电工新技术详解-精
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当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围 的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透 到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感 应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应“
二、超导电工技术（续）
图6-4 超导体的完全抗磁性现象
12
三个临界参数
• 临界温度（TC）--超导体必须冷却至某一临界温度 以下才能保持其超导性。
备制
算
图6-1 电工新技术的分类
2
二、超导电工技术
在强电磁场中 ，超导材料用作高能物理的加速器、探 测器、等离子体磁约束、超导储能 、超导电机及医用 磁共振人体成像仪等
图6-2 液氦温区低温超导材料——NbTi导线
3
二、超导电工技术（续）
图6-3 液氮温区高温超导材料——Bi系带材
4
超导简史
1908年，荷兰物理学家昂内斯首 次成功地把称为“永久气体”的 氦液化，因而获得4.2K 的低温源， 为超导准备了条件，三年后即 1911年，在测试纯金属电阻率的 低温特性时，他又发现，汞的直 流电阻在4.2K时突然消失，多次 精密测量表明，汞柱两端压降为 零，他认为这时汞进入了一种以 零阻值为特征的新物态，并称为 “超导态”。物质在超低温下失 去电阻的 性质称为超导电性，具有这种性质的物质称为超导体， 超导体在电阻消失以前的状态称为常导状态，电阻消失 以后的状态称为超导状态。 这种特性称为超导材料的零 电阻性。3、4、同输步
出
电
电
机
压
特
高
性
压
改
化
善
21
图6-6 5MW船用高温超导推进电动机
22
图6-7 5MW船用高温推进电动机结构图
23
图6-8 300kW超导单极电动机 （武汉712所等）
图6-9 由超导电动机作动力 的吊舱式螺旋推进器 （图片来源：ABB公司）
24
➢ 超导变压器
图6-10 500kW, 6600/3300V 图6-11 26kW高温超导变压器 高温超导变压器（日本） （中国科学院电工研究所等）
• 高温超导变压器的效率将大大高于传统油浸式变压器，因 此可节约可观的能源，也减少了对化石燃料的需求，减少 了因燃烧化石燃料而产生的各种污染，同时由于没有变压 器油，不必担心火灾和漏油造成的污染。高温超导变压器 具有十分广阔的发展前景。
础 物子 流 电
理体 体 机 物力 理学
新材料
超永半 导磁导 材材体 料料材
料
新技术
微计 电算 子机
主 放核磁 磁磁
要 电聚流 流悬
分 应变体 体浮
支用
发 推列 电 进车
超 永磁 光 电
导 电机 电 力
电 工
与磁 体
应 用
电 子
微 电 数 控 电工 电 磁
子 专 与 机 装置 场 数
用 设 电控 CAD 值 计
汞在液氦附近电阻变化行为
自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。 包 括水银在内，24种纯金属超导材料的临界温度范 围为0.1～9.13K，最高温度9.13K的是铌元素。
1952年，发现临界温度为17K的硅化钒，不久又发 现了临界温度为18K的铌锡合金，这在当时是最高的 临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导体。
1987年底，铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的 纪录提高到125K。
1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡 -钙-铜-氧系材料。
超导体的性质和临界参数
• 零电阻
将超导体冷却到某一临 界温度以下时电阻突然 降为零的现象称为超导 体的零电阻现象叫超导 体零电阻
• 完全抗磁性
25
• 高温超导变压器的绕组导线为高温超导材料，冷却介质不 是油、空气，而是液氮或传导冷却（制冷剂），铁芯材料 是特殊硅钢片。高温超导变压器具有体积小、重量轻、效 率高、过负荷能力强、无火灾隐患等优点。与传统的变压 器相比，高温超导变压器的总损耗是传统变压器的31%， 重量是46%，成本是77%。
电工新技术
一、 电工新技术的发展趋势 二、 超导电工技术 三、 聚变电工技术 四、 磁流体发电技术 五、 磁流体推进技术 六、 可再生能源发电 七、 磁悬浮列车技术 八、 燃料电池技术 九、 飞轮储能系统 十、 脉冲功率技术 十一、微机电系统
1
一、电工新技术的发展趋势
新理论、新原理 基
放等 电 直 电离 磁 线
15
二、超导电工技术（续）
图6-5 83MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）
16
• 1、小型化、轻量化、大幅度拓宽了制作界限 • 2、效率的提高 • 3、输出电压高压化 • 4、同步电机特性改善
17
1、小型化、轻量化、大幅度拓宽了制作界限
2、效率的提高
20
300MW同步发电机的各项指标比较
1973 年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为 23.2K，该纪录保持了13年。
1986 年，IBM公司的研究人员米勒和贝德诺尔茨发现 了一种铜氧化物具有35K 的高温超导性，突破了传统 “氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，更重要的是改变了 从金属和合金中寻找超导材料的传统思路 。
1986 年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料， 其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”被跨 越。
• 临界电流密度（JC）--通过超导体的电流密度必须 小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。
• 临界磁场（HC）--施加给超导体的磁场必须小于某 一临界磁场才能保持超导体的超导性。
14
二、超导电工技术（续） 2. 超导技术的应用
➢超导电机
绕组由实用超导线绕制成的电机叫做超导电机。 超导电机具有功率密度大、效率高等待点，是很 有发展前途的电机。 超导电机目前主要做成汽轮发电机和单极直流电 机。其中后者采用超导励磁绕组及液态电刷，可以制 成高电压、大电流、大容量的直流电机，有圆盘式和 折入式两种，均可作发电机运行(由原动机驱动)，也 可作电动机运行(由电刷引入电流)。超导单极直流电 机适用于船舶推进、轧钢、大型卷扬机和慢速压缩机 等场合。
1987年，中国科学家赵忠贤在钇-钡-铜-氧系材料上把 临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也 被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度 ， 使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却 剂成为可能。人们将这类铜基氧化物超导体叫做高温 超导体。为了与这类新发现的高温超导体相区别，人 们把在此以前发现的超导体称为低温超导体。
二、超导电工技术（续）
图6-4 超导体的完全抗磁性现象
12
三个临界参数
• 临界温度（TC）--超导体必须冷却至某一临界温度 以下才能保持其超导性。
备制
算
图6-1 电工新技术的分类
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二、超导电工技术
在强电磁场中 ，超导材料用作高能物理的加速器、探 测器、等离子体磁约束、超导储能 、超导电机及医用 磁共振人体成像仪等
图6-2 液氦温区低温超导材料——NbTi导线
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二、超导电工技术（续）
图6-3 液氮温区高温超导材料——Bi系带材
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超导简史
1908年，荷兰物理学家昂内斯首 次成功地把称为“永久气体”的 氦液化，因而获得4.2K 的低温源， 为超导准备了条件，三年后即 1911年，在测试纯金属电阻率的 低温特性时，他又发现，汞的直 流电阻在4.2K时突然消失，多次 精密测量表明，汞柱两端压降为 零，他认为这时汞进入了一种以 零阻值为特征的新物态，并称为 “超导态”。物质在超低温下失 去电阻的 性质称为超导电性，具有这种性质的物质称为超导体， 超导体在电阻消失以前的状态称为常导状态，电阻消失 以后的状态称为超导状态。 这种特性称为超导材料的零 电阻性。3、4、同输步
出
电
电
机
压
特
高
性
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化
善
21
图6-6 5MW船用高温超导推进电动机
22
图6-7 5MW船用高温推进电动机结构图
23
图6-8 300kW超导单极电动机 （武汉712所等）
图6-9 由超导电动机作动力 的吊舱式螺旋推进器 （图片来源：ABB公司）
24
➢ 超导变压器
图6-10 500kW, 6600/3300V 图6-11 26kW高温超导变压器 高温超导变压器（日本） （中国科学院电工研究所等）
• 高温超导变压器的效率将大大高于传统油浸式变压器，因 此可节约可观的能源，也减少了对化石燃料的需求，减少 了因燃烧化石燃料而产生的各种污染，同时由于没有变压 器油，不必担心火灾和漏油造成的污染。高温超导变压器 具有十分广阔的发展前景。
础 物子 流 电
理体 体 机 物力 理学
新材料
超永半 导磁导 材材体 料料材
料
新技术
微计 电算 子机
主 放核磁 磁磁
要 电聚流 流悬
分 应变体 体浮
支用
发 推列 电 进车
超 永磁 光 电
导 电机 电 力
电 工
与磁 体
应 用
电 子
微 电 数 控 电工 电 磁
子 专 与 机 装置 场 数
用 设 电控 CAD 值 计
汞在液氦附近电阻变化行为
自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。 包 括水银在内，24种纯金属超导材料的临界温度范 围为0.1～9.13K，最高温度9.13K的是铌元素。
1952年，发现临界温度为17K的硅化钒，不久又发 现了临界温度为18K的铌锡合金，这在当时是最高的 临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导体。
1987年底，铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的 纪录提高到125K。
1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡 -钙-铜-氧系材料。
超导体的性质和临界参数
• 零电阻
将超导体冷却到某一临 界温度以下时电阻突然 降为零的现象称为超导 体的零电阻现象叫超导 体零电阻
• 完全抗磁性
25
• 高温超导变压器的绕组导线为高温超导材料，冷却介质不 是油、空气，而是液氮或传导冷却（制冷剂），铁芯材料 是特殊硅钢片。高温超导变压器具有体积小、重量轻、效 率高、过负荷能力强、无火灾隐患等优点。与传统的变压 器相比，高温超导变压器的总损耗是传统变压器的31%， 重量是46%，成本是77%。
电工新技术
一、 电工新技术的发展趋势 二、 超导电工技术 三、 聚变电工技术 四、 磁流体发电技术 五、 磁流体推进技术 六、 可再生能源发电 七、 磁悬浮列车技术 八、 燃料电池技术 九、 飞轮储能系统 十、 脉冲功率技术 十一、微机电系统
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一、电工新技术的发展趋势
新理论、新原理 基
放等 电 直 电离 磁 线
15
二、超导电工技术（续）
图6-5 83MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）
16
• 1、小型化、轻量化、大幅度拓宽了制作界限 • 2、效率的提高 • 3、输出电压高压化 • 4、同步电机特性改善
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1、小型化、轻量化、大幅度拓宽了制作界限
2、效率的提高
20
300MW同步发电机的各项指标比较
1973 年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为 23.2K，该纪录保持了13年。
1986 年，IBM公司的研究人员米勒和贝德诺尔茨发现 了一种铜氧化物具有35K 的高温超导性，突破了传统 “氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，更重要的是改变了 从金属和合金中寻找超导材料的传统思路 。
1986 年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料， 其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”被跨 越。
• 临界电流密度（JC）--通过超导体的电流密度必须 小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。
• 临界磁场（HC）--施加给超导体的磁场必须小于某 一临界磁场才能保持超导体的超导性。
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二、超导电工技术（续） 2. 超导技术的应用
➢超导电机
绕组由实用超导线绕制成的电机叫做超导电机。 超导电机具有功率密度大、效率高等待点，是很 有发展前途的电机。 超导电机目前主要做成汽轮发电机和单极直流电 机。其中后者采用超导励磁绕组及液态电刷，可以制 成高电压、大电流、大容量的直流电机，有圆盘式和 折入式两种，均可作发电机运行(由原动机驱动)，也 可作电动机运行(由电刷引入电流)。超导单极直流电 机适用于船舶推进、轧钢、大型卷扬机和慢速压缩机 等场合。
1987年，中国科学家赵忠贤在钇-钡-铜-氧系材料上把 临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也 被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度 ， 使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却 剂成为可能。人们将这类铜基氧化物超导体叫做高温 超导体。为了与这类新发现的高温超导体相区别，人 们把在此以前发现的超导体称为低温超导体。