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由于太陽能發(fā)電站和風(fēng)力發(fā)電場的并網(wǎng)發(fā)電量越來越高，短路可能導(dǎo)致極大電流流過電力傳輸線，損壞電網(wǎng)設(shè)備。西門子研究人員想要通過開發(fā)超導(dǎo)故障電流限制器來阻止這種損害。這些系統(tǒng)不僅可靠，而且能穩(wěn)定電網(wǎng)。很快，這樣一個(gè)系統(tǒng)原型將在奧格斯堡安裝。

將之放置到基片且卷到雙線繞組上時(shí)，Manfred Wohlfahrt確保嵌入式陶瓷超導(dǎo)材料，可精確到百分之零點(diǎn)零一毫米以內(nèi)。

目前，圍繞著德國能否實(shí)現(xiàn)其在2020年將溫室氣體二氧化碳的排放量降至1990年時(shí)的40%這一目標(biāo)，一場激烈爭辯正在展開。與此同時(shí)，德國將繼續(xù)快速擴(kuò)大對可再生能源的使用。德國能源和水行業(yè)協(xié)會(huì)（BDEW）計(jì)算，2014年上半年，可再生能源發(fā)電滿足了德國用電需求的28.5%，這創(chuàng)下了新的紀(jì)錄。然而，生態(tài)電能的增加，對電網(wǎng)運(yùn)營商構(gòu)成了挑戰(zhàn)，因?yàn)槊恳粋€(gè)新的風(fēng)電或光伏發(fā)電系統(tǒng)都是必須直接并入電網(wǎng)的新增發(fā)電設(shè)施。

盡管在正常條件下，這對電網(wǎng)運(yùn)營商來說不是問題，但如果因挖掘機(jī)意外割斷電力電纜或一棵樹倒在電力傳輸線上而造成短路，情況就會(huì)變得棘手起來。直接并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)電設(shè)施越多，流過電力傳輸線的電流就越多。如果短路電流不受阻礙地流入開關(guān)站，那么，它會(huì)將電力傳輸線從底座上扯下來，并燒焦電網(wǎng)設(shè)備。

為了防止發(fā)生這種損害，連接至變電站和開關(guān)站的電力傳輸線都配備了名為“電路斷路器”的短路保護(hù)裝置。如果短路電流快速升高，那么，電路斷路器通常會(huì)中斷這股電流，但前提條件是，這股電流并不太大。能夠像電阻器那樣抑制短路電流的串聯(lián)電抗器，可以針對特別強(qiáng)大的短路電流，提供額外的保護(hù)。但串聯(lián)電抗器的問題是，它們不僅能在出現(xiàn)短路時(shí)起到電阻器的作用，而且在正常運(yùn)行中，它們也是電阻器。這導(dǎo)致了電能的不斷浪費(fèi)。通常，一個(gè)串聯(lián)電抗器線圈可以造成多達(dá)25千瓦的電能損耗。專家估計(jì)，全球共安裝了最多4.4萬個(gè)串聯(lián)電抗器。也就是說，這在全球范圍內(nèi)造成了高達(dá)110萬千瓦的電能損耗，這相當(dāng)于一座大型電廠的發(fā)電量。

西門子研究人員Hans-Peter Krämer博士正在檢查每一個(gè)雙線超導(dǎo)繞組，以確保精確纏繞

短路

傳統(tǒng)電網(wǎng)是層級系統(tǒng)。這意味著大型集中式發(fā)電站向高壓系統(tǒng)輸送電能，然后，電能從這里依次流向中壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)，最終輸送給企業(yè)和住戶。諸如變壓器等電網(wǎng)設(shè)備，將這些傳統(tǒng)的電壓等級系統(tǒng)分隔開來，以確保安全地將電能從發(fā)電設(shè)施輸配給用戶。然而現(xiàn)在，越來越多的沼氣和太陽能發(fā)電系統(tǒng)及風(fēng)電場等，都在直接向中壓系統(tǒng)輸送電能。因此，短路可能引起中壓系統(tǒng)難以承受的強(qiáng)大電流。正因如此，電網(wǎng)運(yùn)營商不得不隨著可再生能源并網(wǎng)發(fā)電量的增長，相應(yīng)地升級其系統(tǒng)。僅憑串聯(lián)電抗器不能*解決問題，這不僅由于它們會(huì)造成電能損耗，而且因?yàn)榇?lián)電抗器形成的電阻會(huì)導(dǎo)致壓降。

真正需要的是一個(gè)不同于串聯(lián)電抗器的，不會(huì)在正常運(yùn)行中產(chǎn)生任何電阻的替代解決方案。這樣的解決方案確實(shí)存在，那就是由釔鋇銅氧化物構(gòu)成的特種陶瓷高溫超導(dǎo)材料。這些超導(dǎo)體在輸送電能時(shí)不會(huì)形成任何電阻，因而幾乎不會(huì)造成任何損耗。然而，要實(shí)現(xiàn)這樣的屬性，必須降低它們的溫度。通常是利用溫度在零下196攝氏度的液氮來做到這一點(diǎn)。盡管冷卻過程也要耗用電能，但專家估算，超導(dǎo)故障電流限制器的能耗，僅為相當(dāng)?shù)拇?lián)電抗器造成的電能損耗的一半。

德國能源和水行業(yè)協(xié)會(huì)（BDEW）計(jì)算，2014年上半年，可再生能源發(fā)電滿足了德國用電需求的28.5%，這創(chuàng)下了新的紀(jì)錄。

嵌在金屬中的超導(dǎo)繞組被嵌入基片。

高溫超導(dǎo)材料

20多年來，西門子中央研究院的科學(xué)家一直在潛心研究高溫超導(dǎo)材料。專攻超導(dǎo)材料的西門子研究人員Peter Kummeth表示，“我們認(rèn)為，可再生能源發(fā)電量的增長，意味著使用超導(dǎo)故障電流限制器的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。”超導(dǎo)組件和應(yīng)用研究小組組長Tabea Arndt補(bǔ)充道，“直到幾年前，超導(dǎo)材料的價(jià)格依然主要取決于制造商的研發(fā)成本。從技術(shù)推動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌隼瓌?dòng)，已經(jīng)使得超導(dǎo)應(yīng)用不僅在技術(shù)上具有吸引力，而且在經(jīng)濟(jì)上也頗為誘人。”超導(dǎo)體優(yōu)點(diǎn)突出。它們不像串聯(lián)電抗器那樣存在電阻，因此，超導(dǎo)體能提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。如果電網(wǎng)運(yùn)營商使用了更多串聯(lián)電抗器，那么，它們將不得不更換網(wǎng)絡(luò)組件或者安裝電氣組件，以加強(qiáng)電網(wǎng)。超導(dǎo)體則免去了這些額外工作。

2014年10月，西門子中央研究院與奧格斯堡市政供電公司聯(lián)合發(fā)起了一個(gè)合作項(xiàng)目。作為面向創(chuàng)新能源和高能效技術(shù)的BayINVENT計(jì)劃的一部分，這個(gè)項(xiàng)目得到了巴伐利亞州經(jīng)濟(jì)、媒體、能源和技術(shù)部的支持。項(xiàng)目合作伙伴希望在2015年年底之前，制作一個(gè)超導(dǎo)故障電流限制器原型。這個(gè)電流限制器將被安裝在奧格斯堡市政供電公司電網(wǎng)與MTU onsite energy（簡稱“MTU”）運(yùn)行的一座設(shè)施之間。MTU是熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備制造商，它定期在其工廠內(nèi)對熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。同風(fēng)電場一樣，這家企業(yè)將其熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)的電能輸送到奧格斯堡電網(wǎng)中。有時(shí)候，這些試驗(yàn)會(huì)實(shí)現(xiàn)最高1.5萬千瓦的尖峰發(fā)電量，這大致相當(dāng)于5臺大型風(fēng)電機(jī)組的總發(fā)電量。

在-192 C的低溫下，在超低溫真空環(huán)境中纏繞的超導(dǎo)繞組，
幾乎不產(chǎn)生任何電阻

超導(dǎo)故障電流限制器

奧格斯堡的這個(gè)超導(dǎo)故障電流限制器，將結(jié)合使用串聯(lián)電抗器。正常運(yùn)行狀態(tài)下，電流將從超導(dǎo)體中流過，不會(huì)產(chǎn)生任何電阻或損耗。這種情況下，在某種意義上，超導(dǎo)體對電流而言是“隱形的”。然而，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，強(qiáng)大的短路電流將導(dǎo)致超導(dǎo)體失去其超導(dǎo)屬性，突然變成電阻器。這將導(dǎo)致超導(dǎo)體溫度升高，仿佛在烤面包機(jī)里受到烘烤。此外，這會(huì)觸發(fā)開關(guān)，將電流引向串聯(lián)電抗器，后者則照常充當(dāng)電阻器。當(dāng)然，沒有串聯(lián)電抗器，超導(dǎo)體也能起作用。然而，當(dāng)串聯(lián)電抗器抑制電流的同時(shí)，超導(dǎo)體可以冷卻并再生，這樣一來，它很快就能自動(dòng)恢復(fù)功能。

噴射式熔斷器是串聯(lián)電抗器的另一個(gè)替代之選。同家用保險(xiǎn)絲盒中的老式陶瓷熔絲一樣，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，它們會(huì)燒斷，從而避免造成任何損害。Kummeth的同事Christian Schacherer在西門子中央研究院負(fù)責(zé)電流限制器的研發(fā)，她說：“不過，必須人工更換這種熔絲，這是一個(gè)相當(dāng)耗時(shí)費(fèi)力的過程。相比之下，我們的裝置中的熔絲則能在超導(dǎo)體再度冷卻之后，自動(dòng)恢復(fù)其初始狀態(tài)。”西門子中央研究院研制的電流限制器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全，也就是說，它不會(huì)發(fā)生故障。短路會(huì)令其溫度升高并自動(dòng)變成電阻器。Schacherer表示，“另一方面，噴射式熔斷器，則可能出現(xiàn)故障，無法熔斷。”

為了高效地?cái)r截短路，將在奧格斯堡市政電網(wǎng)與MTU擁有的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠之間安裝超導(dǎo)故障電流限制器

蓄勢待發(fā)的市場

西門子中央研究院的研究人員在工作中得到了西門子能源管理集團(tuán)的協(xié)助。輸電集團(tuán)創(chuàng)新部門的負(fù)責(zé)人Peter Menke為他所在集團(tuán)分析了新的超導(dǎo)故障電流限制器的業(yè)務(wù)前景。他說：“盡管這種超導(dǎo)材料的質(zhì)量很好，并且不得不冷卻系統(tǒng)，但這種超導(dǎo)裝置的價(jià)格接近于現(xiàn)有的采用串聯(lián)電抗器的開關(guān)站，后者具備我們熟悉的缺點(diǎn)。”雖然有這些優(yōu)點(diǎn)，但電網(wǎng)運(yùn)營商不大可能更換其全部現(xiàn)有系統(tǒng)，購置數(shù)千臺這種新型超導(dǎo)故障電流限制器。Kummeth表示，“這種裝置非常適于增長型利基市場。我認(rèn)為，最初，它將主要用于制造業(yè)，制造廠商必須保護(hù)其工廠電網(wǎng)不被短路損害。對于處理大量材料的化工、石化工藝及反應(yīng)裝置，更是如此。這種設(shè)施發(fā)生故障，會(huì)造成巨大損失。”原則上，超導(dǎo)故障電流限制器可用于將幾乎任何數(shù)量的子網(wǎng)絡(luò)合并起來。譬如，可以將中壓供電網(wǎng)絡(luò)連接至企業(yè)電網(wǎng)，或太陽能發(fā)電站和風(fēng)電場。

Peter Menke認(rèn)為，這款新型超導(dǎo)故障電流限制器的研發(fā)成本相對低廉，僅為幾百萬歐元，這是非常了不起的。相比之下，西門子中央研究院在20世紀(jì)90年代末期，在德國研究部的幫助下開發(fā)的上一代產(chǎn)品的總研發(fā)預(yù)算則高達(dá)5,000萬德國馬克（約合2,500萬歐元以上）。舊系統(tǒng)研發(fā)成本高得多的原因之一，是必須專門為此開發(fā)超導(dǎo)材料。如今，西門子研發(fā)人員充分利用了與其他超導(dǎo)應(yīng)用的協(xié)力效應(yīng)，使用了可以在市場上購得的材料。研究人員使用這些應(yīng)用和材料，打造了一個(gè)外形小巧、性能強(qiáng)大的故障電流限制器，這是一個(gè)巨大的成就。目前，奧格斯堡電網(wǎng)正在安裝這個(gè)故障電流限制器。