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由于太陽能發(fā)電站和風力發(fā)電場的并網發(fā)電量越來越高，短路可能導致極大電流流過電力傳輸線，損壞電網設備。西門子研究人員想要通過開發(fā)超導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。很快，這樣一個系統(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，Manfred Wohlfahrt確保嵌入式陶瓷超導材料，可精確到百分之零點零一毫米以內。

目前，圍繞著德國能否實現其在2020年將溫室氣體二氧化碳的排放量降至1990年時的40%這一目標，一場激烈爭辯正在展開。與此同時，德國將繼續(xù)快速擴大對可再生能源的使用。德國能源和水行業(yè)協會（BDEW）計算，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)下了新的紀錄。然而，生態(tài)電能的增加，對電網運營商構成了挑戰(zhàn)，因為每一個新的風電或光伏發(fā)電系統(tǒng)都是必須直接并入電網的新增發(fā)電設施。

盡管在正常條件下，這對電網運營商來說不是問題，但如果因挖掘機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，情況就會變得棘手起來。直接并網發(fā)電的發(fā)電設施越多，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站，那么，它會將電力傳輸線從底座上扯下來，并燒焦電網設備。

為了防止發(fā)生這種損害，連接至變電站和開關站的電力傳輸線都配備了名為“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。但串聯電抗器的問題是，它們不僅能在出現短路時起到電阻器的作用，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，一個串聯電抗器線圈可以造成多達25千瓦的電能損耗。專家估計，全球共安裝了最多4.4萬個串聯電抗器。也就是說，這在全球范圍內造成了高達110萬千瓦的電能損耗，這相當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雙線超導繞組，以確保精確纏繞

短路

傳統(tǒng)電網是層級系統(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。諸如變壓器等電網設備，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)電設施輸配給用戶。然而現在，越來越多的沼氣和太陽能發(fā)電系統(tǒng)及風電場等，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)難以承受的強大電流。正因如此，電網運營商不得不隨著可再生能源并網發(fā)電量的增長，相應地升級其系統(tǒng)。僅憑串聯電抗器不能*解決問題，這不僅由于它們會造成電能損耗，而且因為串聯電抗器形成的電阻會導致壓降。

真正需要的是一個不同于串聯電抗器的，不會在正常運行中產生任何電阻的替代解決方案。這樣的解決方案確實存在，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不會形成任何電阻，因而幾乎不會造成任何損耗。然而，要實現這樣的屬性，必須降低它們的溫度。通常是利用溫度在零下196攝氏度的液氮來做到這一點。盡管冷卻過程也要耗用電能，但專家估算，超導故障電流限制器的能耗，僅為相當的串聯電抗器造成的電能損耗的一半。

德國能源和水行業(yè)協會（BDEW）計算，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，西門子中央研究院的科學家一直在潛心研究高溫超導材料。專攻超導材料的西門子研究人員Peter Kummeth表示，“我們認為，可再生能源發(fā)電量的增長，意味著使用超導故障電流限制器的時機已經成熟。”超導組件和應用研究小組組長Tabea Arndt補充道，“直到幾年前，超導材料的價格依然主要取決于制造商的研發(fā)成本。從技術推動轉變?yōu)槭袌隼瓌?，已經使得超導應用不僅在技術上具有吸引力，而且在經濟上也頗為誘人。”超導體優(yōu)點突出。它們不像串聯電抗器那樣存在電阻，因此，超導體能提高電網的穩(wěn)定性和可靠性。如果電網運營商使用了更多串聯電抗器，那么，它們將不得不更換網絡組件或者安裝電氣組件，以加強電網。超導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合發(fā)起了一個合作項目。作為面向創(chuàng)新能源和高能效技術的BayINVENT計劃的一部分，這個項目得到了巴伐利亞州經濟、媒體、能源和技術部的支持。項目合作伙伴希望在2015年年底之前，制作一個超導故障電流限制器原型。這個電流限制器將被安裝在奧格斯堡市政供電公司電網與MTU onsite energy（簡稱“MTU”）運行的一座設施之間。MTU是熱電聯產設備制造商，它定期在其工廠內對熱電聯產設備進行試驗。同風電場一樣，這家企業(yè)將其熱電聯產設備生產的電能輸送到奧格斯堡電網中。有時候，這些試驗會實現最高1.5萬千瓦的尖峰發(fā)電量，這大致相當于5臺大型風電機組的總發(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，
幾乎不產生任何電阻

超導故障電流限制器

奧格斯堡的這個超導故障電流限制器，將結合使用串聯電抗器。正常運行狀態(tài)下，電流將從超導體中流過，不會產生任何電阻或損耗。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，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，這會觸發(fā)開關，將電流引向串聯電抗器，后者則照常充當電阻器。當然，沒有串聯電抗器，超導體也能起作用。然而，當串聯電抗器抑制電流的同時，超導體可以冷卻并再生，這樣一來，它很快就能自動恢復功能。

噴射式熔斷器是串聯電抗器的另一個替代之選。同家用保險絲盒中的老式陶瓷熔絲一樣，當電網發(fā)生短路時，它們會燒斷，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責電流限制器的研發(fā)，她說：“不過，必須人工更換這種熔絲，這是一個相當耗時費力的過程。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，自動恢復其初始狀態(tài)。”西門子中央研究院研制的電流限制器的另一個優(yōu)點是，它實現了本質安全，也就是說，它不會發(fā)生故障。短路會令其溫度升高并自動變成電阻器。Schacherer表示，“另一方面，噴射式熔斷器，則可能出現故障，無法熔斷。”

為了高效地攔截短路，將在奧格斯堡市政電網與MTU擁有的熱電聯產電廠之間安裝超導故障電流限制器

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的協助。輸電集團創(chuàng)新部門的負責人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)務前景。他說：“盡管這種超導材料的質量很好，并且不得不冷卻系統(tǒng)，但這種超導裝置的價格接近于現有的采用串聯電抗器的開關站，后者具備我們熟悉的缺點。”雖然有這些優(yōu)點，但電網運營商不大可能更換其全部現有系統(tǒng)，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型利基市場。我認為，最初，它將主要用于制造業(yè)，制造廠商必須保護其工廠電網不被短路損害。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絡合并起來。譬如，可以將中壓供電網絡連接至企業(yè)電網，或太陽能發(fā)電站和風電場。

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90年代末期，在德國研究部的幫助下開發(fā)的上一代產品的總研發(fā)預算則高達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)超導材料。如今，西門子研發(fā)人員充分利用了與其他超導應用的協力效應，使用了可以在市場上購得的材料。研究人員使用這些應用和材料，打造了一個外形小巧、性能強大的故障電流限制器，這是一個巨大的成就。目前，奧格斯堡電網正在安裝這個故障電流限制器。