2003年应用超导实验室与新疆特变公司合作,在进行了超导变压器电磁设计、绕组环流分析、低温绝缘、电流引线、绕组绕制工艺等研究的基础上,研制了26kVA三相高温超导变压器和45kVA单相高温超导变压器实验样机,并进行了短路冲击实验和雷电冲击试验。在此基础上研制出630kVA三相高温超导非晶合金铁心配电变压器,并于2005年12月安装在新疆特变公司并网试验运行。在超导变压器中采用非晶合金铁芯,可大大降低变压器的线圈损耗和铁芯损耗。根据国家变压器质量监督检验中心的检测,其负载损耗比油浸式变压器9型国家标准低95.5%,比H级绝缘干式变压器9型国家标准低97.2%。在顺利通过了国家变压器质量监督检验中心的检测后,该高温超导变压器已于2005年12月在新疆特变公司并网试验运行。科技日报于2006年2月6日以“最新发现与创新”为标题报道了630kVA高温超导电力变压器的挂网试运行。图3是安装在新疆特变公司的630kVA三相高温超导非晶合金铁心配电变压器。
早在1997年,电工所就成功研制出一台25kJ(300A/220V)超导储能样机,2005年应用超导重点实验室又完成了100kJ/25kW超导限流—储能系统的研制(图4),并进行短路和电压补偿实验。这是完全具有自主创新的新型超导电力装置,实现了多种功能的有机集成。
在中国科学院知识创新工程的支持下,应用超导重点实验室开展了1MJ/0.5MVA高温超导储能系统的研制,它包括高温超导磁体系统、制冷系统、电力电子系统和在线监测系统等。其储能线圈是由44个Bi2223双饼线圈组成,电感为6.4H,运行电流560A,运行在4.2K下(图5)。该储能系统已于2007年安装在门头沟变电站,并将进行改善电能质量的试验运行。
在开展超导电力装置研究同时,应用超导重点实验室还进行了超导电力应用关键技术研究,开展了超导电力装置的引入对电力系统动态特性的影响、含电力系统中超导电力装置的动态特性研究以及与超导电力装置结合的电力电子技术、低温技术和应用超导材料研究等,取得了较好的成绩。2002年应用超导重点实验室与清华大学共同承担了国家自然科学基金重点项目“高温超导电力技术基础研究”课题研究,这方面的研究对促进超导电力技术实际应用具有关键的作用;2003年在国家杰出青年科学基金的支持下,开展“超导限流—储能系统的研究”,结合超导技术的发展和现代电力电子技术,首次提出了多功能超导电力装置的原理,即将超导限流器的功能与超导储能系统集成起来,从而形成超导限流—储能系统;2005年应用超导重点实验室一位博士还获“全国百篇优秀博士论文”奖。
三、超导电力技术发展前景及要解决的问题
提高电力系统的稳定性、可靠性、供电品质一直是电力系统要解决的重要问题,超导电力技术是从根本上为降低电力系统损耗、提高电力系统输送能力、有效限制故障短路电流、提高电网的安全性和改善电力系统动态特性开拓新的技术途径。采用超导电力技术,不仅可以大大提高单机容量和电网的输送容量并大大降低电网的损耗,而且还可以明显改善电能的质量、提高电力系统运行的稳定性和可靠性、降低电压等级、提高电网的安全性、降低电网的占地面积和电网的造价及电网的改造成本,并使超大规模电网的实现成为可能。不仅如此,通过大容量的超导输电系统,可将排污的发电厂建在煤矿和油田附近或将核电站建在比较偏远的地区,从而改善人类生存环境的质量。通过超导储能,还可大大改善可再生能源的电能质量,并使其与大电网有效地联结。