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二十一世纪若干电工新技术产业化展望
发布时间:2008-7-20 22:04:21浏览次数:3932次 

1引言
    电工(电工学、电工技术)是研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术,以及电力生产和电工制造两大工业生产体系。这个比较古老的工程学科大约起始於十九世纪的中、后期,经历了近一个半世纪的发展,壮大成长为有多分支学科的重要技术科学领域,其发展水平成为衡量社会现代化程度的重要标志。
    在电力生产、电工制造与其他工业发展的需要,国防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、新材料发展的基础上,二十世纪下半叶发展起来了多种电工新技术,成为近代电工科学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,有一些已发展成了新兴产业或对传统产业的技术改造发挥了重大作用,另一些将为二十一世纪电力生产、电工制造、交通运输及其它工业的发展带来重大革新性的变化,导致一些新兴高技术产业的产生与壮大。无论从国民经济的发展,还是科学技术的进步的角度看,电工新技术的发展都有着重大的意义。表1上示出了二十世纪下半叶电工新技术发展的概况,包括其主要分支,产生与发展的基础,以及支持其发展的当前主要资金来源。
表1 二十世纪下半叶电工新技术发展的概况

新技术的发展到实现产业化必须具备一定的条件,主要是:(1)技术必须充分成熟,能形成可靠的产品;( 2)有着明确的社会与经济发展需求的牵引;( 3)与己有技术及产品相比较,有着明显的技术与经济的优越性。二十世纪下半叶发展起来的电工新技术有些己形成了高技术产业,如机电控制,电力电子,计算机辅助设计等,有些仍在发展,本文就可能形成重大产业的若干新技术做一些介绍,包括:可再生能源发电,高速磁悬浮列车,强磁场应用与超导电力。
2可再生能源发电
    二十一世纪,人类期望着进入经济、社会与生态环境持续协办调、稳定发展的新时代。能源与电力的可持续发展具有重大的意义。可再生能源,包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能,是广泛存在,用之不竭,最终可依赖的初级能源。随着化石能源逐渐耗竭,它在人类能源持续发展中的作用日益增大,在能源供应中的份额将逐步提高,进而成为人类持续协调、稳定发展的支柱。做为非商品能源,可再生能源在我国应用己有数千年的悠久历史。做为商品能源,虽还处於初始阶段,近二十多年来取得了十分令人鼓舞的进展。图1上示出了已取得良好共识的地球上总可用能源的历史发展情况与预测。显然,我们已开始进入由化石能源与核裂变能源为主转入可持续的可再生能源为主的新时期,整个过程将持续2- 3个世纪。与全世界一样,对于我国未来能源的可持续供应,可再生能源是极为重要的。


图1人类能源持续发展的历程

表2示出了我国电力发展的现状与二十一世纪上半叶的预测。虽然,日前非水能的可再生能源发电的总装机容量仅有约四十万千瓦,预期2020年将增至约2千万千瓦,约占全国总装机容量的2. 5% 。2050年将达到1亿千瓦,占5- 7%。可再生能源发电已开始迅速发展,无疑它将成为我国电力工业的重要组成部分和可再生能源利用中最重要的方面。我们应该更加注意做好这方面技术,产业与商业化的准备,打好基础。

   除水力发电外,可再生能源发电包括风力发电、太阳热发电、太阳光伏发电、生物质能发电、地热发电、海洋能发电等多种形式,近一十多年来,取得了日新月异的进展。
    全世界联网运营的风力发电总容量1997年己达620万千瓦,最高年增容达130万千瓦,美国的装机总容量达172万千瓦,欧洲的规模更大,一些发展中国家如印度也在积极发展。风力田的建设投资已降至1000美元/千瓦,低于核电投资,且建设时间可低于一年,其电能成本己达5美分/度,与煤电成本相接近,预期2000年可降至4美分/度,2010年一一3. 5美分/度,世界范围内的风电发展高潮己经到来,美国预计2010年总装机将达3千万千瓦。我国从八十年代起,作为边远地区农牧渔民的家用电源,已有约15万台,总容量约1. 7万千瓦的0.1—5千瓦的微型与小型风力发电机组在运行,80%在内蒙占。有30多个厂家在生产有关装备,年产达约3万台,已达到了商业化。作为海岛及边远无电地区的独立电源,数千瓦至数十千瓦的风力发电站,包括风光,风-柴互补电站,已在多处示范运行。八十年代中后期以来,联网风电场得到了迅速发展,使风力发电真正进入了电力系统运营。至1998年底已建成了19个风电场,总容量22. 3万千瓦,单台机组最大容量600千瓦。最大的新疆达板城风电二场有111台机组,5. 75万千瓦总容量,建设投资约1万元/千瓦,电能成本约0. 7元/度。风电场己进入了高速发展阶段,预计2000年总容量将达近40万千瓦。
    太阳光伏发电有着无转动部件、使用维修简便,规模可大可小等一系列重大优点,其应用范围遍及各行各业,从几十瓦的便携式电源到兆瓦的联网电站。八十年代以来,单晶硅、多晶硅和非晶硅光电池的产业和应用得到了迅速发展。1997年,全世界使用的光伏电源总装机容量达28万千瓦,年产量达9万千瓦,其组件价格已由1972年的500美元/峰瓦降至4美元/峰瓦,电能成本由1980年的0.9美元/度降至0. 25美元/度,晶体硅电池的能量转换效率己提高到16-17%,寿命可长达30年。世界各主要国家投入了大量资金来发展光伏技术与应用,期望在2010年能将组件价格降至1.5美元/峰瓦,电能成本降至7-8美分/度。为推进光伏技术商业化,美国于1997年春开始了百万屋顶计划,准备至2010年在325个城市的一百万建筑的屋顶上安装300万千瓦的光伏系统。全世界己有6个兆瓦级的联网光伏电站,最大容量为6450千瓦。我国于1958年就开始了光伏电池的研究发展工作,七十年代中期开始建立光伏电池产业,八十年代中后期起先后从美国、加拿大引进了七条生产线,使硅片生产能力达1. 25兆瓦/年,组件生产能力达4. 4兆瓦/年,1996年的实际产量达1. 87兆瓦。国产光伏电池的效率与售价(40元/峰瓦)己与国际水平接近。近年来,光伏电源的市场以不低于20%的速度在增长,其应用领域包括小功率电源、通信、石油、海岛与边远无电地区及民用等多方面,不完全统计,我国累计用量己达13100千瓦,其中通信占50%,农村与边远无电地区占30%,民用与工业用各占10%。为边远无电地区供电,已建成15座光伏电站,最大的是1998年投入运行的西藏安多100千瓦光伏电站。
    太阳能热发电发展了槽式、塔式、盘式三种系统,技术上均已达到了可实用的程度。八十年代中期至九十年代初,美国加州先后建成了九套槽式发电装置,总容量达35万千瓦,平均利用率约3000小时,发电总效率为13一16%,建造投资己降达3000美元/千瓦,电能成本11美分/度,积累了十多年联网运营的经验。大规模推广应用受到经济性的限制,正在朝着降低投资至1300美元/千瓦,电能成本至5美分/度的方向进行着积极的努力。1万千瓦的塔式发电系统和5- 25千瓦的盘式系统正处于示范运行阶段,并在积极推进其商业化。在我国,进行过少量太阳热发电的研究工作,未能达到实际应用。
    生物质能发电采用采伐业废弃物,造纸和木材加工的废弃物,稻壳、甘蔗渣等农业废弃物,牲畜粪便,城市垃圾等为原料,进行燃烧产生蒸汽发电,它同时具有重大的环境意义。目前,美国生物质发电站的总容量己达1000万千瓦,其中利用林业与农业废弃物约760万千瓦,250万千瓦利用城市垃圾,1989年一年内就增加了184万千瓦。共有500多个装置,平均规模为2万千瓦,最大7. 5万千瓦,平均效率约20%,电价为8- 12美分/度。正在积极发展一些高效的生物质能发电方法。我国处于初期发展阶段。已得到实际应用的有燃烧蔗渣或稻壳的发电站、稻壳气化发电和沼气发电。蔗渣与稻壳燃烧电站主要在两广地区,共有380余套机组在运行,累计装机约80万千瓦,建设投资约6000元/千瓦。它们多属于糖厂或稻米加工工厂独立的自备电站,季节性运行,一般不上电网。已建成100多稻壳气化发电系统,容量为60-240千瓦,主要在江苏、浙江、湖北、湖南等稻米集中产区,投资约3000元/千瓦,发电成本0.25元/度,经济效益较好。我国沼气有很大发展,年产沼气14.7亿米3,已有一些小型沼气发电装置,共约80处,总装机2560千瓦。在生物质汽化,液化与城市垃圾处理与发电方面也开展了一些研究发展与示范工作。
    地热发电自1904年出现以来,目前全世界的总容量己达近700万千瓦,预期2000年可
达1000万千瓦。其中美国装机273. 3万千瓦,占世界总容量的40%,它的盖塞斯地热电站
是世界最大的,种达208万千瓦,目前仍发150万千瓦。菲律宾的地热电站达105万千瓦,占该国总装机容量的巧%。当前运营的地热电站都是干蒸汽型或地下热水型(闪蒸发电或双循环发电)两种类型,正在积极研究发展全流发电和干热岩体发电。我国共建成9座地热电站(不包括台湾),经历了初期的中低温双循环和西藏的高温发电两个阶段,目前有5座电站在运行,总容量2.8万千瓦。最大的是西藏羊八井电站,总装机2.514万千瓦,工作温度145~172℃。
    海洋能发电目前已较大规模应用的是潮汐发电,法国朗斯电站最大,24万千瓦。海洋温差发电与波浪能发电还处于试验与示范阶段。我国共有8座潮汐电站在运营,总容量1. 1万千瓦。最大的是浙江江厦电站,总容量3200千瓦。在波浪能发电方面,己开始少量应用示范工作。
    目前,除水电外,全世界可再生能源发电的总容量约为3000-4000万千瓦,占全世界总装机容量的约1%。美国约占其总容量的2%,我国占全国电力总容量约0.4%。
    我国可再生能源开发应用方面存在的主要问题在放虽然产业的形成与发展已取得了良好的成绩,但总起来说仍处放初始阶段。降低造价和培育市场是发展中的最主要任务,要致力於技术与生产能力的提高和在向市场经济过渡同时发展市场的基础设施。存在的主要问题是:(1)由大量较小的独立研究设计单位与厂家从事研究发展与生产工作,机构分散与相匀_不陇调,阻碍着技术的改进,产品质量的提高和服务的改善,以及商业经验的积累;( 2)由於价格高,经济竞争力较差,市场需求尚低,应用规模小,尚未达到规模经济的程度;( 3)虽然政府为促进新能源产业的发展己制定和实施了一些支持与优惠政策,但仍然不足,特别是研究与发展经费短缺和信贷与风险投资缺乏。这些问题需在今后发展中努力解决。为了能满足我国二十一世纪上半叶的发展需求,实现较大规模的产业化,还需做出很大的持续努力。首先,必须大力加强研究、开发与示范工作,提高设备与系统的性能与质量,增长寿命,特别要在降低价格方面狠下功夫;第一,必须大力发展相应产业,如大型风机厂,光伏电池厂及其它相关工厂,期望今后的建设发展能主要立足于国内;第二,鉴于近期内建设投资与电能成本还比较大,必须制定优惠政策,使它们给用户与电网供电时,在经济上最少能够自持;第四,必须大力推进国际合作。
3高速磁悬浮列车
    整个人类客运交通发展的历史是一个速度不断提高的历史。每一种新型交通工具的出现和重大技术的突破都伴随着速度的显著提高,二十世纪在这方面尤为突出。飞机、汽车与火车均在不断地刷新其速度的记录,高速磁悬浮列车发展尤为令人瞩目。    
传统轮轨铁路的运营速度经过一百多年的发展,达到了时速300- 350公里,速度的进一步提高受到了轮轨支承和受电弓供电的限制。高速磁悬浮列车用电磁力将列车浮起而取消轮轨,采用长定子同步直线电机将电供至地面线圈,驱动列车高速行驶,从而取消了受电弓,实现了与地面没有接触、不带燃料的地面时示,克服了传统轮轨铁路的主要困难。从60年代起,日本、德国以强大的国家研究发展计划,投入数十亿美元资金,经过长期持续努力,使高速磁悬浮列车技术成熟到可以建造实用运营线的程度,最高时速己达550公里。从而,人类地面客运的速度可望在一十一世纪中前期达到每小时550公里的新水平,使高速地面交通的发展继续长足前进。
    日本与德国分别发展成熟了超导电动式(图2)与常导吸引式(图3)两种类型的高速磁浮列车技术。前者采用先进的低温超导磁体技术,悬浮气隙可达10厘米,适应性较好,易于达到更高速度;后者悬浮气隙约1厘米,与现有工业技术衔接较好,技术比较成熟。超导电动式列车采用安装在车上的低温超导线圈和地面上沿线铺设的常导磁浮与导向线圈,进行磁悬浮、直线电机激磁和导向控制;常导吸引式列车采用安装在车上的常导电磁铁和地面上沿线铺设的磁浮与导向铁轨进行磁悬浮、直线电机激磁和导向控制。两者均采用长定子直线同步电动机进行驱动,激磁绕组位于车上,地面上沿线连续铺设长定了二相电枢绕组。供电均采用万千瓦级电力电子变频电源,实时切换到列车所在的区段上,按列车速度进行频率调节。列车控制在地面进行,需将列车的位置与速度信息实时地输至控制室,采用最先进的信息与计算机控制系统。高速列车的成功是当代磁悬浮、直线驱动、低温超导、电力电子、计算机控制与信息技术等高新技术发展与综合集成的结果,它的实用化又必将带动一系列相关高技术产业的形成与发展。

图2日本超份磁悬浮列车截而图


图3德国高速磁浮列车截而图

    己经证实的高速磁悬浮列车的主要特点与优势是:(1)克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍,发展前景更加广阔;( 2)是当今唯一能达到运营时速500公里的地面客运交通工具,其优越性不可取代;(3)能耗低;(4)噪音小;( 5)启动停车快,爬坡能力强,选线自由度较大;( 6)安全、舒适、维打‘少。
    时速可达500公里的高速磁悬浮列车主要适用于长距离、大城市间、大流量的客运。它在各国客运交通中的地位取决于该国的国情,最主要的是客运发展的需求及已有交通系统的发展状况。各国都应从各自的国情出发,研究确定自己的发展战略。
    我国是否需要高速磁悬浮列车与如何预测我国铁路网的需求和发展紧密相关。最近铁道部经济规划研究院路网研究所李宏等同志发表了二十一世纪上半叶我国铁路网需求与总规模的预测研究结果,并提出了发展设想。他们建议:我国铁路网总规模将由目前的6. 5万公里增至12万公里,由二部分组成,即:约0. 8万公里的高速客运专线网;约2. 2万公里的客货混跑快速客运网;约9万公里的普通铁路网。图4示出了所建议的高速客运专线网示意图,并示出了主要枢纽城市的现有人日和城市间距离。显然,当前问题的关键在于二十一世纪上半叶我国将建造的、目前为零、全长近8000公里的高速客运专线网应该采用时速500公里的高速磁悬浮列车还是时速300公里的高速轮轨列车,这是决定我国是否需要高速磁悬浮列车的基础。
    我国需要发展高速磁悬浮列车就在于它最适合我国高速客运专线网的发展,这是因为:
    1)我国幅员辽阔,人日众多。目前考虑的主要客运专线(京沪一一1320公里,京广港澳一一2550公里,哈大一一940公里.,徐州宝鸡一一1030公里,浙赣一一940公里.,津沈一一703公里,沪杭一一194公里,大多在1000公里以上。时速500公里的磁悬浮列车比时速300公里的高速轮轨列车在旅客选择民航或铁路中具有显著的优越性。高速磁悬浮的投资与运营成本和高速轮轨相差不多,其更高速的优越性必然会使其成为优先选择的方案。
2)我国至今尚无客运专线,高速客运网的形成大约需半个世纪的持续努力,这恰恰是我国在交通领域实现技术跨越发展、发挥后发优势、后来居上的重要机遇。虽然高速磁悬浮技术不如高速轮轨成熟,但只要我们统一认识,下定决心,认真抓紧工作,实现高速磁悬浮是完全可能的。


图4我国高速客运专线网示意图

    3)高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术前沿的发展,这些高新技术本身又将为新兴产业的形成和经济发展起着重要的作用。我国及时抓住高速磁悬浮体系的发展,将为我国在二十一世纪相关产业发展中处于前列奠定良好基础。
    为积极推进高速磁悬浮列车技术在我国的发展与应用,近期内应进行二方面的工作,即:(1)建设一条试验运营线;(2)有效地组织起我国自身的研究发展与产业化队伍;(3)拟定发展规划,进行实用长大干线可行性研究。可喜的是,最近在建设试验运营线方面取得了重大进展,中德签订了进行上海示范运营线可行性研究的合作协议,线路选定为由上海浦东机场至浦东火车站,全长约35公里,设计时速定为505公里,可行性研究将於今年内完成,力争明年开工,尽快完成建设,投入运行。我国引进技术、消化吸收与自主开发,产业化工作正在努力争取列入国家“十五”攻关重大项日计划,给予稳定有力的支持。这样,我国的高速磁悬浮工作将从二十一世纪初开始真正起步,快速前进,当它在我国二十一世纪上半叶建设的全长约 8000公里的高速客运专线网中占有主导地位时,无疑,高速磁悬浮列车制造,直线驱动系统,大功率变频电源以及先进智能化的计算机通信与监控系统将成为重大的新兴产业进入电工制造业行列。
4强磁场应用
    六十年代发现了实用超导材料,八十年代出现了性质优良的钱铁硼永磁材料,使人们可以不耗费很大的电功率获得大体积持续的强磁场,发展超导与永磁强磁场技术是二十世纪下半叶电工新技术发展的一个重要方面。在各国高能物理、核物理、核聚变,磁流体发电等大型科技计划推动下,整个技术得到了良好的发展。低温妮钦合金及妮三锡复合超导线与钱铁硼永磁材料己形成产业,可进行批量生产。人们已研制成功了15特斯拉以下各种场强,各种磁场形态,大体积的可长期可靠运行的强磁场装置,积极推进着强磁场在各方面的应用。
    1998年3月投入运行的日本名古屋核融合科学研究所的核聚变研究用的大型螺旋装置(LHD)是当今超导磁体技术水平的典型代表。装置本体外径13. 5米,高8. 8米,总重约1600吨,其中4. 2K冷重约850吨。它有两个主半径3. 9米,平均小半径0. 975米,绕环10圈的螺旋线圈,三对内径分别为3. 2, 5. 4和10. 8米的极向场螺竹线圈,中心磁场前期为3特斯拉(4. 2K}) ,后期为4特斯拉(1. 8K) ,磁场总储能将达16亿焦耳。超导强磁场装置需在液氦温度下运行,从使用出发,努力减少漏热以降低液氦消耗和研制配备方便可靠的低温制冷系统有着重要的意义。经不断努力改进,一些零液氦消耗和无液氦的超导磁体系统已在可靠的使用,它们只需配有小型的制冷装置即可持续运行,不需专人维护,使应用范围大大扩大。
    我国在超导与永磁磁体技术方面也进行了长期持续的努力,奠立了良好基础,研制成多台实用磁体系统,有些已在使用,具备了按照需求设计建造所需强磁场装置的能力。中国科学院电工研究所研制成功的磁流体发电用鞍形一极超导磁体系统(中心磁场4特斯拉,室温孔径0. 44米,磁场长1米,磁场储能8. 8兆焦耳)和空间反物质探测谱仪用大型钱铁硼永久磁体(中心磁场0. 13特斯拉,孔径1. 1米,高0. 8米)代表着我国当今的技术水平,无液氦磁体系统的研制工作也在积极进行中。
    随着超导与永磁强磁场技术的成熟,强磁场的多方面应用也得到了蓬勃发展,与各种科学仪器配套的小型强磁场装置己形成了一定规模的产品,做为磁场应用技术的核磁共振技术,磁分离技术与磁悬浮技术继续开拓着多方面的新型应用,形成了一些新型产品与样机,磁拉硅单晶生长炉也成为产品得到了实际应用。
    医疗用磁成像装置已真正成为一定规模的产业,全世界已有几千台超导与永磁磁成像装置在医院使用,我国也有永磁装置在小批量生产,研制成功了几台0.6- 1.0特斯拉的超导装置。除继续扩大医疗应用外,正在努力开拓应用磁成像装置放工业生产过程监测与食品选择,最近,日本进行了用放检测西瓜糖含量与空穴及用放辨别Salmon鱼雌雄性的实验,取得了有意义的结果。用放高岭土提纯的超导高梯度磁选机已有十余台在生产运行,磁拉硅单晶生长炉也己开始使用,但尚未形成规模,中国科学院电工研究所与低温工程中心种在九十年代初研制成功超导磁分离工业样机,试制成功了两套单晶炉用超导磁体系统,为产品的形成奠定了基础。
    总起来说,超导与永磁磁体技术已经成熟到可以提供不同场强,形态的大体积强磁场装置,开始形成了相应的高技术产业,但大规模产业的形成与发展还有赖放积极地进一步开拓强磁场应用,特别是可能形成大规模市场产品的开拓,根据不完全的了解,目前主要进行的工作有:
    1)在材料科学方面
    ( 1)热固性高分子液晶材料强磁场下的性能及应用
    国际上在0_巧特斯拉磁场范围内对高分了液晶材料的取向行为、热效应、磁响应特性、固化成型过程等方面进行了研究,并作其力学性能和磁场的关系的定量分析,应用前景十分看好。
    ( 2)功能高分子材料在强磁场作用下的研究
    国际上高电导率的高分子材料、防静电及防电磁辐射高分子材料的研究和应用取得了很大进展,某些材料纤维的电导率经强磁场处理后,可达铜电导率的1/ 10,是极具潜力的二次电池材料。在防静电服和隐形技术方面电磁波吸收材料己用于军工领域。
    ( 3)强磁场下金属凝固理论与技术研究。
    ( 4) N dFeB永磁材料的强磁场取向
    在N dFeB永磁材料加压成型过程中,采用4- 5特斯拉强磁场取向,可大大提高性能,国外己开始实际应用。
    2)在生物工程与医疗应用方面
    ( 1)血液在强磁场下性能的改变及对生物体的影响
    国际上研究了人体及动物的全血的强磁场下的取向行为及其作用的主体一一血红细胞的作用机制;血液在强磁场下流变性能的变化;血纤维蛋白质在强磁场下的活性变化及对生物代谢作用的影响;人血在强磁场中所受磁力、磁悬浮特性和光吸收特性。
    ( 2)蛋白质高分子在强磁场下的特性及其应用
    国际上研究了磷脂中缩氨酸在强磁场下的取向作用;肌肉细胞蛋白质在磁场中的磷代谢过程;神经肤胺酸在强磁场下的结构改变及蛋白质酞胺与氢的交换等。
    (3)医疗应用
    除继续发展人体成像系统外,近年来国际上还研究了在4- 8特斯拉强磁场下血纤维蛋白质的活性以及对血竹中血栓溶解的影响;强磁场及磁场梯度对血纤维蛋白的溶解过程的影响;强磁场对动物血细胞的活性及其对心肌保护特性的影响;外加磁场对血小板流动性能的影响及其在医疗上的应用等。
    3)在工业应用方面
    除继续积极进行强场磁分离技术、磁悬浮技术的发展与应用外,近年来,国际上还研究了磁场对石油滞粘性能的影响及对原油的脱蜡作用;研究了磁场对水的软化作用及改善水质的作用;研究了外加磁场对改善燃油燃烧性能及提高燃值的作用;通过在强磁场中的取向提高金属材料的强度和韧性;通过表面吸出排除杂质、提高金属质量等。
    4)在农业应用方面
    国际上研究了外磁场对农作物种了的萌发与生长的影响及其作用机制;研究了磁场与农作物种了的萌发与生长的定量关系;研究了磁场与促进萌发与生长有密切关系的酶的活性与代谢作用;研究了生物酶在磁场下的合成作用以及对作物遗传变异的影响;研究了磁化水对促进作物生长的作用及磁性肥料的研究和应用。
    随着强磁场技术与装备的进一步完善,已有应用的进一步发展和积极开拓新应用,特别是具有大规模市场前景的产品的发展,可以期望,二十一世纪中强磁场应用将发展成为一个强有力的新兴产业。
5超导电力
    六十年代初研制成功了实用超导体,人们就已普遍认识到,这将引起整个电力工业与电工制造业的重大革命性变化,因为,在任何电工装备中,将铜、铝导线换成电阻为零的超导线都可能带来重大的效益与优越性,从而,激发起发展超导电力技术的积极性。六、七十年代,由放当时的NbTi与NbsSn复合超导线只适用放直流与慢脉冲工作状态,各国的超导电力研究发展计划集中在作为电网调峰及提高稳定性用的超导储能,采用超导激磁绕组的同步发电机与单极电机和超导输电。八十年代初,当将超导丝径降至小於微米发现超导线可用放工频交流时,立即开始了一些超导工频电力装备的研究发展,包括超导变压器,超导故障限流器和定子绕组也是超导的全超导发电机。八十年代后期,发现了高临界温度超导体,使装备的运行温度可由液氦温度(4. 2K)提高到液氮温度(77K ),全世界集中了很大力量来将高临界温度超导体做成实用的超导线并提高其性能,取得了可喜的进展,铋系(Bi 2223)导线在77K,自场下的临界电流密度己提高到70千安/厘米2,已能生产长达数公里的长线。从而,由九十年代中期开始,高临界温度超导电力应用得到了越来越大的重视,由於临界磁场不高,研究发展工作集中在超导输电,超导故障限流器与超导变压器。
    二十多年超导电力的研究发展做出了一些优异的成绩,奠立了良好的基础。在低温超导方面,八十年代初美国建成了用於提高其西部电力输电线路稳定性的30兆焦超导储能系统,使线路输送功率极限增加了40万千瓦,试验运行超过1200小时证明了超导储能装置可在电力系统中可靠工作,储能兆焦耳的微型超导储能装置己形成了产品,已有儿套在示范运行,提高供电可靠性与质量,日本一直坚持超导同步发电机的研究发展,1988至1998年花了十年时间研制成功了70兆伏安的样机,在大阪电站连续试验联网运行了1000小时,取得了很大成功。在工频超导方面,法国和日本相继研制成功了220千伏安和500千伏安的变压器以及6. 6千伏//1.5千安、40千伏/ 315安、 6. 6千伏/2千安的超导故障限流器。在高临界温度超导方面,美国采用Bi 2223/Ag带状导线己研制成功长30米、115千伏、2千安的三相交流超导电缆,日本研制成功了长50米、66千伏、2千安电缆,欧洲ABB公司于1997年4月在日内瓦电力公司一家电厂内安装了一台用Bi 2223/Ag导线制成的18. 7千伏/420伏,630千伏安的三相变压器投入了试验运行,美国IGC和W aukesha公司研制成功了13. 8千伏/6. 9千伏,1兆伏安的单相变压器,日本九州大学也研制成功了6. 6千伏/3. 3千伏、500及800千伏安的变压器,在故障限流器方面进行了多方案的积极研制,做成了多台样机,进行了试验。我国在超导储能,超导同步发电机,单极发电机,高临界温度超导电缆与故障限流器方面也进行过一定工作,有了良好的开端。
    展望二十一世纪产业化,可以预期:
1)微型超导储能装置己成为产品,其应用可望有所扩大,逐步形成产业。中型(107~108焦耳)储能装置作为提高输电与电力系统稳定性与传输能力的措施可能实现少量示范应用,待其实际效益与可靠性证实后,也可能形成少量产品。
2)普遍认为,超导故障限流器有可能最早成为产品,得到较广泛的应用,因为对限流器的需求范围很广,数量较大。鉴於超导限流器有多种方案,正在研制发展,需要努力使它们达到技术成熟,特点与优势明显,可供用户选用。
    3)超导电缆的主要优势在放高电流密度与传输能力,可能在大城市大容量供电中首先得到应用,如东京电力公司所考虑的那样。其应用一方面决定於技术与经济的成熟性,另一方面决定放合适对象的选择。
    4)超导变压器有着一系列明显的优点,温度变化小,寿命长,无燃烧危险,绝缘好等,其应用决定放与现有变压器经济性能的比较,需要认真论证分析与示范。如美国宣称的30兆伏安以上超导变压器在经济上已比现有变压器优越成立,则可能很快发展成为重要产业。
    至放超导电力产业化的速度有着不同的估计,乐观者认为可能在2005~2010年就开始形成一些产业,悲观一些的估计还需20至30年。无可争议的是廿一世纪将是超导电力实现产业化的时代。
6结束语
    电工技术己经是高度产业化的技术,其发展速度远远低放新兴的信息技术与生物工程技术,但电工新技术仍在发展成熟,同样导致新兴高技术产业的产生。人类各种技术也是持续协调发展的,希望电工新技术的发展也能得到相应的重视与支持。

 

 

 
 
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