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目录
一、超导技术简介------------------------------------------------------------------------- 2
二、超导电力技术------------------------------------------------------------------------- 2
1．超导电力技术的发展目标---------------------------------------------------------- 2
2．超导电力技术的内涵---------------------------------------------------------------- 2
3．超导电力技术的现状及发展趋势------------------------------------------------- 3
三、白银超导变电站简介---------------------------------------------------------------- 3
四、白银超导变电站的核心装备及系统---------------------------------------------- 4
1．高温超导储能系统------------------------------------------------------------------- 4
2．超导电缆------------------------------------------------------------------------------- 5
3．超导限流器---------------------------------------------------------------------------- 6
4．超导变压器---------------------------------------------------------------------------- 8
5．集中式低温制冷系统---------------------------------------------------------------- 9
6．在线监测系统------------------------------------------------------------------------ 10
五、总结------------------------------------------------------------------------------------ 10
一、超导技术简介
1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到4.2K时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林—昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。
在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。超导体的另一个极为重要的性质是当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，把原来存在于体内的磁场排挤出去。这被称之为“迈纳斯效应”，可用来辨别物质是否具有超导性。
为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程。在超导临界温度突破液氮沸点77K后，超导技术进入了实用阶段。
二、超导电力技术
1．超导电力技术的发展目标
以超导体的零电阻特性和状态转换特性发展起来的超导电力技术将在诸多方面影响未来电网的发展：
提高电网安全性； 明显改善电能质量；
提高系统输送容量； 提高单机容量；
大幅减少电网损耗； 提高电力系统运行稳定性和可靠性；
降低输送电压等级； 降低占地面积、造价及改造成本。
2．超导电力技术的内涵
（FACTS：柔性交流输电系统技术Flexible AC Transmission Systems）
3．超导电力技术的现状及发展趋势
超导电力技术进过多年的发展，取得了重要突破，已经完成的研究开发和应用工作以配电系统、小容量为主导，包括：
? 配电系统的示范：超导电缆、超导限流器、超导变压器等
? 输电系统的商业示范：超导电缆等
? 军事工业中的示范应用：超导电机、超导消磁电缆等
? 部分小容量装置的商业化：超导储能系统、超导同步调相机
目前，全球范围内计划或长在开展的超导电力技术研究开发和应用工作主要以输电系统、中小容量为主导，包括：
? 输电系统应用示范：超导限流器、超导变压器等
? 中小容量应用示范：超导电机、超导储能系统等
? 工程化示范：超导限流器、超导电缆、超导电机、超导储能系统等
超导电力技术发展趋势以大容量、商业化为主导，包括：
? 向更高电压等级或大容量方向发展
? 向原理多样化和功能集成化方向发展
? 与智能电网的发展需求相结合
? 为性能源的发展服务
? 与产业结合更加紧密、商业化发展
三、白银超导变电站简介
中国科学院超导变电站是在国家科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会的支持下，由白银市人民政府与中国科学电工研究所联合建设，是目前世界上唯一的配电级全超导变电站。
超导变电站集成了我国在超导电力技术近十年来最新、最先进的研究开发成果，是国内领先、国际一流的一系列技术成果的结晶，应用了包括：超导储能系统、超导限流器、超导变压器、超导电缆等多种高温超导电力装置。超导变电站采用串、并联相结合的系统结构。超导储能系统以并联方式接入；超导限流器、超导变压器、超导电缆依次串接，并与电网实际负荷相连接。
目前，超导变电站占地面积11亩，电压等级为10.5kV，容量为630kVA，于2011年2月并入配电网为白银市国家高技术产业园下游多家企业供电。
四、白银超导变电站的核心装备及系统
超导变电站与常规变电站有极大的不同，它由高温超导储能系统、高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器、集中式低温制冷系统、在线监控系统等几大部分组成。
1．高温超导储能系统
超导储能系统核心部件是高温超导磁体。其原理是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施，由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统等几个部件组成，其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，是由一个螺旋管线圈或环形线圈组成。
由于超导储能系统存储的是电磁能，其响应速度极快，可达到毫秒量级；更由于超导体的载流密度约比铜导体高两个量级（例如，单位平方毫米的超导体载流能力可达到180-200A），能够在短时输出大功率。因此，与其它储能方式相比较，超导储能系统具有运行损耗低、输出功率高等方面的绝对优势，其在电能质量综合调控方面的优越性十分明显。
到2020年，基于智能控制芯片的用电设备其用电量将占社会总用电量的30%到50%，因此供电质量必须达到“信息电力质量”才能满足社会发展需求。改革开放以来，我国经济一直处于高速发展状态。尤其近些年来，不同领域、不同属性、不同行业的高科技园区如雨后春笋般出现在全国各大中城市及其卫星城。那些扎根于各个高科技园和经济开发区内的公司及厂商，特别是对供电质量要求最高的信息技术产业以及相关的制造业（许多生产线要求供电可靠率高达99.999%、供电故障持续小于2～4周波），不时因我国供电系统普遍存在的供电质量问题和电力系统故障而造成意外的损失。同时，现代经济的发 展和全球经济一体化进展，各种各样的重要国际活动，如各种交流会、博览会以及大型运动会都要求供电的绝对可靠。
MJ/MW级超导储能系统在输/配电系统的动态管理、电能质量管理及提高电网暂态稳定性和紧急电力事故应变等方面具有极大的应用价值。特别是在改善电能质量方面，超导储能系统能够对配电系统进行有功功率的快速调节，这是以往任何的常规设备不能胜任的。采用超导储能技术将有效改善供电质量，从而减少和避免因电能质量问题给电力用户带来巨大的经济损失和社会负面效应。
其次，随着分布式发电和大型电网平行发展的格局的形成，也将日益迫切需要快速功率补偿系统，以用于进行能量管理和应对瞬态电能质量事故。超导储能系统将在这方面发挥重要的作用。
此外，利用超导储能系统的断流和限流的功能，还可以可解决超导限流器能解决的问题，而且与系统内的其它元件可以实现最优化的运行和控制。这样，既简化了电网的结构，又降低了超导装置的总体造价， 还实现了系统的升级。这些功能和特点就使得它具有广阔的应用前景，它可以广泛地应用于发电厂、变电站和重要用户。
白银超导变电站采用一套完全自主研制的1MJ/0.5MVA高温超导储能系统，其主要参数如下：
额定电压：10.5kV
系统储能量：1MJ
输出功率：0.5MVA
动态响应时间：2ms
能量转换效率：90%
电压波动：2%
波形畸变率：1%
功率因数：0.95
2．超导电缆
高温超导电缆采用了具有很高传输电流密度的高温超导材料作为导体和采用液态氮作为冷却介质，具有损耗低、体积小、无火灾隐患、环保等优点。
在交流传输且容量相同的情况下，高温超导电缆的交流阻抗仅为常规电缆阻抗的十分之一，可以减少电网线损50%左右，而在重量和尺寸相同的情况下，高温超导电缆的传输容量比常规电缆高出3-5倍且其损耗下降60%以上；对于直流传输，高温超导电缆几乎可以无损地实现电力传输，其优越性将更为明显，且传输距离越长，所实现的节能效果越好。
目前在世界范围内正在或者计划开发的高温超导电缆一是美国计划研制长度为1,760m、容量为13.8kV/2kA的三相交流高温超导电缆并将于2011年在新奥尔良市更换一段满负荷运行的地下常规电缆；二是荷兰于2007年底启动了长度达6,000m、容量为50kV/3kA的三相交流高温超导电缆的前期工作，计划在阿姆斯特丹市更换一段目前已经超负荷运行的充气常规电缆，同时将传输电压等级由常规电缆的150kV 降到超导电缆的50kV；三是韩国启动了长度为500m、容量为22.9kV/1.25kA的三相交流高温超导电缆的研制， 2010年安装在韩国电力公司商业电网上示范运行；四是我国中国科学院电工研究所与国内公司正在联合开发400m高温超导直流输电电缆，其传输电流将超过10kA，是世界上传输电流最大的高温超导电缆，并且计划投入电解铝行业进行工程示范运行。
白银超导变电站采用的完全自主研制的75m长10.5kV/1.5kA三相交流高温超导电缆，采用了分段设计、插接集成的低温杜瓦管设计和实施方案，其主要参数为：
电缆长度：75m
额定电压：10.5kV
额定电流：1.5kA
直流临界电流：5kA
接头电阻：10-7Ω
杜瓦管损耗：1.5W/m
最小弯曲直径：2.4m
3．超导限流器
随着电力需求的不断增长以及对供电质量要求的不断提高，输、配电网规模日益扩大，电网互联程度越来越高，这带来了电压更稳定、供电质量更高、电力成本降低等有利因素，但同时也带来了电网故障短路电流水平急剧提高等问题。
电网故障短路电流水平急剧增大的原因在于电网规模扩大和互联程度提高后，电网的短路阻抗越来越小，目前，有些大电网的故障短路电流水平已经达到输电设备无法承受的程度，故障短路电流超过电网设备承受能力，就可能带来灾难性的后果，比如大面积停电影响生产，损坏发电厂、电网、用户的设备，甚至造成人员伤亡。
目前电网面临短路故障采取的主要继电保护措施是利用开关开断线路断路器，将故障区域隔离出电网，但是在故障短路电流很大的情况下，这种保护措施变得很不充分，甚至无能无力，这种继电保护措施的失效一方面是由于短路电流过大，在断路器开断、故障区域隔离出来前，电网中的某些设备已经收到机械损坏或者热损坏；另一方面则是由于故障短路电流超过了线路断路器的遮断容量，断路器无法正常工作，如2003年夏天相继出现美加“8.14”大停电、伦敦“8.28”大停电、悉尼和马来西亚大停电以及意大利“9.28”大停电，这四次停电事故范围的扩大均与短路故障电流过大，继电保护中的开断线路断路器，隔离故障区段的功能丧失有关，这几次停电事故均为国家带来了数百亿美元的经济损失。电网的发展使得要求的线路断路器遮断容量不断增大，市场上可获得的线路断路器的最大遮断容量甚至已无法满足电网的需要，因此急需某种手段将电网的故障短路电流抑制在一个可承受的范围内。
现在抑制电网短路故障电流水平主要有两种，一是从系统设计上着手，二是从设备上考虑。在系统设计上通常是将电网规模变小或者降低互联程度，这不符合电网的发展趋势，在设备上则通常使用高阻抗变压器或者限流空心电抗器。但这类设备均会损耗电能，影响电能质量，并不是最优选择。
如果电网中能有一个设备，它在电网正常运行时，呈现低阻抗，在电网出现事故时，限制短路故障电流，使高压开关的开断功能正常运行，则可避免大规模范围的停电事故发生，节约数百亿美元的损失。利用超导材料制作的限流器则不仅满足限流的要求，而且由于在电网正常运行时，超导材料处于超导状态，阻抗很小，对电能损耗小，能保证输电质量和稳定性，而且其使用寿命较长，设备损耗较小，日 常维护成本也较低，因此从电网稳定运行的广泛性和急迫性来讲，超导限流技术必须加快向现实生产力的转化，投入到电网的运行中。
超导限流器（SFCL）是利用超导体的超导态/正常态转变特性,或采用其他方式进行状态转变而抑制短路故障电流的电力设施。它集检测、触发和限流于一体，在运行中具有以下3 个特点：1、稳态运行时，对电网输送电力影响很小；2、短路发生时高阻抗，大幅度限制短路电流；3、快速检测短路电流发展，快速触发限流动作，整个限流过程可在几个毫秒内完成， 限流后可快速恢复，满足电网重合闸的要求。反应速度快、损耗低和自动复位的特点使其成为十分理想的限流装臵。在电力系统中安装超导故障限流器可大大降低短路故障电流，从而显著提高系统的稳定性和可靠性，大大改善电能质量，明显降低电网的建设和改造成本，并提高电网的输送容量。
白银超导变电站采用的完全自主研制的10.5kV/1.5kA三相高温超导限流器，采用了具有完全自主知识产权的改进桥路型原理，是世界上第四台投入配电网运行的超导限流器，进行了实际电网的三相接 地短路试验，已在实际电网运行超过11000小时。其主要参数为：
额定电压：10.5kV
额定短路电流：1.5kA
短路电流缩减率：82%（短路故障电流由3500A限制到635A）
响应时间：2ms
恢复时间：12ms
正常态压降：0.5%
图2 超导限流器
4．超导变压器
超导变压器一般都采用与常规变压器一样的铁心结构，仅高、低绕组采用超导绕组，具有重量轻、体积小、效率高、无火灾隐患及无环境污染等优点，同时具有一定的限流作用。其基于超导体的无阻高密度载流特性，在降低变压器运行损耗的同时，将大幅度地减少变压器的重量和体积，同时兼具环保性和阻燃性。目前，国际上已有两台（其中我国一台）超导变压器投入实际电网试验运行，其容量都是MVA量级，且应用于配电系统。
目前超导变压器开始向更大容量并且具有特定应用需要的方向发展。例如，以美国Waukesha公司为代表的研究开发机构和生产厂商目前正在进行容量达30MVA、应用于输电系统的超导变压器的研究开发，将投入实际电网运行；韩国DAPAS计划正在推进100MVA高温超导变压器的研制。超导变压器商业化的实施计划也已经开始着手进行。
白银超导变电站采用的完全自主研制的63kVA/10.5kv/0.4kV高温超导变压器，是我国第一台、世界上第二台并网运行的高温超导变压器，也是目前世界上最大的非晶合金变压器。其主要参数为：
额定功率：630kVA
电压：10.5kV/0.4kV
电流：34A/909A
短路阻抗：2.45%
连接组别：Yyn0+d7
运行效率：98.3%
图3 超导变压器
5．集中式低温制冷系统
超导变电站低温制冷系统为超导变电站的正常运行提供所需冷量，采用了集中式的低温制冷设计方案，服务于全部高温超导电力装置。
集中式低温制冷系统具有较高的自动化控制，实现了液氮的自动补充和制冷量的自适应控制。
除超导储能系统外，其余超导电力装置均运行在液氮温区（77K，即零下196℃）；超导储能系统运行在液氦温区（4.2K，即零下269℃），单独采用四台G-M低温制冷机，在系统正常运行时可以实现液氦的零挥发。
图4低温制冷系统
6．在线监测系统
超导变电站的在线监测和控制主要分两条主线进行，即低温制冷流程和电力电气流程，超导变电站在线监测系统的主要特色为：
? 实时监测主要运行参数：包括温度、压力、流量、液氮高度、电压、电流以及各种运行状态量等参数；
? 控制系统运行：基于实时监测参数，控制和调节系统正常运行的各种参数；
? 数据记录、存储与分析；
? 系统运行报警和预警；
? 采用专家控制系统，可以自学习、自适应和灵活调节系统运行参数，使系统的运行更加优化，并且能够针对负荷或其他情况自动调节系统运行参量。
五、总结
白银超导变电站在技术的先进性上是毋庸置疑的，各种具有完全自主知识产权的高温超导设备及在线监测系统的应用，不但给未来电网提供了一个新的发展方向，为商业化运行提供了宝贵的基础经验，也对占据技术制高点具有深远的意义。但其在产业经济性上需要进一步的探讨。同时，现有成果的产业化推广、超导类装备各级标准的制订，超导装备从配电向输电、发电侧的延伸开发，关键原材料的国产化等仍是制约我们快速发展的瓶颈。