2012年12月31日，值歲末年初、辭舊迎新之際，我國自主創(chuàng)新研制的世界第一臺220kV飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器，在國家電網(wǎng)天津石各莊變電站正式掛網(wǎng)運行。這一世界級的技術(shù)創(chuàng)新成果，其課題被列為國家“863計劃”項目，是以天津百利機電控股集團為主導(dǎo)與北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司、天津市電力公司合作研究與開發(fā)。

目前，這臺設(shè)備并網(wǎng)負(fù)載運行已經(jīng)6個月，經(jīng)檢驗測試各項性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期效果。如，高壓電氣絕緣油箱內(nèi)部壓力50kPa密封試驗時間大于72小時，快速響應(yīng)時間小于8毫秒，勵磁恢復(fù)時間小于600毫秒，溫升工頻耐壓、局部放電、雷電沖擊、聲級和絕緣電阻等試驗均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)備運行處于良好狀態(tài)。國家科技部組織專家組前往天津石各莊變電站，對“220kV/800A飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器的研究與開發(fā)”進行了現(xiàn)場考察和技術(shù)評審，見證了上述性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)，一致通過了這一項目驗收。

業(yè)內(nèi)專家稱，超導(dǎo)限流器是電網(wǎng)所需部件領(lǐng)域的前沿技術(shù)，許多發(fā)達(dá)國家都在加緊研發(fā)這種高新技術(shù)和產(chǎn)品。然而，真正拔得頭籌的當(dāng)屬天津百利機電控股集團等三方合作研制的220kV/800A飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器，它是目前世界上在電力系統(tǒng)實際應(yīng)用的電壓等級最高、容量最大、響應(yīng)時間最快、勵磁恢復(fù)時間最短的超導(dǎo)限流器，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。這一高技術(shù)新產(chǎn)品的成功掛網(wǎng)運行，是我國在全球取得這一前沿技術(shù)重大突破的標(biāo)志，使我國在發(fā)展超導(dǎo)限流器技術(shù)方面始終保持世界領(lǐng)軍地位，對推進我國超導(dǎo)限流器產(chǎn)業(yè)化具有十分重要的意義。

人所共知，電是現(xiàn)代社會的“血液”，電網(wǎng)安全運行關(guān)系國計民生。曾記得，2011年9月8日發(fā)生在美國南加州圣迭戈的大停電，中斷了近700萬人長達(dá)13小時的供電，導(dǎo)致當(dāng)?shù)卣麄€社會生產(chǎn)和生活陷于癱瘓，造成巨大經(jīng)濟損失，經(jīng)分析，這場事故是由輸電系統(tǒng)的故障所引發(fā)。據(jù)介紹，超導(dǎo)限流器是保障輸電安全的重要技術(shù)措施，可以說電網(wǎng)因它而安，光明因它而在。鑒于此，為倡導(dǎo)科學(xué)生活觀，在此，就超導(dǎo)限流器這一高技術(shù)新產(chǎn)品的知識及相關(guān)信息作以概述和普及。

超導(dǎo)限流器發(fā)展概述

言及限流器當(dāng)從“電”說起。隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對電力和供電質(zhì)量的需求不斷提高，輸、配電網(wǎng)規(guī)模及電網(wǎng)互聯(lián)程度的日益擴大，必然導(dǎo)致電網(wǎng)短路功率及故障短路電流迅速增大。故障短路電流的急劇增大，已成為制約現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。由于一般情況下電力系統(tǒng)短路電流可達(dá)到額定電流的20倍，而且呈現(xiàn)多個站點短路電流將超過斷路器的極限分?jǐn)嗄芰?，使電力系統(tǒng)電氣設(shè)備的安全系數(shù)設(shè)計值越來越大，從而大大降低了電力系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。因此，如何有效地控制故障短路電流并降低斷路器分?jǐn)嗳萘?，是?dāng)前電力系統(tǒng)面臨的重要課題?，F(xiàn)在，能夠抑制電網(wǎng)故障短路電流的手段很有限，在設(shè)備上常用的是高阻抗變壓器和限流空心電抗器等，在系統(tǒng)設(shè)計上常用的是把電網(wǎng)的規(guī)模變小或互聯(lián)程度降低。高阻抗變壓器可以在一定程度上降低電網(wǎng)的故障短路電流水平，但同時增加了電網(wǎng)傳輸損耗，對電能質(zhì)量會造成一定程度的不良影響。使用空心電抗器也存在類似的問題，而且把限流空心電抗器用于高電壓等級目前還存在著一些技術(shù)困難。在設(shè)計上降低電網(wǎng)互聯(lián)程度或減小電網(wǎng)規(guī)模與電力系統(tǒng)增強電網(wǎng)互聯(lián)，提高大電網(wǎng)輸電能力的發(fā)展趨勢是背道而馳的。

受全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境惡化及化石能源快速消耗等問題影響，當(dāng)今世界能源格局正在發(fā)生重大而深刻的變革，智能電網(wǎng)逐漸被世界各國所重視。

美國國家能源部（DOE）下屬西北太平洋國家實驗室（PNNL）發(fā)布的《智能電網(wǎng)：能源與二氧化碳收益評估》（TheSmartGrid:AnEstimationoftheEnergyandCO2Benefits）報告稱，截至2030年，智能電網(wǎng)對美國電能消耗和二氧化碳排放削減的直接貢獻將達(dá)到12%，間接貢獻將達(dá)到6%。而美國政府此前承諾的2020年溫室氣體減排量為17%。

美國電科院和相關(guān)組織的分析認(rèn)為，智能電網(wǎng)將承擔(dān)美國2020年碳減排目標(biāo)約一半的重任。

2009年9月22日，胡錦濤主席在聯(lián)合國氣候變化峰會上表示，到2020年我國非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到15％左右。2009年11月25日，國務(wù)院常務(wù)會議決定，到2020年中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%。2010年3月，溫家寶總理所作的《政府工作報告》明確，“大力開發(fā)低碳技術(shù)，推廣高效節(jié)能技術(shù)，積極發(fā)展新能源和可再生能源，加強智能電網(wǎng)建設(shè)”?？梢?，智能電網(wǎng)已成為目前世界發(fā)展的新趨勢、新方向。

為適應(yīng)這一新趨勢，我國電網(wǎng)公司從我國地域廣闊而致能源中心和負(fù)荷中心分布嚴(yán)重不均的國情出發(fā)，為保證中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，在歐美智能電網(wǎng)特征的基礎(chǔ)上，特別增加了“堅強”這一元素，構(gòu)建以特高壓骨干電網(wǎng)為核心，以信息化、數(shù)字化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上，兼顧各級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，通過試點和示范逐步向低壓配電網(wǎng)與用戶端展開，促進電網(wǎng)的安全、高效與開放。從強化堅強元素的發(fā)展戰(zhàn)略來看，目前我國電網(wǎng)在用的傳統(tǒng)限流元件已不能適應(yīng)堅強智能電網(wǎng)的需求，超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展及在電網(wǎng)的應(yīng)用越來越受到業(yè)內(nèi)專家的重視

目前，在高溫超導(dǎo)產(chǎn)品中，應(yīng)用于電力系統(tǒng)的主要有超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)儲能裝置、超導(dǎo)電機等，超導(dǎo)限流器是所有高溫超導(dǎo)產(chǎn)品中技術(shù)最成熟、應(yīng)用前景最好、產(chǎn)業(yè)化條件最完備的產(chǎn)品，成為智能電網(wǎng)的首選。不僅如此，超導(dǎo)電力技術(shù)不僅是一項民用技術(shù)，在國防安全方面也具有重大應(yīng)用價值，也可以用于艦船電力系統(tǒng)短路電流的限制。

超導(dǎo)限流器的功能

超導(dǎo)限流器的研究及應(yīng)用，標(biāo)志著一個國家電力工業(yè)的發(fā)展水平。

我國的電網(wǎng)一是容量大、二是電壓等級高，為了保證電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，就要防止電網(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)性的故障，尤其是短路故障的突發(fā)。因為，短路故障電流瞬間可達(dá)到額定電流的10倍、20倍，如果電網(wǎng)沒有保護裝置，會給電網(wǎng)設(shè)備造成沖擊而損壞，甚至引起電網(wǎng)癱瘓，給電網(wǎng)帶來很大的經(jīng)濟損失。解決這個問題有很多技術(shù)措施，其中，限流器就是一個很好的措施，它的解決方式是在電網(wǎng)整個系統(tǒng)中接入一個限流器，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障電流時呈現(xiàn)一個大的阻抗吸收故障電流，在電網(wǎng)中電壓等級越高其作用就越大。如：220kV、550kV、1000kV電壓等級都需要安裝限流裝置來保障電網(wǎng)的安全性和可靠性。

限流器并不是一個新技術(shù)，但有傳統(tǒng)型與超導(dǎo)型之分。傳統(tǒng)限流器是一個電阻性的元器件，要串入電網(wǎng)里，在電網(wǎng)沒有發(fā)生故障時它也要耗能；突發(fā)短路故障瞬間電流很大，其響應(yīng)速度很慢，使電網(wǎng)的安全保證受到局限；而且，限流器電壓等級越高其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，體積就越大?，F(xiàn)在，世界各國都在關(guān)注超導(dǎo)技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用，在正常情況下，超導(dǎo)限流器成零阻抗，耗能小，響應(yīng)速度快，它的獨到優(yōu)勢克服了傳統(tǒng)限流器的缺陷，保障了電網(wǎng)的安全性、可靠性。

超導(dǎo)限流器一般都是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)——正常態(tài)轉(zhuǎn)變的物理特性和一些輔助部件，在電網(wǎng)線路出現(xiàn)故障時形成一個適當(dāng)?shù)淖杩箒硐拗齐娏?，與普通的限流元件相比具有許多優(yōu)點：（1）動作快，有可能在亞毫秒級的時間內(nèi)做出反應(yīng)；（2）可以根據(jù)需要將故障電流限制在系統(tǒng)額定電流的兩倍左右；（3）它是串聯(lián)在電力系統(tǒng)中且呈超導(dǎo)狀態(tài)，因此在正常運行狀態(tài)下，多數(shù)的超導(dǎo)限流器只有極小的功率損失；（4）能自動觸發(fā)、自動快速復(fù)位，集檢測、觸發(fā)、限流于一體；（5）是一種靜態(tài)的限流器，結(jié)構(gòu)較為簡單；（6）當(dāng)超導(dǎo)限流器連接在幾個系統(tǒng)之間并相互通電時，能形成極穩(wěn)定的電力系統(tǒng)網(wǎng)，保證某一系統(tǒng)發(fā)生故障而不致于影響整個系統(tǒng)的正常運行，提高了系統(tǒng)的可靠性，而這種特性正是目前準(zhǔn)備大力發(fā)展的智能電網(wǎng)所需要的。

目前國際上超導(dǎo)限流器的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

超導(dǎo)限流器因具有極為獨特的優(yōu)點而為世界各國所矚目，特別是高溫超導(dǎo)材料迅速發(fā)展以后，專家們認(rèn)為超導(dǎo)限流器將是電力系統(tǒng)替代傳統(tǒng)限流器的首選。

現(xiàn)在，發(fā)達(dá)國家以及我國都在利用超導(dǎo)技術(shù)研究新型限流器，但采用的技術(shù)路線不同。目前，正在開發(fā)或接近實用的超導(dǎo)限流器有：無感電抗器型、三相電抗器型、混合型、電阻型、變壓器型、磁屏蔽型、飽和鐵芯電抗器型以及路橋型等多種。日本、法國、英國、美國等都投入人力、物力進行大量試驗研究并且取得了重要進展。

超導(dǎo)限流器的發(fā)展大致為三個階段：第一階段為超導(dǎo)限流器原理樣機的研制與試驗，驗證其原理可行性。第二階段為中低壓等級水平試驗樣機的研制和工程示范，目的是驗證工程技術(shù)可行性。第三階段向更具市場前景的高壓輸電網(wǎng)等級應(yīng)用發(fā)展，并最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，從各國的發(fā)展情況看大都向第三階段發(fā)展。

據(jù)相關(guān)信息考證，自上世紀(jì)90年代以來，日本東芝、法國耐克森、德國西門子、美國通用等諸多世界知名的電器制造商以及多家電器研發(fā)機構(gòu)，進行了不斷提升電壓等級和容量的超導(dǎo)限流器研發(fā)。如，1996年，ABB瑞士研究中心成功地研制出一臺1.2MW三相屏蔽型超導(dǎo)限流器，安裝在Lontsch變電站成功試運行近兩年。德國Zenergy公司開展了138kV飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器的研制，并將在公用電網(wǎng)運行測試。德國西門子公司研制的12MVA模型已順利通過實驗，目前正在研制12MVA樣機。由法國耐克森公司、德國西門子公司和美國超導(dǎo)體公司聯(lián)合研發(fā)的138kV/900A電阻型超導(dǎo)限流器，于2011年10月13日宣布成功進行了電網(wǎng)電壓等級的測試，但尚未掛網(wǎng)運行。

在我國，中國科學(xué)院電工研究所于2005年完成了一臺10.5kV/1.5kA橋路型超導(dǎo)限流器并在湖南婁底掛網(wǎng)運行。天津百利機電控股集團公司與北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司從2005年開始研究飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器，于2007年完成了35kV/90MVA超導(dǎo)限流器樣機的研制，2008年1月在昆明普吉變電站正式掛網(wǎng)示范運行，2009年完成了在線人工短路試驗。是當(dāng)時世界上掛網(wǎng)運行電壓等級最高、容量最大的超導(dǎo)限流器35kV/90MVA超導(dǎo)限流器的成功并網(wǎng)運行，使研發(fā)團隊方面掌握了一系列突破性的關(guān)鍵技術(shù)，為研制更高電壓等級的超導(dǎo)限流器奠定了基礎(chǔ)。

220kV/800A飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器的功能特性及技術(shù)水平

我們講，220kV/800A飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器達(dá)到國際領(lǐng)先水平，還不僅在于它的電壓等級最高、容量最大，重要的是在于自主創(chuàng)新的技術(shù)專長。其核心技術(shù)是，通過改變飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器恒定直流磁勢為速斷直流，繞組采用松耦合結(jié)構(gòu)和鐵芯不等截面設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，解決了一直以來困擾飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器的體積重量大、穩(wěn)態(tài)阻抗難以下降和直流勵磁回路感應(yīng)高壓沖擊等難題，形成14項專利，其中發(fā)明專利11項（含國外專利1項），實用新型專利3項，在國際發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇。

由于技術(shù)獨到，這一創(chuàng)新的飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器具有與其它超導(dǎo)限流器不同的四個特點：

1.電抗系統(tǒng)是飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器的主體部分，通過交、直流繞組耦合結(jié)構(gòu)、三相六鐵芯布局、切斷直流電源的限流方式、鐵芯磁路不等截面及高壓絕緣等設(shè)計，保證了限流器穩(wěn)態(tài)低阻通流和短路高阻限流的可靠實現(xiàn)，是限流器設(shè)計的核心內(nèi)容。

2.直流勵磁系統(tǒng)通過對超導(dǎo)繞組骨架優(yōu)化設(shè)計和直流勵磁控制回路設(shè)計解決了限流器鐵芯從深度飽和———非飽和——深度飽和的迅速轉(zhuǎn)換的難題。

3.制冷系統(tǒng)是確保直流勵磁系統(tǒng)中超導(dǎo)直流勵磁繞組部分處于液氮溫區(qū)，從而保證超導(dǎo)限流器的正常工作。通過對制冷系統(tǒng)的仿真設(shè)計及在線監(jiān)測設(shè)計，提高系統(tǒng)的智能化程度，確保了系統(tǒng)運行的可靠性。

4.監(jiān)控保護系統(tǒng)是超導(dǎo)限流器的配套設(shè)備，通過實時監(jiān)控超導(dǎo)限流器的制冷系統(tǒng)的熱工參數(shù)、直流勵磁系統(tǒng)和交流電網(wǎng)中的電氣參數(shù)，保證超導(dǎo)限流器系統(tǒng)正常工作，從而達(dá)到限制電網(wǎng)短路電流，改善電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性，保障電網(wǎng)以及電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行的作用。此外，監(jiān)控保護系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析等功能。實現(xiàn)遙調(diào)、遙測、遙信、遙控等功能，是智能電網(wǎng)實現(xiàn)智能化的重要組成部分。

市場前景

國際上普遍認(rèn)為，高溫超導(dǎo)限流器將是超導(dǎo)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的產(chǎn)品，將最早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。美國能源部已將超導(dǎo)限流器列為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，贊助三個高溫超導(dǎo)限流器研發(fā)項目。在英國，不僅有西門子公司生產(chǎn)的10多臺超導(dǎo)限流器聯(lián)網(wǎng)時運行，而且又從德國Zenergy公司購進一臺飽和型超導(dǎo)限流器。從應(yīng)用范圍來講，凡存在短路電流過大問題的場所均可使用超導(dǎo)限流器，像發(fā)電廠、輸電網(wǎng)、變電站和大用戶等均可應(yīng)用，超導(dǎo)限流器潛在的國際國內(nèi)市場巨大。

據(jù)中國電器工業(yè)協(xié)會提供的資料，“十二五”期間，我國發(fā)電裝機容量約14億kW，投產(chǎn)110kV及以上線路約46萬公里、變電容量約25億kVA，其中1000kV特高壓交流線路2.2萬公里，變電容量約2.2億kVA；直流線路2.9萬公里，變電容量約2.2億kVA；110～750kV交流線路41萬公里，變電容量約21億kVA。全國110kV及以上線路達(dá)到133萬公里，變電容量達(dá)到約56億kVA，電力工業(yè)投資將達(dá)5.3萬億元，比“十一五”增長68%。其中，規(guī)劃電網(wǎng)投資約2.55萬億元，占電力總投資的48%。

2009年5月，國家電網(wǎng)公司提出了以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的信息化、數(shù)字化、自動化和數(shù)據(jù)集中雙向互動化特征的堅強智能電網(wǎng)戰(zhàn)略。2010年進一步發(fā)布《國家電網(wǎng)智能化規(guī)劃總報告（修訂稿）》。“十二五”期間，將是智能電網(wǎng)建設(shè)全面推進的重要時期。到2015年末，智能電網(wǎng)設(shè)備將實現(xiàn)重大突破。在未來十年，智能電網(wǎng)領(lǐng)域?qū)⒓s有4萬億元的建設(shè)投資。預(yù)計2011年至2015年將新建改造8000座智能變電站（其中國家電網(wǎng)公司6200座），這一階段預(yù)計投資2萬億元。

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)的全面推進，必然要帶動與之相對應(yīng)的是發(fā)、輸、配、用電設(shè)備的快速發(fā)展，中國將成為全球最重要的電氣設(shè)備市場。根據(jù)中國電器工業(yè)協(xié)會預(yù)測，至2020年國內(nèi)超導(dǎo)限流器潛在的市場容量逾期超過1500億元。

另外，由于美國南加州圣迭戈的大停電而造成巨大的經(jīng)濟損失，美國、歐盟、日本等國家對電網(wǎng)互聯(lián)安全性和運行可靠性的重視程度不斷提高，超導(dǎo)限流器在國際市場潛在需求也不斷上升。據(jù)德國Zenergy公司估算，超導(dǎo)限流器全球市場規(guī)模每年將達(dá)50億美元。

綜上，超導(dǎo)限流器是一項發(fā)展前景良好、市場容量巨大的產(chǎn)品，市場前景十分廣闊。

天津百利機電控股集團是220kV飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器的主要研發(fā)方之一，是天津裝備制造業(yè)主體，位列中國企業(yè)500強。為迅速推進超導(dǎo)限流器產(chǎn)業(yè)化進程，借助良好的資本市場融資平臺，天津百利機電控股集團擬通過旗下實際控制的上市公司———天津百利特精電氣股份有限公司非公開發(fā)行股票，即定向募集資金等方式進行籌資，在天津建立超導(dǎo)限流器制造基地，以盡快讓超導(dǎo)限流器這項自主創(chuàng)新的國際領(lǐng)先技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為我國堅強智能電網(wǎng)建設(shè)服務(wù)。