目前,超导磁储能的研究主要是开发微型超导储能装置的实际应用。美国、德国和日本等提出了开发100kWh等级的微型超导储能装置的建议,如用于磁浮列车、计算机大楼和高层建筑等用的超导储能系统;德国、意大利和韩国等也都在开展了微型超导储能装置的研究。美国IGC和AMSC公司的微型超导储能装置(1~10MJ)已经商品化,AMSC公司目前正在开发一种新的配电SMES(D-SMES)用于功率调节。
二、 中科院电工所超导电力研究概况
自“八五”以来,中科院电工研究所就开始密切关注高温超导电力应用的研究,随后,在国家“863”计划和国家自然科学基金的支持下,逐步开展了高温超导电力装置及其应用基础和相关技术的研究,先后进行了高温超导限流器、超导储能、高温超导永磁体以及高温超导带材和线圈的交流损耗等的研究。1998年电工所与西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院合作,成功研制了1米长、1000A的高温超导直流输电电缆模型,被两院院士评为1998年国内十大科技进展之一。在此基础上,2000年我所与两个有色院又合作完成6米长、2000A高温超导直流输电电缆的研制和实验。
随后,在国家“863”计划和中国科学院知识创新工程的支持下,并得到了国内相关企业如甘肃长通电缆股份有限公司、新疆特变电工股份有限公司等的支持,应用超导实验室结合应用开展三相交流高温超导电缆、高温超导变压器、高温超导限流器、超导储能系统的研究。2003年8月应用超导重点实验室研制出三相10米、10.5 kV/1.5kA交流高温超导电缆系统。结合高温超导输电电缆的研制,同时还进行了高温超导电缆带材电流分布的均匀性问题、电缆的电磁屏蔽技术、电缆的高电压绝缘和终端绝缘技术、高温超导电缆的焊接技术、高温超导电缆的绕制技术、高温超导电缆冷却技术、高温超导输电电缆系统监控保护技术以及高温超导带材临界电流和均匀性无接触测量技术等研究,取得了一系列成果。
2005年应用超导重点实验室与甘肃长通电缆公司等合作,研制成功75m、10.5kV/1.5kA三相交流高温超导输电电缆,该电缆由包括承载电流的超导电缆芯、维持低温环境的低温恒温管、电缆终端和电流引线、提供冷量的低温制冷系统、电缆绝缘以及监测电缆运行状况的在线监测系统等组成,除高温超导带材外的所有部件均为自主研究开发。75米超导电缆的直流临界电流在74K下大于5300A,接头电阻可达到10-7Ω。超导电缆的额定电压达到10.5kV,在配电网中的最大运行电流达到了1600A(rms)。2005年超导电缆接入甘肃长通电缆科技股份有限公司6.6kV配电网进行长时间运行,经受了长达7000小时的并网运行考验,系统运行稳定可靠。2006年75米高温超导电缆通过了科技部组织的验收,并获2007年甘肃科技进步二等奖。图1为安装在甘肃长通电缆科技股份有限公司的75米三相高温超导交流电缆。
2002年应用超导重点实验室成功研制出我国第一台新型400V/25A高温超导限流器。在进行了多种超导限流器原理研究及其在电力系统中应用研究的基础上,于2005年初顺利完成了10.5kV/1.5kA改进桥路型三相高温超导限流器样机的研制,并对样机进行了各项并网前的检验和模拟试验。2005年5月,应用超导实验室与湖南电力局电力试验研究院和娄底电业局合作,在湖南娄底市高溪变电站开展试验场地改造、设备系统安装、系统集成和并网前测试工作(图2)。2005年8月进行三相接地短路试验,成功地将三相接地短路电流从3.5kA(无限流器时)限制到635A。此后,三相高温超导限流器投入电网,进行载荷并网长期示范运行。2006年,高温超导限流器分别通过了北京市科委、科技部和中国科学院组织的验收,并获湖南省科技进步二等奖。