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160千伏超导直流限流器抢占科学高地 实现100%国产化

    2020年12月10日 18:37     来源:中新网广东

  12月的汕头,海风吹拂, 南澳岛上一个个巨大的风力发电机徐徐转动;山脚下南方电网广东电网汕头金牛换流站里,供电人员正围绕着一个形似“巨型胶囊”的物体在作业——这,就是世界首台160千伏超导直流限流器——作为南方电网牵头的国家重点研发计划成果,它让每一度清洁的能源安全稳定地输入电网。

柔直巡维中心站运行人员对试运行中的超导直流限流器本体开展巡视。(陈旭 摄)
柔直巡维中心站运行人员对试运行中的超导直流限流器本体开展巡视。(陈旭 摄)

  “毫秒级”瞬间启动 有效降低故障电流

  南澳岛是风力资源“富矿”,为了让耸立在岛上的200多台大风车发出的绿色风能顺利接入电网,进而发挥其最大价值,早在2013年,世界上第一个多端柔性直流输电工程——南澳±160千伏多端柔性直流输电示范工程就投运于此。项目投产后,随着越来越多的风能并网,这个“超级工程”需要应对的故障电流也随之增大。如何保障电网安全运行?超导直流限流器的研发设计走进了专家的视野。

  “如果柔直系统发生故障,我们需要及时用断路器隔离故障。故障电流越小,则越容易断开。”南方电网广东电网电力科学研究院专家介绍,超导直流限流器作为限制故障电流的一种装置,可以将故障电流限制到较低水平,为断路器切断故障创造最好的条件,大大提高隔离故障效率的同时降低成本,提升大容量柔直输电系统的安全性和可靠性。

  在金牛换流站里,这个形似“巨型胶囊”、重达82吨的超导直流限流器便是利用超导独特的“零电阻”和“超导态-正常态转变”特性,可以不依赖任何监测装置、在感应到故障电流的瞬间响应触发,自动完成全部限流保护过程,并在故障清除后自动恢复超导特性。专家解释:“这家伙在正常运行时就像一根隐形的导线,没有电阻,一旦发生短路故障,将在1毫秒的时间内迅速转为大电阻,起到限制故障电流的作用,这就是超导的奥妙。”

  数千次试验攻破超导带材 100%国产化领跑全球

  超导功能显著,研发却不容易,最大的困境莫过于超导材料“卡脖子”。

  “超导材料要同时满足‘零电阻’和‘高电阻’两个条件,必须针对挂网柔直系统的目标量身打造,这就意味着需要依靠大量的实验数据。”项目技术负责人、南方电网电力科技股份有限公司专家宋萌介绍。为了得到符合项目要求的超导材料,研发团队搭建了大电流冲击平台,对上百种带材进行了超过千次的冲击实验,“各项性能参数是相互制约,每一次冲击都要从细微的变化反推背后的因素,得出定量化的参数修正指标,我们至少分析了上万组数据。”

  有了参数的支撑,材料的制备环节也是一大难关。面对只有万分之一头发丝厚度的十多个涂层,上百道制作工艺,项目团队在1年多的时间里完成了近300项制备参数的调整、超过5000次对照试验,终于成功研制出高性能双面封装高温超导带材(YBCO超导带材),其综合性能超过了国际同类产品,并实现批量化自主生产。

  历时三年研制的超导直流限流器实现了100%自主研发,形成了包括“高性能双面封装带材”、“高耐压跨温区高压套管”等在内的多项创新技术亮点,申请了超过70个发明专利,夺取了超导电力装备制造和应用的全球制高点。 

  值得一提的是,限流器应用于高压直流电网中还是世界首次。超导项目专家们查阅了大量资料,并在之前积累的交流电阻型限流器的经验基础上,开展了进一步的研究,在新的超导材料和直流环境下,对其结构和线圈进行了重新设计和优化改造,最终研发了新型超导线圈结构,解决了绝缘、应力与传热三位一体综合性难题,为维护大电网稳定提供了有力支撑。

  利用“长板”优势 持续拓宽超导领域研究

  柔直系统有了“巨型胶囊”的加持,将有利于充分释放柔直输电潜能,让更多的绿色风能并网运行,助力广东打赢防治污染攻坚战。截至目前,南澳柔直系统累计输送广东电网清洁风电11.91亿度,相当于减排二氧化碳91.4万吨。

  “我国科技领域的发展,需要形成我们的‘长板’优势,没有‘长板’就没有话语权。电网的这个超导直流限流器就是我们的‘长板’。”国家最高科技奖获得者赵忠贤院士等超导领域和电力行业的多位院士、专家来这里“看望”巨型胶囊的时候曾指出,160千伏超导直流限流器已成为我国超导应用技术发展新的里程碑,在提高我国超导技术领域的自主供给能力的同时,为超导限流器在交直流输配电网推广应用奠定了基础,并为保障大电网柔性互联安全提供了工程技术解决方案。

  未来,南方电网广东电网公司在继续聚焦超导限流器这个先发优势的基础上,积极拓宽研究领域,其中包括超导电缆、超导储能、超导风机等前沿科技,为电网的稳定运行提供强大的科技支持。(沈甸)



[编辑:黄强]

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