电工新技术的发展趋势「电工新技术涉及领域」

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电工新技术的发展趋势

在电力生产、电工制造与其他工业发展，以及国防建设与科学实验的实际需要的有力推动下，在新原理、新理论、新技术和新材料发展的基础上。发展起来了多种电气工程新技术（简称申工新技术），成为近代申工科学技术发展中最为活跃和最有生命力的重要分支。在这些电工新技术中，有一些已发展成为新兴产业或对传统产业的技术改造发挥了重大作用，另一些将为21世纪电力生产、电工制造、交通运输及其他工业的发展带来重大的革新性变化，导致一些新兴高技术产业的产生与壮大。对于国民经济的发展和科学技术的进步来说.电工新技术的发展都有着重大的意义。

如图所示为电工新技术的分类，从图中可以看出，电工新技术的分支常常是由多种基础技术的交叉融合产生的。

超导电工技术

实用超导线与超导磁体技术与应用的发展，以及初步产业化的实现是 20世纪下半叶电工新技术的重大成就。在21世纪上半叶，无论是聚变电站、磁流体发电.还是磁悬浮列车、磁流体推进船的商业化，均将促使超导电工继续长足地向前发展，成为一个重要的电工产业。与此同时，还可期望，随着高临界温度超导体的实用发展，超导输电与超导飞轮储能将得到实际应用，工频超导技术的发展将使超导限流器、超导变压器、超导发电机与电动机投人运行.大能量的超导储能得到了示范和推广.超导电力技术成为电力发展的重要支柱如果实现了临界温度达到室温的实用超导体，整个面貌还将发生革命性的改观。

我国在超导技术研究方面，包括有关的工艺技术的研究和实验型样机的研制上，都建立了自己的研究开发体系，有自己的知识积累和技术储备，解决了一系列的关键技术问题，多数方面都接近或达到世界先进水平，这为在 21世纪建立我国的超导高技术产业打下了较好的基础。使用最广的在液氨温区使用的低温超导材料——NbTi导线。液氮温区高温超导材料—Bi系带材。

超导现象

1911年荷兰科学家昂纳斯（H.Kamerlingh Onnes）在测量低温下水银电阻率的时候发现，当温度降到-269 ℃附近，水银的电阻突然消失。电阻的消失叫做零电阻效应。后来有人曾在超导材料做成的环中把电流维持两年半之久而毫无衰减。由此可以推论.电阻率的上限为 10~23Ω.cm，还不到最纯的铜的剩余电阻率的百万亿分之一。零电阻效应是超导态的两个基本性质之一。

超导态的另一个基本性质是完全抗磁性，又称迈斯纳（Meissner）效应。即在磁场中一个超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。也就是说，磁感线完全被排斥在超导体外面。

利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。超导磁悬浮的实验，把一块磁铁放在超导体上，由于超导体把磁感线排斥出去，超导体与磁铁之间有排斥力，结果磁铁悬浮在超导盘的上方。这种超导磁悬浮在工程技术中是可以大大利用的，超导磁悬浮轴承就是—例。高温超导体发现以后，超导态可以在液氮温区（-169 ℃以上）出现，超导悬浮的装置更为简单，成本也大为降低。

由正常导体组成的回路是有电阻的，而电阻意味着电能的损耗.即电能转化为热能。这样，如果没有电源不断地向回路补充能量，回路中的电能在极短时间（例如微秒）里全部消耗完，电流衰减到零。如果回路没有电阻，自然就没有电能的损耗。一旦在回路中激励起电流，不需要任何电源向回路补充能量。

20世纪60年代初，实用超导体出现后，我国干60年代后期开始了超导电工研究.70年代末将超导电工定为我国电工研究领域的重点发展方向之一，以超导磁体技术与应用为主积极开展了工作。

20世纪90年代以来，随着实用的高临界温度超导体与超导线的发展，掀起了新的世界范围内的超导申力热潮，包括输电限流器、变压器、飞轮储能等多方面的应用，超导电力被认为可能是21世纪最主要的电力新技术储备。

我国已经在高临界温度超导输电电缆、限流器与变压器方面做出了可喜的成绩。最近，美、日等国正积极支持技术经济性能较目前的铋系高温超导线有显著提高的 YBCO涂层的第二代超导线的研究、发展与产业化，如能取得成功，超导电力的实用化与产业化进程将大大加速。另一方面，经过 20年的持续努力，超导磁体技术已成熟到可按要求提供 15万高斯以下、不同形态的大体积实用强磁场系统，已开始形成了低温超导线与磁体系统产业.目前全世界正在积极探索开拓强磁场的新应用。

超导电工已由最初的超导磁体技术扩展到了包括超导电力应用与强磁场应用，并由以研究发展为主，向着实用化与产业化方向前进。

超导技术的应用

目前，正在研究和开发的其他高温超导材料强电应用项目有超导电机、超导储能、超导悬浮轴承、超导磁悬浮列车、超导变压器，等等。

自从实用超导体出现后，人们就期待利用它使现有的常规电工装备的性能得到改善和提高，并期望许多过去无法实现的电工装备能成为现实。例如，同步发电机若采用超导励磁绕组，可以大大提高电枢绕组上的磁场强度.使发电机的体积和重量成倍地减小，从而使违造更大单机容量的同步发电机成为可能。同时，由于超导励磁绕组没有焦耳热损耗，电机效率可进一步提高，从而节省大量电能。但是，目前常规的超导线在交变磁场作用下，将产生交流损耗，这样在一定程度上限制了它在电力领域中的应用。近年来，随着低交流损耗的极细丝超导线的出现（直径一般为0.4 μm），以及高温超导材料的发现及其在应用方面的进展，使得超导技术有可能在更多电力装备中获得实际应用。

我国在电力领域也已开发出或正在研制开发超导装置的实用化样机。如高温超导输电电缆、高温超导变压器、高温超导限流器、超导储能装置和移动通信用的高温超导滤波器系统等，有的已投入实验运行。

一、超导电机

超导电机的研究对象主要是超导同步发电机和超导单极电机。早在 20世纪 60年代，美国AVCO公司就试制成一台立式旋转电枢的8 kW 超导发电机;1969年，麻省理工学院试验成功一台 45 kW超导发电机模拟机组，从而证明了在发电机上采用超导励磁绕组的现实可能性。

1972年美国西屋公司研制出一台5000 kW超导发电机，1973年麻省理工学院又研制出一台2 000 kW的超导发电机。美国西屋公司在美国电力协会的支持下，提出试制300 MW实用化超导发电机的计划。同一时期，前苏联、日本和德国也都积极开展超导发电机的研制工作。前苏联曾制成一台 300 MW超导同步发电机.并进讲行了低温实验.后来由于低温存储器有漏泄问题，致使实验停顿。

日本从 20世纪 70年代开始着手发展超导发电机的试制工作，先后研制了6 250 kW、30 MW 和 50 MW的超导发电机。

1988年，他们又开始执行一个70 MW超导发电机的研究计划，1999年已经完成样机，并成功地与7万伏电网进行了并网试验，最近又将功率提高到83 MW，这是目前世界最大的超导发电机。

我国上海发电设备成套设计研究所于1977年试制了一台 400 kW超导同步发电机，其转子励磁线圈由 NbTi超导线绕制，最大磁感应强度达1T。在此基础上，于1988年又研制成一台 400~800 kW超导同步发电机，并进行了短时间发电并网试验，发电容量达到167 kW、最大输出容量达400 kW。

与常规发电机相比，超导同步发电机具有效率高（比常规发电机可提高0.5%~0.8%）、重量轻、体积小（可减小 1/3~1/2）、单机容量大（可达1000 kW）和稳定性能好（如同步电抗可减少 1/4）等优点，但是要使超导同步发电机达到实用要求，还要在电机设计、制造和安全可靠运行等方面解决一系列关键的技术问题。由于超导励磁绕组是运行在极低的温度下（如液氨温区），它通过的电流密度以及产生的磁场强度比常规发电机高得多，因此超导发电机的设计与常规发电机是有所不同的。例如，超导励磁绕组的电磁设计、超导励磁绕组的阻尼屏蔽结构等都将不同于常规发电机的设计。此外，由于超导绕组必须安放在低温容器内。

因此带来真空绝热技术、液氢输送技术以及超导发电机冷却技术等一系列问题。目前已基本解决了上述关键技术问题.但要使得超导发电机获得实际应用，除上述技术问题外，还取决于它的经济性。目前普遍认为，只有大容量起导发申电机，如容量达 300 MW 以上.在经济上才有优越性。因此，超导同步发电机的应用要立足于大容量。

高温超导体的出现进一步拓展了超导技术的应用领域，因为它的制冷费用比运行在液氦温区的传统超导磁体要大大降低。近年来人们开始注意高温超导材料在电动机方面的应用，它不仅可提高电动机的功率.同时还可降低电动机的损耗。在电力应用方面，电动机负载占很大比重——全世界的电力负载中有大约65%是电动机，而且大型电动机占一半左右。现在常规的大型电动机效率最高可达97%左右，如果采用超导电动机，其效率可提高到 98.3%（包括制冷机维持超导绕组运行在低温下所消耗的功率）。对长期连续运行的电动机而言，采用超导绕组后其节约的电能是十分可观的。

美国近年来已开始进行高温超导电动机的研究，电动机的转子磁场线圈采用高温超导材料，定子电枢绕组仍采用常规的铜线圈。1993年研制了一个3.7 kW高温超导同步电动机，其后他们又进行93 kW、1800 r/min 超导同步电动机的研制工作。最近又研制出舰船用高温超导推进电动机，如图6-6和图6-7所示。我国也研制成功了300kW船用超导单极电动机，如图6-8所示。ABB公司还研制出以超导电动机为动力的吊舱式螺旋推进器，如图6-9所示。

二、超导变压器

20世纪 60年代出现实用超导材料后，人们就对研究超导变压器表现出很大的兴趣，因为变压器是静止设备，低温冷却问题比旋转的电机要容易解决但儿善通的超导线在交变磁场作用下或在传输交变电流时将产生交流损耗，致使采用超导材料后的铜损耗增大，补偿不了由交流损耗引起的热损耗.在经济上没有明显的优越性.因此在20世纪 80年代前超导变压器的研究没有什么进展。

20世纪80年代初.法国首先研制出丝径小干1 um 的极细丝超导线，同时采用铜镍等高阻值的导体做超导线的基底材料，使超导线的交流损耗大幅度下降。加之低温冷却技术的改善.使超导变压器显示出明显的优越性.因而超导变压器的研究又引起人们的兴趣。超导变压器的优点是重量轻、体积小、效率高、故障时短路电流将比常规变压器小。分析表明，超导变压器的重量仅为常规变压器的 40%或更小。当变压器容量超过 300 kW时，其优越性更加明显。

20世纪 80年代末以来，法、日、美等国都积极进行超导变压器的研究，并先后研制出几百千瓦至兆瓦级的超导变压器。目前超导变压器的设计一般都采用与常规变压器一样的铁结构.仅高，低压绕组采用超导线绕组，超导绕组置于非金属低温容器中，以减小运行过程中在容器中产生涡流引起的附加热损。变压器铁心一般仍处在室温条件下。

由于近年来高温超导材料研究取得很大进展，用高温超导材料研制超导变压器引起人们的很大兴趣。日本于1996年研制出一台500 kW高温超导变压器，变压器运行在-196℃的液氮中，其效率达99.1%，如图6-10所示。随后他们将变压器运行温度降低到-207 ℃. 变压器容量提高到 800 kW，效率达99.3%。与此同时，瑞士ABB公司和美国应用超导公司等合作，于1997年也研制成630 kW 三相高温超导变压器样机，采用液氮冷却，并接入电网进行试验。美国在能源部支持下已研制出1000 kW 单相高温超导变压器。我国科学院电工研究所等单位也研制出 26 kW高温超导变压器。

随着实用化高温超导材料性能的提高与价格下降，超导变压器可望在5~10年内实现产业化。专家预计，至2010年超导变压器的世界需求量达到 15亿美元。

三、超导输电

随着大城市用电量的日益增加，高压架空线深入城市负荷中心又受到许多因素的影响，因此往往需要采用大容量电力电缆将电能输往负荷中心。目前采用的常规高压输电电缆，由于受其容量和临界长度的限制，很难满足日益增长的电能传输要求。在这方面超导输电显现出了巨大的优越性。超导输电主要通过超导电缆来实现，它具有载流能力大，损耗低和体积小的优点，是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。

超导输电电缆有直流和交流两种。直流超导电缆没有交流损耗，输送同样功率的电缆尺寸较小.但如用干电力系统。则与直流输电—样.电级两端需要有整流和逆变装置 所以口有输电距离达一定长度后，例如在 200 km 以上，经济上才能显示出优越性。交流输电电缆由干有交流损耗和绝续缘层介质损失等问题.其额定功率将受到限制。但般认为。当输送大容量电能，如1000 MW以上时，交流超导输电电缆还是有竞争力的。当然，由于常规的超导电缆必须运行在液氦温区下，因此超导电缆结构将更为复杂。

自20世纪 70年代以来，美国、前苏联、德国和日本等都相继开展了超导电缆的研究工作。美国先后研制成三根10 m 长的超导输电电缆模型，并进行多次运行试验和交流损耗测试，最后还研制了两根115 m 长，输送容量为980 MW、电压为138kV的超导输电电缆。前苏联在这期间也研制了50m长、110kV、12.5 kA的超导电缆模型，进行了交、直流输电试验。德国西门子公司也曾研制了一条35m长、110kV、10kA的单相超导输电电缆。

但是，由于当时超导线的价格较贵，存在有交流损耗，同时又要在液氦温区下运行，在经济技术 上，超导输电电缆的优越性并不明显.因此20世纪80年代后超导输电电缆的研发没有取得很大进展。

1986年发现高温超导体后，许多国家如日本、美国等相继提出高温超导输电的研究计划，并相应开展高温超导输电电缆模型的研究。高温超导电缆采用液氮做冷却介质，不仅价格大大低于液氦，而且低温冷却系统更加简化，同时液氮的电气绝缘强度也与变压油相当，因此高温超导输电电缆与液氦冷却的低温超导电缆及高压充油常规电缆相比更有竞争力。目前，美国、日本等国主要开展高温超导交流输电电缆研究，其目标是希望首先实现短距离（<500m）、低损耗、高功率的输电。1998年，我国也成功地研制出1 m长、1000 A的高温超导电缆模型。高温超导直流输电电缆几乎没有损耗，虽然电缆终端需要整流和逆变装置，但在传输一定功率的情况下输电电压可以比常规电缆的电压低，因此整流和逆变装置也更为简单。

我国科学院电工研究所2003年研制出了10m长的10.5 kV、1.5 kA交流超导输电电缆。我国云电英纳超导电缆公司2003年研制出了30m长的35 kV、2 kA高温超导电缆。

目前高温超导电缆已经不存在大的技术障碍，并且已经走向实际应用。在短期内可望走向大规模的应用，特别是在短距离内传输大电流的场合将得到实际应用。据预测，高温超导电缆的国际市场在2020年左右将达到122亿美元。

四、超导储能

超导储能装置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的一种电力设施，一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。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环形线圈。

超导储能装置的工作原理是在电网运行处于低谷时把多余的电能储存起来，而在电网运行处于高峰时，将储存的电能送回电网。由于储能线圈由超导线绕制目维持在超导态，线测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。

起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。超导储能装置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）;由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，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转动部分，使用寿命长;在建造时不受地点限制，维护简单，污染小。

目前美国、日本、德国等一些发达国家在超导储能装置方面的研究上投入了大量的人力和物力，并且有许多在建的超导储能装置。图6-15所示是德国研制的2 MJ超导储能设备。

五、超导磁悬浮列车

常导磁悬浮列车的技术难题之一是悬浮列车与轨道之间的间隙不能太大，否则电机的容量与耗能将极大，电机的体积也将非常巨大。但气隙太小，会给轨道的施工带来困难，也对列车的安全运行带来挑战。利用超导线圈的零电阻特性制成同步电机的励磁线圈.除了维持低温所需要的能量以外，超导线圈的巨大电流一经形成就不用外加电源，因此既可以减小电机励磁线圈的体积也可以节能。

由于不必担心耗能，气隙可以比普通电机大几十倍以上，电机定子甚至可以做成无铁心的空心线圈。如日本超导列车，定转子之间的机械间隙就有 100 mm，列车的悬浮力也是同一台超导励磁线圈与地面的8字形悬浮线圈通过相对运动产生感应电流发生的，因此属于电动式磁悬浮。所以可以说。日本超导磁基浮列车实际 上是一台大刊装浮转子超导青线同步由动机，日本超导磁悬浮列车开发较早，因此超导励磁线圈是用铌钛合金 NiTi低温超导线制造的（在-269 ℃以下呈现超导状态）。日本高速超导磁悬浮列车经过 40多年的研究开发与试验，经过多次改进，解决了一系列高技术难题，包括防止超导体在温度变化和震动下失超造成灾难的危险，目前已经接近实用化。

还有一种完全不同的"超导磁悬浮"列车，与上述磁悬浮列车电动式原理不同，而是直接利用超导磁体块（Bulk）与永久磁铁之间的完全抗磁性产生悬浮力（如图6-4所示）.因此并不需要励磁线圈.磁悬浮本身是无源的（维持低温环境的能量消耗除外）。一般方案是在车上安放低温的容器，容器内安装高温超导体块材，地面铺设永久磁铁，再配备驱动直线电机。由于抗磁性磁悬浮在控制上不需要闭环，这种磁悬浮列车的优点是实现悬浮比较简单。但这种方案还有许多技术问题需要解决，例如，悬浮力难以根据载重量大小来控制，永磁轨道如何维护和清理等。包括我国在内的一些国家正在研究，但仍然在实验室阶段，离实用化还有较大距离。

六、超导在电气工程领域的其他应用

电气工程领域中，超导还有很多其他应用。例如，在托克马克装置、磁流体发电机等设备中，高强电磁铁是必不可少的，为了降低设备成本，减小体积，节省能源，也必须采用超导电磁线圈。

磁悬浮轴承完全没有机械摩擦，可以大幅度提高旋转部件的转速，同时普通常导电磁轴承用电量大、稳定性差，采用超导磁悬浮轴承则可以解决这些问题。当然，由于超导低温设备复杂.只能用于大型旋转设备上，例如、飞机燃气发电机转子和大型风力发电机转子轴承和超高速飞轮电池转子轴承等。