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由于太陽(yáng)能發(fā)電站和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的并網(wǎng)發(fā)電量越來(lái)越高，短路可能導*大電流流過(guò)電力傳輸線(xiàn)，損壞電網(wǎng)設備。西門(mén)子研究人員想要通過(guò)開(kāi)發(fā)超導故障電流限制器來(lái)阻止這種損害。這些系統不僅可靠，而且能穩定電網(wǎng)。很快，這樣一個(gè)系統原型將在奧格斯堡安裝。

將之放置到基片且卷到雙線(xiàn)繞組上時(shí)，Manfred Wohlfahrt確保嵌入式陶瓷超導材料，可精確到百分之零點(diǎn)零一毫米以?xún)取?/p>

目前，圍繞著(zhù)德國能否實(shí)現其在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，一場(chǎng)激烈爭辯正在展開(kāi)。與此同時(shí)，德國將繼續快速擴大對可再生能源的使用。德國能源和水行業(yè)協(xié)會(huì )（BDEW）計算，2014年上半年，可再生能源發(fā)電滿(mǎn)足了德國用電需求的28.5%，這創(chuàng )下了新的紀錄。然而，生態(tài)電能的增加，對電網(wǎng)運營(yíng)商構成了挑戰，因為每一個(gè)新的風(fēng)電或光伏發(fā)電系統都是必須直接并入電網(wǎng)的新增發(fā)電設施。

盡管在正常條件下，這對電網(wǎng)運營(yíng)商來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，但如果因挖掘機意外割斷電力電纜或一棵樹(shù)倒在電力傳輸線(xiàn)上而造成短路，情況就會(huì )變得棘手起來(lái)。直接并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)電設施越多，流過(guò)電力傳輸線(xiàn)的電流就越多。如果短路電流不受阻礙地流入開(kāi)關(guān)站，那么，它會(huì )將電力傳輸線(xiàn)從底座上扯下來(lái)，并燒焦電網(wǎng)設備。

為了防止發(fā)生這種損害，連接至變電站和開(kāi)關(guān)站的電力傳輸線(xiàn)都配備了名為“電路斷路器”的短路保護裝置。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，可以針對特別強大的短路電流，提供額外的保護。但串聯(lián)電抗器的問(wèn)題是，它們不僅能在出現短路時(shí)起到電阻器的作用，而且在正常運行中，它們也是電阻器。這導致了電能的不斷浪費。通常，一個(gè)串聯(lián)電抗器線(xiàn)圈可以造成多達25千瓦的電能損耗。專(zhuān)家估計，共安裝了多4.4萬(wàn)個(gè)串聯(lián)電抗器。也就是說(shuō)，這在范圍內造成了高達110萬(wàn)千瓦的電能損耗，這相當于一座大型電廠(chǎng)的發(fā)電量。

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

短路

傳統電網(wǎng)是層級系統。這意味著(zhù)大型集中式發(fā)電站向高壓系統輸送電能，然后，電能從這里依次流向中壓系統、低壓系統，終輸送給企業(yè)和住戶(hù)。諸如變壓器等電網(wǎng)設備，將這些傳統的電壓等級系統分隔開(kāi)來(lái)，以確保安全地將電能從發(fā)電設施輸配給用戶(hù)。然而現在，越來(lái)越多的沼氣和太陽(yáng)能發(fā)電系統及風(fēng)電場(chǎng)等，都在直接向中壓系統輸送電能。因此，短路可能引起中壓系統難以承受的強大電流。正因如此，電網(wǎng)運營(yíng)商不得不隨著(zhù)可再生能源并網(wǎng)發(fā)電量的增長(cháng)，相應地升級其系統。僅憑串聯(lián)電抗器不能完*問(wèn)題，這不僅由于它們會(huì )造成電能損耗，而且因為串聯(lián)電抗器形成的電阻會(huì )導致壓降。

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成的特種陶瓷高溫超導材料。這些超導體在輸送電能時(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(lái)做到這一點(diǎn)。盡管冷卻過(guò)程也要耗用電能，但專(zhuān)家估算，超導故障電流限制器的能耗，僅為相當的串聯(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）計算，2014年上半年，可再生能源發(fā)電滿(mǎn)足了德國用電需求的28.5%，這創(chuàng )下了新的紀錄。

嵌在金屬中的超導繞組被嵌入基片。

高溫超導材料

20多年來(lái)，西門(mén)子中央研究院的科學(xué)家一直在潛心研究高溫超導材料。專(zhuān)攻超導材料的西門(mén)子研究人員Peter Kummeth表示，“我們認為，可再生能源發(fā)電量的增長(cháng)，意味著(zhù)使用超導故障電流限制器的時(shí)機已經(jīng)成熟。”超導組件和應用研究小組組長(cháng)Tabea Arndt補充道，“直到幾年前，超導材料的價(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)轉變?yōu)槭袌?chǎng)拉動(dòng)，已經(jīng)使得超導應用不僅在技術(shù)上具有吸引力，而且在經(jīng)濟上也頗為誘人。”超導體優(yōu)點(diǎn)突出。它們不像串聯(lián)電抗器那樣存在電阻，因此，超導體能提高電網(wǎng)的穩定性和可靠性。如果電網(wǎng)運營(yíng)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，以加強電網(wǎng)。超導體則免去了這些額外工作。

2014年10月，西門(mén)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)合作項目。作為面向創(chuàng )新能源和高能效技術(shù)的BayINVENT計劃的一部分，這個(gè)項目得到了巴伐利亞州經(jīng)濟、媒體、能源和技術(shù)部的支持。項目合作伙伴希望在2015年年底之前，制作一個(gè)超導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(jiǎn)稱(chēng)“MTU”）運行的一座設施之間。MTU是熱電聯(lián)產(chǎn)設備制造商，它定期在其工廠(chǎng)內對熱電聯(lián)產(chǎn)設備進(jìn)行試驗。同風(fēng)電場(chǎng)一樣，這家企業(yè)將其熱電聯(lián)產(chǎn)設備生產(chǎn)的電能輸送到奧格斯堡電網(wǎng)中。有時(shí)候，這些試驗會(huì )實(shí)現高1.5萬(wàn)千瓦的尖峰發(fā)電量，這大致相當于5臺大型風(fēng)電機組的總發(fā)電量。

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

超導故障電流限制器

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

噴射式熔斷器是串聯(lián)電抗器的另一個(gè)替代之選。同家用保險絲盒中的老式陶瓷熔絲一樣，當電網(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(mén)子中央研究院負責電流限制器的研發(fā)，她說(shuō)：“不過(guò)，必須人工更換這種熔絲，這是一個(gè)相當耗時(shí)費力的過(guò)程。相比之下，我們的裝置中的熔絲則能在超導體再度冷卻之后，自動(dòng)恢復其初始狀態(tài)。”西門(mén)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)現了本質(zhì)安全，也就是說(shuō)，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，則可能出現故障，無(wú)法熔斷。”

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

蓄勢待發(fā)的市場(chǎng)

西門(mén)子中央研究院的研究人員在工作中得到了西門(mén)子能源管理集團的協(xié)助。輸電集團創(chuàng )新部門(mén)的負責人Peter Menke為他所在集團分析了新的超導故障電流限制器的業(yè)務(wù)前景。他說(shuō)：“盡管這種超導材料的質(zhì)量很好，并且不得不冷卻系統，但這種超導裝置的價(jià)格接近于現有的采用串聯(lián)電抗器的開(kāi)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)運營(yíng)商不大可能更換其全部現有系統，購置數千臺這種新型超導故障電流限制器。Kummeth表示，“這種裝置非常適于增長(cháng)型利基市場(chǎng)。我認為，初，它將主要用于制造業(yè)，制造廠(chǎng)商必須保護其工廠(chǎng)電網(wǎng)不被短路損害。對于處理大量材料的化工、石化工藝及反應裝置，更是如此。這種設施發(fā)生故障，會(huì )造成巨大損失。”原則上，超導故障電流限制器可用于將幾乎任何數量的子網(wǎng)絡(luò )合并起來(lái)。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(yáng)能發(fā)電站和風(fēng)電場(chǎng)。

Peter Menke認為，這款新型超導故障電流限制器的研發(fā)成本相對低廉，僅為幾百萬(wàn)歐元，這是非常了不起的。相比之下，西門(mén)子中央研究院在20世紀90年代末期，在德國研究部的幫助下開(kāi)發(fā)的上一代產(chǎn)品的總研發(fā)預算則高達5,000萬(wàn)德國馬克（約合2,500萬(wàn)歐元以上）。舊系統研發(fā)成本高得多的原因之一，是必須專(zhuān)門(mén)為此開(kāi)發(fā)超導材料。如今，西門(mén)子研發(fā)人員充分利用了與其他超導應用的協(xié)力效應，使用了可以在市場(chǎng)上購得的材料。研究人員使用這些應用和材料，打造了一個(gè)外形小巧、性能強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。