电工电子技术发展概况
集成电路分类 |
集成度 |
举例 |
小规模集成电路 SSI |
1~10 个门/片或10~100个元器件/片 |
集成门电路、集成触发器 |
中规模集成电路 MSI |
10~100 个门/片或100~1000个元器件/片 |
译码器、编码器、选择器、计数器、寄存器 |
大规模集成电路 LSI |
100~1000 个门/片或1000个~10 万个元器件/片 |
中央处理器、存储器、接口电路 |
超大规模集成电路 VLSI |
大于1000个门/片或大于10万个元器件/片 |
在一个硅片上集成一个完整的微型计算机 |
超导体在电力系统中的应用
1 超导电缆
电力电缆是超导技术在电力系统中很有发展潜力的应用之一。相同截面的超导电缆载流量大约是普通铜芯电缆的3~5倍,电能损耗极小,而重量要轻得多。因此和普通电缆相比,超导电缆输送容量大、损耗小,电网的电压等级可以大大下降。人口稠密的大城市在供电电压不变的情况下,要在有限的空间内扩大电力输送容量以满足迅速增长的电力需要,在原有地下管道内用超导电缆替代常规的铜芯电缆是解决方案之一。3条单相长130 m、24 kV,输送电流达2.4 kA的超导电缆,现正在美国底特律市的Frisbie变电站敷设,这将是世界上第一条正式投入商业运行的超导电缆。
这条超导电缆由世界最大的电缆制造商之一Pirelli电缆公司和美国超导公司ASC合作研制,其中关键的超导体是由银合金的陶瓷化合物BSCCO(铋-锶-钙-铜-氧化物)构成,这种带状超纯化合物在超导状态下的电流密度极高,尺寸仅4mm宽、0.2 mm厚。超导薄带绕在一柔性空心芯管上,外层覆盖有保温材料,最外层则是常温下的绝缘介质和保护外套。电缆中心是流动的液态氮制冷剂,要将超导体冷却至大约-200℃左右,电缆在运行中需要配备制冷维护系统。预计这条电缆将于2001年初正式投运,若结构设计采用低温绝缘介质,则输送容量将会进一步提高。此外,美国Southwire公司的12.5 kV/1.25 kA超导电缆即将在美国乔治亚州安装,日本东京电力公司的66 kV/2 kA超导电缆也已通过试验。
2 超导变压器
如果用超导材料替代铜来作变压器绕组,变压器的重量就会大大减轻,噪声大大减小,而且因不用变压器油而无火灾之忧,即使发生泄漏,液态氮蒸发到空气中对环境也无害,并且变压器工作在低温下其使用寿命要长得多,更重要的是进一步减少了损耗,过载能力强且对系统过流有限制作用。美国Waukesha公司在1997年就研制了1 MVA的超导变压器。
绕制线圈的超导材料采用极细的复合多芯线,高低压绕组均置于液态氮中,而铁芯则于处常温下。因液态氮的冷却成本较低,为简化结构,有的超导变压器将绕组和铁芯全部置于液氮容器内。还有的结构设计是在绕组导线中流动制冷剂。该公司已计划于2001年中期在美国威斯康新州投运一台正常容量5 MVA、过载容量10 MVA/26.4 kV的超导变压器。ABB公司的一台三相18.7 kV/630 kVA的超导变压器绕组也是采用BSCCO材料,液氮冷却温度为77 K,铁芯为常温,已在瑞士的日内瓦配电网中成功运行2年多时间。
3 超导电机
超导发电机具有更高的发电效率,更小的重量和几何尺寸。1977年美国电力研究院(EPRI)就开始1200MVA超导发电机的概念设计,1994年美国GE公司在美国能源部的资助下,开始100 MVA超导发电机的研制。由于发电机采用超导转子其产生的磁场强度大大高于同容量普通发电机。这一方面大幅度减小了定子铁芯的尺寸,有利于提高定子绕组的绝缘水平,另一方面也提高了发电机的端电压,甚至可取消升压变直接将发电机并入电网运行,而损耗要比普通发电机下降50% 以上。
超导发电机的另一个突出特点是有利于改善系统的稳定性。一般来说,发电机的电抗越小,系统就越稳定。超导发电机的电抗大约只有普通发电机的1/4左右,因此在系统电抗相对较小时,系统的稳定极限增加了约4倍。
另外对超导电动机的实用化研究也取得很大进展,美国Reliance公司的150 kW、1 800 rpm超导电动机已通过试验,更大容量的745~3 730 kW超导电动机正在研制中。
4 超导限流器(SFCL)
在电力系统中使用的限流器应具有这样的功能:在正常运行时几乎没有损耗,而一旦系统发生故障时又能瞬间限制短路电流,当故障电流消失后又立即恢复正常状态。超导限流器就具有这样的功能。在正常情况下超导限流器处于超导状态,损耗极小;而在系统发生故障时又能立即转为非超导状态,这种导电状态的跃变可在小于1 ms内完成,进而限制短路电流维持系统稳定。电力系统采用超导限流器后系统设备的短路容量值可大为减少,从而增大电网的输送容量与规模,减少设备投资。
目前已有基于各种工作原理的超导限流器问世。这种限流器实质上是一个次级绕组短路的变压器,系统电流通过初级绕组,次级绕组是一个超导环,它所产生的磁通几乎完全抵消了初级绕组产生的磁通,因此正常工作情况下的阻抗极小;系统故障时的短路电流将使次级绕组的电流密度超过临界值而不再超导,不能再抵消初级绕组产生的磁通,初级绕组阻抗变大而限制了短路电流;系统故障消失后又可恢复正常。
超导限流器是目前电力系统中应用较成功的超导电力设备,ABB公司的1.2 MVA磁屏蔽型三相超导限流器1997年就已投入实际运行,它可在几ms时间内将60 kA的短路电流限制到约700 A。美国Lockheed Martin公司研制的15 kV/20 kA超导限流器已于1999年在美国加州Edison变电站投入试验运行。
5 超导储能器(SMES)
超导储能是通过流过超导线圈的直流电建立磁场,将电能以LI2/2的电磁能形式储存于磁场中。释放能量时又将电磁能转换成交流电能,其能量的释放速度非常快,通常仅需几ms 。因为超导的直流电阻几乎为零,所以这种能量的储存不会有损耗,它的转换效率高达95%,而抽水储能的转换效率仅为70% 左右。因此,超导储能与抽水蓄能、蓄电池储能、飞轮储能等其他储能形式相比具有转换效率高、速度快,不受建造场地限制等优点。在大电网经济运行储能不足的情况下,具有很大的潜在市场。
由于超导储能器可向电网提供较大的瞬时功率,这在正常工作情况下,系统电流经大功率电子变换器转换成直流注入超导线圈,以电磁能形式储存起来,当电网出现波动时检测控制系统立即发出释放能量的信号,此时储存的能量在极短的时间内经变换器转化成交流电输出,以满足系统的要求。
目前,美国Wisconsin电力公司已在有特殊电压稳定要求的配电网中投运了6个针对用户的小型超导储能器,美国超导公司首次向奥地利一家铝厂出口的超导储能器也于2000年4月开始安装,以解决当地的电压波动问题。
对稳定系统电压、增加系统阻尼、提高系统的动态和静态稳定性也大有好处。在美国就已有一个用30 MJ的超导储能器来消除大功率远距离输电网中低频振荡的实例。