在日本,相关政府部门和企业对超导电缆进行了长期的研究,电缆电压等级从低压的1.5kV到目前全球超导电缆最高电压等级记录的275kV均有研究,其中影响力较大为日本横滨超导电缆项目。该项目电缆采用电压等级为66kV的三芯超导电缆,传输容量200MVA,长度250m,是日本第1根实际挂网运行的超导电缆。项目最早始于2007年,由日本经济产业省(METI)和新能源产业技术综合开发机构(NEDO)资助,由东京电力公司(TEPCO)和住友电工(SEI)合作开发。2009年完成30m电缆的性能评估,2010年完成电缆制作,2011年完成安装,采用6台斯特林制冷机制冷。在经过一系列测试之后,于2012年10月在Asahi变电站正式挂网运行。线路为70 000家用户提供了一年多的无间断供电。线路后续更换了前川(Mayekawa)的布雷顿循环制冷机,提高制冷系统制冷效率,进一步提高电缆商业价值。

  在国内,中科院电工所、云电英纳、上海电缆研究所、中国电力科学研究院等单位开展了超导电缆的研发并取得了较大的成果。其中,上海电缆研究所2010年完成国内首根30m、35kV/2kA CD绝缘超导电缆型式试验。之后在上海市科学技术委员会的支持下,开展了宝钢超导电缆示范工程研究项目,于2012年12月完成了35kV/2kA 50m超导电缆系统的安装、试验工作后通电运行,为宝钢二炼钢电弧炉持续供电。该线路是我国首条挂网运行的低温绝缘高温超导电缆[20],也是目前世界上同等电压等级中负载电流最大的CD绝缘超导电缆线路。

  就目前而言,全球主要的超导电缆研究参与国家和地区均已完成了超导电缆的功能验证研究,虽然高温超导输电技术尚未达到规模化应用的阶段,但大力推动高温超导输电有关工作,发挥高温超导输电应有的作用,逐步在电网发展中得到应用和推广,将具有十分重要的意义。后续的研究重点将是进一步提高超导电缆系统的可靠性和性价比,早日实现超导电缆的产业化和工程化。

  在超导电缆应用前景和规模方面,超导电缆因为体积小、容量大、损耗低等优势,最有可能替代以交联聚乙烯绝缘为代表的塑料绝缘电缆,成为主要的电力输送设备。美国能源部等机构均对超导电缆的应用前景作出了积极的预测。在我国,电力电缆行业是仅此于汽车的第2大行业,被成为国民经济的神经与血管。近些年来,中国电线电缆行业总规模、产量以及增长速度在世界同行业中稳居世界第1,对全球电线电缆行业具有重大的影响。2012年行业总产值约占全球市场1/3,超过12 000亿元,2014年更是突破14 000亿元。电力电缆是电线电缆5大领域中最大的一个领域,可见若超导电缆可以大规模替代传统电力电缆的话,仅国内市场就可达到千亿级别的规模。

  值得一提的是超导电缆研究的升温,有力地带动了超导材料和制冷等相关配套产业的发展。目前美国、日本、韩国和中国均有较为稳定的第2代高温超导带材生产技术,可以实现一定规模的商业供货。日本在第1代铋系超导带材生产技术的基础上,提出了加压烧结的所谓第3代高温超导带材技术。就目前技术水平,其带材单位价格(kA·m)要优于二代超导带材,但由于材料成本的差异,后者有着更大的成本降低空间。超导带材技术和制冷等配套技术的进步,反过来为提高超导电缆的商业应用提供了强有力的支撑,进一步提升了各国对超导电缆等超导应用研究的热情。