超导电缆的发展(所有资料网上找到的,侵权删)

超导电缆的发展情况

什么是超导电缆

超导电缆是利用超导在其临界温度下成为超导态、电阻消失、损耗极微、电流密度高、能承载大电流的特点而设计制造的。其传输容量远远超过充油电缆，亦大于低温电缆，可达10000MVA以上，是正在大力研究发展中的一种新型电缆。由于超导体的临界温度一般在20K以下，故超导电缆一般在4.2K的液氦中运行。超导电缆的结构有刚性和可挠性两种形式，缆芯分单芯和三芯。设计时须充分考虑其组成材料的膨胀系数，以免电缆因热胀冷缩产生过大内应力而受损。超导电缆是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径，由于它的潜在优势如此诱人，所以各国科技工作者为此正在进行大量的研制工作。

发展过程中遇到的问题

超导体发展过程中，材料是生产一切物资的根本, 新材料则是其他产业振兴与发展的前提。因此, 解决能源问题势必要大力发展新材料事业。在众多的新材料中, 高温超导材料是不可小觑的一种力量。它以节能、环保、可替代多种材料而一枝独秀。可喜的是, 中国是继美国、丹麦之后, 世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。目前, 我国电力、通信、国防、医疗等方面的发展关键技术问题众多, 急需利用超导技术解决。同时我国工业发展对电能需求量日益增长。而电力资源和负荷分布不均, 因此长距离、低损耗的输电技术十分迫切。据韩教授统计, 假如能建立起一个全国性的电力网,由于无电阻,电力网中就无损耗,那么将节省10%左右因输送而造成的电力损耗。另外, 电力工业发展的需求越来越大, 市场发展对供电质量和可靠性的要求越来越高, 常规电力技术已越来越不能满足需要, 因此发展超导材料势在必行。

超导材料有着广阔的应用前景, 但要用超导材料来改进现有的科技工程又决非易事。科学家和工程师们所遇到的困难是如何使超导材料实用化, 即提高临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能, 制造出理想的超导材料。目前面临的主要问题如下:

1提高临界电流密度，目前, 高温超导材料的最突出的问题是在外加磁场下, 临界电流密度偏低。超导薄膜,一般是在弱磁场中工作, J c 值(~l06A /era )基本可满足电子器件的要求。但体材和线(带) 材的J c 值还远未达到实用化所要求的水平, 特别是在有外加磁场时, J c 急剧下降。科学家对影响J c 的原因和解决办法进行了大量研究。许多科学家都认为,影响J c 的主要原因是:(1)晶界间的弱连结; (2) 晶粒中的磁力线运动 .

2弱连结，造成弱连结的原因及弱连结的性质尚不十分清楚。一般认为是由于生成的晶体结构不佳、在晶界处存在位错、晶界处化学成份的改变及结晶的细微裂纹等原因使通道上的电流受阻。解决的方法

是使结晶沿a —b 导电层(CuO2层) 的方向择优生长, 采用长时问退火、熔融织构法或定向凝固法等制备大平行板式结晶。这种排成直线的多晶消除了在电流方向上的弱连结,解决了各向异性的问题

3磁力线运动，增强磁通钉扎力可解决磁力线运动问题。一般来说, 有效的磁通钉扎需要有足够的钉扎中心, 其尺寸要与超导相干长度相匹配。增强磁通钉扎力的方法有中子辐照、相分解、引入弥散相、化学掺杂等, 其作用都是引入钉扎中心。实验证明, 中子或质子辐照后, J c 可提高几十倍到近百倍实际上, 很难把弱连接和磁通蠕动完垒割裂开来, 对于超导实用化来说, 都是迫切需要解决的问题。

4 制备长线材，在实际应用中, 超导线材占有很大比重, 困此, 制备性能满足要求的高温超导线(带) 材是重点研究课题之。

陶瓷超导物质的脆性是其固有的特性, 但也不是不可克服的。现在常用办法是将高温超导粉末装入有廷性的金属套管中, 然后进行多道次拉拔。一般可采用铜或银包套, 阻银包套为最佳。因为高温超导化合物对氧含最十分敏感,在氧气氛下拉拔, 氧气要通过金属包套渗透到高温超导化合物内部。银的透气性较好, 又有好的延展性, 所现在多使用银套管(或称银鞘珐) 为了增加韧性, 也可以往超导粉末中掺人一定量的金属粉末(如银粉) 。有许多方法可制各线材, 如溶胶一凝胶法、纺丝法、芯线涤布法、真空镀膜法、溅射法、化学气相沉积法等等。所有方法制得的线l 材长度都达不到实用化的水平。

随着长度的增加, 高温超导的J c 降低。同时应该看到, 线材的长度不是孤立的问题,它与高温超导材料的合成、加工、连接等多种因素密切相关。

5经济效益，高温超导材料研究刚刚起步, 经济效益尚未提到议事日程, 而对于实用化来说,经济效益是必须考虑的问题近两年超导材料的制备成本已显著下降,例如, 钇系超导薄膜1989年的售价是1000~3000美元/片, 现在降到350美元/片; 铊系超导薄膜的价格从2950美元/cm 2下降到1000美元/cm2, 随之薄膜器件的价格也降低了。总的看来, 高温超导材料仍处于实验室研究阶段, 生产技术很不成熟, 目前技术改进的着眼点是提高性能指标, 而对经济效益的追求是更远一些的目标。

超导电缆的发展过程

高温超导电缆的发展历史20世纪初,荷兰低温物理学家卡麦林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)发现了超导现象并发现了汞、铟、锡和铅等金属超导体,超导体在超导状态下可以无电阻地传输电流。这一特性使人们在发现超导现象后立即想到利用超导体来制做传输电流的导线,这样可以避免由电阻产生的热损耗。但是不久后人们就发现用这些金属超导体制做的导线只能在传输很小的电流时才具有零电阻特性,当电流增大时又恢复了一般导体的电阻特性,这导致了利用超导体制做导线无电阻地传输具有实用意义的电流的做法以失败而告终。到了20世纪60年代,随着一些可以传输较大电流而仍能保持零电阻特性合金超导体的发现,人们利用超导体无电阻地传输电流的愿望才成为可能。20世纪六七十年代,人们开始尝试利用铌合金导线制做超导电缆。铌合金导线只有在温度低于-260℃时才处于超导状态,所以需要液氦作为冷却剂,液氦的价

格很高,这就使该类超导电缆丧失了工业化应用的可行性。20世纪80年代末,人们发现了超导转变温度在液氮气化温度(约-196℃)以上的铜基氧化物超导材料。因铜基氧化物超导材料的超导转变温度大大高于以前发现的元素或合金超导材料的超导转变温度,所以人们习惯将其称为高温超导材料。使用高温超导材料制做超导电缆,就可以在价格低廉的液氮冷却下无电阻地传送电能。高温超导电缆的出现使超导技术在电力电缆方面的工业应用接近于现实。目前市场上可以得到的用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套的铋系高温超导材料它的超导临界转变温度在-165℃左右。在处于液氮气化温度时,在每平方厘米的截面上可无电阻地通过8000～12000A的电流。目前世界上最大的生产厂家是美国超导公司(AmericanSuperconductor)其生产能力和产品技术指标都处于领先地位。我国的北京英纳超导技术有限公司的生产能力和产品技术指标也处于世界前列。多芯带材的市场价格是150～200美元kA·m。

高温超导电缆的基本结构高温超导电缆的基本结构与常规电缆有很大差异,其从内到外依次为:1.内支撑管。通常为罩有密致金属网的金属波纹管,以此做为超导带材排绕的基准支撑物,同时也用做液氮冷却循环管道;2.电缆导体。由铋系高温超导带材绕制而成,一般为多层;3.热绝缘层。通常由同轴双层金属波纹管套制,两层波纹管间抽真空并嵌有多层防辐射金属箔,其功能是使电缆超导导体与外部环境实现热绝缘,以保证超导导体安全运行的低温环境。4.电绝缘层。电绝缘层置于热绝缘层外面的,因其处于环境温度下,故习惯上被称为常温绝缘超导电缆(或热绝缘超导电缆),常温绝缘超导电缆的电绝缘层由常规电缆绝缘材料制作。电绝缘层置于热绝缘层里面的,在电缆处于运行状态时处于低温环境,故被称为冷绝缘超导电缆,这类电缆的电绝缘层需要用适合于低温环境的电气绝缘材料制造。5.电缆屏蔽层和护层。电缆屏蔽层和护层的功能与常规电力电缆类似,即电磁屏蔽、短路保护及物理、化学、环境防护等。常温绝缘超导电缆屏蔽层和护层的制作材料与常规电缆类似,冷绝缘超导电缆的屏蔽层可以用超导材料制作,护层与常规电缆相同。除上述主要元件外,高温超导电缆的结构中还可能包括一些辅助元件,例如电缆导体层间绝缘膜、约束电缆各部分相对位置的包层和调距压条等。高温超导电缆的运行条件与常规电缆有很大差异,与之配套的附件也与常规电缆的附件有很大区别。高温超导电缆的附件由两部分组成,即制冷系统和电缆终端。

制冷系统。超导电缆需要低温的工作环境(一般为液氮温区),所以必须配备相应的制冷系统。制冷系统通常由制冷机组、液氮泵、绝热管道、水冷却装置和液氮储罐等部分组成。

电缆终端。电缆终端是超导电缆和外部其他电气设备之间相互连接的端口,也是电缆冷却介质和制冷设备的连接端口。除类似于常规电缆终端担负电气安全连通的作用之外,还要保证实现温度的过渡。终端的结构和电缆的结构相配套,常温绝缘超导电缆与冷绝缘超导电缆的终端在结构上有很大区别。常规电缆运行时的主要损耗是产生焦耳热所带来的能量损耗(=I2R)。因超导电缆工作时导体的电阻为零,所以高温超导电缆在运行时基本没有焦耳热产生,这与常规电缆有很大差异,但交流输电时的磁滞损耗(简称交流损耗)及绝缘材料的介质损耗仍然存在。在计算超导电缆的运行损耗时,还必须考虑为其配套的制冷系统所消耗的能量。一般来讲,在液氮温区电缆产生1W的损耗需要消耗15W左右的制冷能量。综合起来考虑,在传输相同容量的电能时,高温超导电缆的运行损耗约为常规电缆的50%～60%。三、各国高温超导电缆项目的运行情况高温超导电缆技术的发展已有十余年的历史,参与高温超导电缆技术研究的国家主要有美国、日本、丹麦、德