超导电力设备在智能电网中的应用.pdf

专题综述 Application of Supperconductive Power Equipment to Intelligent Network ZHANG Dong, LIU Dong-sheng, CHENG Cong-ming （Baoding Tianwei Baobian Electric Co.,Ltd., Baoding 071056, China） Abstract：The concept and technology of intelligent network are introduced. The characteris- tics of supperconductive power equipment are expounded. Its application to intelligent net- work is analyzed. Key words：Intelligent network；Supperconductive power equipment；Application 超导电力设备在智能电网中的应用 张 栋，刘东升，程从明 （保定天威保变电气股份有限公司， 河北 保定 071056） 摘要：介绍了智能电网的概念及技术，阐述了超导电力设备的特点，并对其在智能电网的应用进行了分析。 关键词：智能电网；超导电力设备；应用 中图分类号：TM4011文献标识码：B文章编号：10018425（2010）07002004 1 引言 尽管在电力领域不断有新技术得到发展与应 用，但长期以来，世界各国在多年的建设中逐渐形成 的电力输配系统并没有出现质的飞跃。 而近20年 来，计算机、信息和通信技术领域却发生了翻天覆地 的变化， 以信息化和数字化占主导的现代经济模式 正在引领世界经济技术的发展潮流， 这一方面对电 力的供应和使用提出了越来越高的信息化要求，另 一方面也为传统电力系统向信息化、 数字化和自动 化管理转型提供了强有力的技术支持。此外，节约能 源、保护环境及提高安全性，已经成为全人类能源使 用的主题， 这也规定了未来电力设备建设和电力供 应管理的基本标准。由此可见，未来电力系统的发展 将会凸显两方面的特点， 一是发展新技术和新电力 设备；二是建立信息化管理体系，实现高效的智能管 理。 为了迎合与引领电力领域的发展新趋势， 美国 能源部最先提出了“智能电网”的概念，它是建立在 集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传 感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以 及先进的决策支持系统技术的应用， 实现电网的可 靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。 其主要特征包括自愈、互动、安全、提供满足21世纪 用户需求的电能质量、 允许各种不同发电形式的接 入、启动电力市场以及电网资产的优化高效运行。 “智能电网” 将有可能重塑世界经济和能源格 局，其概念一经提出就引起了世界各国的广泛关注。 美国奥巴马政府已把建设智能电网作为美国的国家 发展战略。中国也已对智能电网进行了规划研究，并 提出了要在2020年全面建成坚强的智能电网。无论 各国对智能电网的定义和侧重点有何不同， 其核心 目标都将是“可靠、安全、经济、高效、环境友好和使 用安全”。智能电网的建设需要广泛应用各类先进的 设备技术，极大地提高输配电系统的性能，尤其是提 高功率密度、 供电可靠性和电能质量以及电力生产 的效率。 这些先进技术中不仅包括应用现有的先进 技术，还包括应用未来可能发展的各类高新技术，其 中超导、储能、电力电子和故障诊断方面的最新科研 成果的应用开发将成为发展重点。 由于超导材料的零电阻和完全抗磁特性， 用超 导材料制成的电力设备具有高效、低耗、安全和环保 等特性， 其独特的性能优势可能使超导电力设备成 为未来更新换代的产品， 超导技术的推广与应用也 会促进电力系统建设理念的更新， 从而使电网技术 出现跨越式发展的景象。目前，超导电力设备主要包 TRANSFORMER 第 47 卷 第 7 期 2010 年 7 月 Vol.47 July No.7 2010 张栋、 刘东升、 程从明： 超导电力设备在智能电网中的应用第 7 期 括超导限流器、超导电缆和超导储能装置等，笔者将 在下文中分别进行介绍。 2 超导电力设备在智能电网中的作用 2.1超导限流器 （1）技术背景。 理想的限流器具有稳态低阻、 故障高阻和快速 恢复的特点，即电网正常输电时呈现较低的阻抗，这 样可以减低设备的运行损耗和保证用户电压稳定。 在电网发生短路故障时， 限流器迅速转变为高阻抗 状态，有效地限制短路电流幅度。 短路故障消除后， 限流器又迅速地恢复到低阻抗状态。 尽管常规的空 心电抗器和高阻抗变压器等也有限制短路电流的作 用，但还无法达到这样理想的性能要求。超导材料和 技术的应用为制作理想的限流器提供了物质基础。 从限流器件的性质上分， 超导限流器可分为电 阻型和电感型。 电阻型SFCL是利用电阻的变化来 实现通流、限流的，而电感型SFCL是利用感应电势 的变化实现通流和限流。 电感型根据工作原理不同 又可分为感应型、屏蔽型、桥路型和饱和铁心型。 饱 和铁心型SFCL由铁心、交流绕组、直流绕组和直流 励磁电路等基本部分组成。 其原理类似于饱和铁心 电抗器， 是利用磁材料磁导率的非线性进行限流控 制。 饱和铁心型SFCL原理清晰，结构工艺简单，性 能可靠，利于制作大容量的限流装置，但同时面临铁 心体积大和成本高的问题。 （2）性能特点。 超导限流器具有优异的限流特性， 是目前电力 系统高压电网理想的限流装置,高电压等级的大容 量超导限流器以其独特的优越性成为极有发展前景 和市场竞争力的新型电力设备。 相对于传统的限流 电抗器，超导限流器也可以称作智能电力设备，符合 智能电网的要求，其功能特点可以概括为： 稳态运行时低阻抗，设备压降低，对电网输送 电力影响很小。 短路发生时高阻抗，大幅度限制短路电流，保 护系统内设备安全。 实时监测系统短路电流的发生， 快速响应并 触发限流动作， 整个限流响应过程可在几个毫秒内 完成，并持续保证限流状态；限流后可快速恢复，满 足电网重合闸的要求。 （3）应用前景。 超导限流器可避免过大故障短路电流对电力设 备的损坏，保证电网保护系统的可靠性，提高电网的 安全性；超导限流器压降很小，可提高供电质量、减 少损耗；另外，降低系统短路电流水平将降低电网系 统中电气设备抗短路冲击的要求， 尤其是断路器的 遮断容量要求，因此在设计新电网或改造旧电网时， 使用限流器可以大大减少电网建设成本。 饱和铁心型超导限流器的阻抗为非线性， 可以 根据电网系统的需要适当调节， 与电容器等的优化 组合还可以起到调节无功等更多的作用。 超导限流器主要应用范围： 在电网的关键节点和线路上使用超导限流 器， 可以解决电网互联容量增大带来的短路电流过 大的难题，增强高压、超高压电网互联的安全性。 为大型变压器配备超导限流器， 可以提高其 抗短路电流冲击能力，降低事故风险。 在大型发电机组和电网之间安装超导限流 器，相当于建起一道“防火墙”，可以隔断短路事故的 彼此影响。 超导限流器与先进的继电保护系统相结合， 可以组成一个更加可靠的保护系统， 进一步增强电 网对短路故障的防范能力， 使坚强的智能电网更加 现实。 2.2超导电缆 （1）技术背景。 超导电缆的基本结构与常规电缆有很大的差 异，常温绝缘的超导电缆，从内到外一般依次为内支 撑管（或普通导体）、超导导体、真空恒温热绝缘层、 电绝缘层、 电缆屏蔽层和护层以及其他一些辅助元 件。当电绝缘层处于真空恒温热绝缘层之内时，即在 低温状态，则称为冷绝缘超导电缆。 超导电缆的运行条件与常规电缆有很大的差 异，即导体需要低温运行环境，故其终端与常规电缆 有很大区别，另外还需要低温制冷系统。制冷系统通 常由制冷机组、液氮泵、绝热管道、水冷却装置和液 氮储罐等部分组成。 电缆终端是超导电缆和外部其 他电气设备之间相互连接的端口， 也是电缆冷却介 质和制冷设备的连接端口。 除类似于常规电缆终端 担负电气安全连通的作用之外， 还要保证实现温度 的过渡。终端的结构是和电缆的结构相配套的，因此 常温绝缘超导电缆与冷绝缘超导电缆的终端在结构 上也有很大区别。 （2）性能特点。 超导电缆电阻近乎于零，损耗特别低，这个特点 意味着可以将它安装在电网中的重要地方， 分流负 荷过重线路上的电流，形成新的网络结构。超导电缆 的输送容量随着导体温度的降低而增加， 因此当有 其他线路故障时，通过适度降低超导电缆导体温度， 21 第 47 卷 还可以进一步调节潮流分布， 有利于系统稳定。 因 此， 超导电缆符合经济、 高效和安全的智能电网要 求。 其性能特点如下： 损耗低。超导电缆正常运行时电阻很小，交流 超导电缆的导体损耗不足常规电缆的1/10（直流超 导电缆更低），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%。 容量大。 同样截面的超导电缆的电流传输能 力一般是常规电缆的3倍5倍。 可以更好地调节传输电能的潮流分布。 节约材料。 同样传输能力的超导电缆与常规 电缆相比，使用较少的金属和绝缘材料，且超导电缆 设置的回路较少。 环保。超导电缆是用液氮作为冷却剂，释放到 空气中不会造成环境污染， 而充油常规电缆则存在 着易燃、漏油和污染环境的问题。具有超导屏蔽层的 冷绝缘超导电缆更是大幅度减小了电磁辐射， 因为 其容量大而回路少，占地面积很小，可以节约土地。 超导电缆在地下铺设，可利用现有各种线路（包括铁 路线、公路线及管道线等）进行安装，不影响市容，且 能降低电网升级的成本并减小对环境的影响。 安装成本较普通电缆低。超导电缆的截面小， 安装重量和空间都较小， 节约了普通电缆和母线铺 设时的建设和安装成本。此外，超导电缆可以在低压 下输送大容量的电能， 因此可以节省昂贵的高电压 设备和电压转化的损失。 能够限制故障电流。 超导体有一种天生的电 流限制能力， 一旦由电网短路造成的电流增强到一 定程度， 它们就会失去超导性而变得像普通导体一 样有电阻。 利用适当的设计可使超导电缆失超时电 阻达到足够的数值，使短路电流衰减。 （3）应用前景。 2008年我国用电总量近34 268亿千瓦时，根据 我国输电损耗率约为8%9%计算，这将意味着我国 每年输电线路损耗高达2 000多亿度，相当于30多 台百万千瓦级机组的年发电量。 应用超导电缆是减 少电网损耗的最佳办法。由于超导输电无需高压，可 将输电损耗、电磁污染、占用走廊宽度降至最低，真 正代表了世界最先进的输电技术方向。 针对我国坚 强智能电网规划， 超导电缆近期可能在以下方面实 现其价值。 城市中心高密度负荷区， 使用较多的常规电 缆或架空线受到空间或环境保护限制时， 可解决供 电瓶颈问题，并带来更多的环境效益。 发电厂和变电站内的大电流传输母线。 需求迅猛发展的大城市， 可利用超导电缆直 接更换原有管道内的常规电缆，提高供电容量。 2.3超导储能 超导储能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他负载。超导储 能装置一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流 装置和测控系统等组成。 其中超导线圈是超导储能 装置的核心部件， 它可以是一个螺旋管线圈或是环 形线圈。螺旋管线圈结构简单，但是周围杂散磁场较 大； 而环形线圈周围散磁场较小， 但是结构较为复 杂。 超导储能装置的工作原理是在电网运行负荷处 于低谷时把多余的电能储存起来， 而在电网运行处 于用电高峰时，将储存的电能送回电网。由于储能线 圈由超导线绕制且维持在超导态， 线圈中所储存的 能量几乎可以无损耗地永久储存下去直到需要释放 时为止。 超导储能装置不仅可用于调节电力系统的 峰谷， 而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振 荡，从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于 无功和功率因素的调节，以改善电力系统的稳定性。 超导储能线圈产生的磁场很强， 储存的能量密 度很高。 与其他的储能方式相比，如蓄电池储能、压 缩空气储能、抽水储能和飞轮储能，具有许多明显的 优点。 可长期无损耗地储存能量， 其转换效率可达 95%。 可通过采用电力电子器件的变流器实现与电 网的连接，响应速度快（毫秒级）。 由于其储存能量与功率调制系统的容量可独 立地在大范围内选取， 因此可建成所需的大功率和 大能量系统。 除了真空和制冷系统外，没有其他转动部分， 使用寿命长。 在建造时不受地点限制，维护简单且污染小。 3 结束语 发展智能电网离不开应用超导材料制成的新型 电力设备的支持。 作为应用超导特性研究的主要产 品，超导限流器可以降低电网短路电流水平，提高电 网安全性，改善供电质量，大大减少电网建设或改造 成本；超导电缆具有低损耗、大容量和环保等优异特 性。超导储能则可以接近无损地调节用电峰谷，改善 电力系统的稳定性。 目前，随着各国智能电网规划的出台和实施，以 （下转第30页） 22 第 47 卷 和Q的计算公式为： P=P-Q（20） Q=Q+P（21） 5 结束语 基于多DSP并行处理的变压器智能终端实现 了变压器温度监控、 变压器电量参数与开关状态监 测以及断路器控制等功能， 软硬件均采用模块化设 计， 便于安装、 维护和系统扩展同时其具有RS485 串行总线和CAN工业现场总线接口，方便变压器监 控系统联网，实现了多台变压器的集中监控功能。 参考文献： 1李强， 刘文里， 郭文敏.应用I2C总线技术对变送器 角差补偿算法的实现J.黑龙江电力，2005，27（1）：34- 36，39. 2陈细军，谭民，叶涛，等. TMS320LF/LC240X系列 DSP与微机的串行通信J.国外电子元器件，2002，9 （9）：3-5. 3王士政.电网调度自动化与配网自动化技术M.北京： 中国水利水电出版社，2002. 4张涛.高精度交流采样远动终端的研制J.电网技 术，2000，24（1）：19-21. 5龙军.电能表中互感器角差的纠错算法J.电力系统 及其自动化学报，2005，17（3）：63-66. 6Kes T.Current transformer phase shift compensation and calibrationDB/OLwww.gaw.ru/pdf/TI/app/msp430/ slaa122.pdf, 2001-02-01. 向流变内充入高纯氮）。 当真空脱气工作结束后，拆 除真空脱气装置， 用合格变压器油向流变加补充油 至上瓷套法兰口，装复金属膨胀器，检查膨胀器防爆 玻璃及密封橡胶，应完好无损，密封可靠（注意：该阶 段，要防止防爆玻璃破损和异物进入互感器内部。工 具应用纱带拴住手腕，清点工器具无缺少），再预抽 真空残压133Pa并维持30min， 然而用压力桶向膨 胀器加补充油至正常位置。 流变真空脱气后静置 24h，取样进行绝缘油的简化、色谱、微水分析及电气 试验，各项数据合格后方可投入运行。投运后24h取 油样一次，7天取油样一次， 如正常后改一个月取 油样一次，然后进入正常周期，设备连接图见图1。 4 结束语 油浸电流互感器油中溶解氢气浓度超标应作为 一项考核指标，要针对单氢超标的产生原因，现场采 取较简便而有效的真空脱氢处理方法， 杜绝事故的 发生，确保安全可靠地供电。 氮 气 瓶 压 力 桶 电 流 互 感 器 压 力 桶 真空泵 图1设备连接图 （上接第19页） 收稿日期：2009-11-02 作者简介：陈玉国（1969-），男，山东成武人，山东达驰电气有限公司高级工程师，主要从事变压器技术与变电自动化研究； 张继兰（1972-），女，山东成武人，山东达驰电气有限公司工程师，主要从事变压器技术研究。 ! 收稿日期：2010-01-15 作者简介：张栋（1965-），男，陕西三原人，保定天威保变电气股份有限公司高级工程师，主要从事电力变压器、电抗器的 设计研发工作； 刘东升（1966-），男，河北故城人，保定天威保变电气股份有限公司副总工程师，主要从事电力变压器、电抗器的 设计研发工作。 及超导电力应用技术的飞速进步， 超导电力设备必 将迎来更大的发展空间， 其良好的市场前景也值得 期待。 参考文献： 1信赢，龚伟志，高永全，等 35kV/90MVA挂网运行超 导限流器结构与性能介绍J.稀有金属材料与工程， 2008，37（A04）：1-6. 2任安林，席海霞，信赢.超导电缆及其应用J.国际电 力，2005，9（3）：59-62. 3余运佳，惠东.中大型超导储能装置的研制与应用J. 中国电力，1997，30（3）：57-59. （上接第22页） 30