低溫系統(tǒng)及其在超導(dǎo)電力傳輸中的應(yīng)用

甘泉 劉麗穎

1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.承德供電公司， 河北 承德 067000

低溫系統(tǒng)及其在超導(dǎo)電力傳輸中的應(yīng)用

甘泉1，2劉麗穎2

1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.承德供電公司， 河北 承德 067000

本文對(duì)各種低溫獲得與保持技術(shù)進(jìn)行了廣泛的論述。針對(duì)超導(dǎo)電力傳輸研究的需要，在不同的研究階段，需要靈活的采取合適的低溫技術(shù)與設(shè)備，取得成本、性能與可操作性的平衡。在經(jīng)濟(jì)與科技比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，適合采用制冷劑型的低溫設(shè)備；在其它地區(qū)，則比較適合采用制冷機(jī)型的低溫設(shè)備。

電力傳輸；超導(dǎo)；低溫

1、超導(dǎo)電力傳輸

一般來說，根據(jù)物體導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，可以把物體分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。導(dǎo)體的主要代表有銅、鋁、銀等金屬，絕緣體的典型代表有陶瓷、塑料、橡膠和玻璃，現(xiàn)在電力傳輸所用的電纜，都是用銅、鋁作為內(nèi)芯，外面包覆一層絕緣體。物體的導(dǎo)電特性和溫度有非常大的關(guān)系，對(duì)于金屬材料，溫度越低，材料的電導(dǎo)率越大。

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯在用液氦將汞的溫度降到4.15K（零下273攝氏度為0K）時(shí)，發(fā)現(xiàn)汞的電阻降為零。他把這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)性[1]。后來昂內(nèi)斯和其他科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他一些金屬也是超導(dǎo)體，昂內(nèi)斯因?yàn)檫@項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)而獲得1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。超導(dǎo)現(xiàn)象是指材料在低于某一溫度時(shí)，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象，而這一溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）。起初人們發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體主要是金屬和合金，它們的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一般都在20K以下。1987年，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武與臺(tái)灣物理學(xué)家吳茂昆以及中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上[2]。

由于超導(dǎo)體的電阻為零，所以用超導(dǎo)材料制成的電纜，可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠，在超導(dǎo)電力傳輸方面，美國走在了世界的最前沿。

圖1 常規(guī)銅電纜（左）與超導(dǎo)電纜（右）對(duì)比

2008年7月2 號(hào)，美國超導(dǎo)公司正式在一個(gè)商業(yè)電網(wǎng)中部署了世界上第一個(gè)高溫超導(dǎo)輸電系統(tǒng)。這一超導(dǎo)輸電系統(tǒng)在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠滿足30萬戶家庭的用電需求，僅由三根138千伏的電纜組成。相比同樣粗細(xì)的銅導(dǎo)線，他們的輸電能力高達(dá)150倍。盡管這一工程造價(jià)昂貴，但是新型超導(dǎo)電纜的造價(jià)將降低五分之四，輸電纜溝的寬度僅為一米左右。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這種電纜能夠防止由電網(wǎng)短路造成的故障電流。超導(dǎo)體有一種天生的電流限制能力，一旦電流增強(qiáng)到一定程度，它們就會(huì)失去超導(dǎo)性而變得像普通導(dǎo)體一樣有電阻，使電流衰減。因此，該技術(shù)也得到美國國土安全部的支持。2009年10月13日，美國超導(dǎo)公司宣布超導(dǎo)輸電通道已經(jīng)被美國第一個(gè)可再生能源市場(chǎng)中心TresAmigas項(xiàng)目選用，該項(xiàng)目首次連接美國的三個(gè)電網(wǎng)，即東部電網(wǎng)、西部電網(wǎng)和德克薩斯電網(wǎng)，以滿足新能源傳輸?shù)脑鲩L并增強(qiáng)電網(wǎng)的可靠性。TresAmigas可再生能源樞紐將會(huì)是一個(gè)好幾英里三角形的超導(dǎo)輸電通道，能夠在三個(gè)電網(wǎng)內(nèi)傳輸和平衡幾千兆瓦的可再生能源。

從電力傳輸角度來說，超導(dǎo)傳輸線的兩個(gè)最重要的參數(shù)是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc和臨界電流Jc。當(dāng)超導(dǎo)體中通過的電流大于臨界電流的時(shí)候，超導(dǎo)體將恢復(fù)常態(tài)，一般來說，超導(dǎo)體的溫度越低，臨界電流的數(shù)值越大。由于超導(dǎo)特性只有在低溫下才能出現(xiàn)，所以決定超導(dǎo)電力傳輸?shù)闹饕獑栴}就是低溫技術(shù)。溫度越低，超導(dǎo)電纜的性能越好，但是獲得低溫所用的成本也越高。所以超導(dǎo)電纜研究的最主要目標(biāo)就是提高電纜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流。

2、低溫獲得技術(shù)

低溫獲得技術(shù)可以分為兩大類，一類是采用制冷劑，第二類是采用制冷機(jī)。下面將對(duì)這兩種方式分別做介紹。

制冷劑是溫度非常低的物質(zhì)，當(dāng)它和物體接觸時(shí)會(huì)吸收物體的熱量，從而使物體降溫。制冷劑吸收熱量以后會(huì)散發(fā)掉，為了維持恒定的低溫，就需要不斷的消耗制冷劑。最常見的制冷劑是液氦和液氮，不太常用的制冷劑主要有液氫。

由于液氦的溫度很低，所以液化氦氣需要大量的復(fù)雜的設(shè)備，液氦的儲(chǔ)存、運(yùn)輸都需要特殊的容器，才能減少液氦的損耗，即便如此，液氦還是會(huì)在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中不斷流失。氦在地球中的含量很少，所以事實(shí)上只有美國大量生產(chǎn)液氦。由于液氦必須儲(chǔ)存在特殊的液氦罐中，所以無論用多少液氦，都要買一整罐，用剩下的液氦只能白白浪費(fèi)掉。所以液氦的主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。

液氮的主要問題就是它的沸點(diǎn)太高。在實(shí)際使用中，只有釔鋇銅氧能夠在液氮溫度下使用，但釔是稀土元素，地殼中含量很少，所以價(jià)格昂貴。釔鋇銅氧是一種陶瓷，所以很難將它加工成電纜，也很難和其它金屬電纜連接?，F(xiàn)在人們正在探索液氮溫區(qū)的新興高溫超導(dǎo)材料。

液氫是最近研究比較密集的一種制冷劑，它的沸點(diǎn)是20K左右，能夠達(dá)到一些新型超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度要求。其中比較引人注目的材料是MgB2，它的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是40K，臨界電流密度也很高。液氫本來不作為制冷劑使用，因?yàn)闅錃馊菀装l(fā)生爆炸。隨著對(duì)清潔能源的不斷需求，人們?cè)O(shè)想出了一種新奇的能量傳輸方式：用管道傳輸液氫，在液氫中間放入超導(dǎo)線，傳輸電能。

由于制冷劑在使用過程中需要不斷的消耗，所以維持使用非常不方便。制冷機(jī)則可以在只消耗電能的情況下實(shí)現(xiàn)低溫。使用的制冷機(jī)有兩種，一種是GM機(jī)，另一種是脈管機(jī)。

GM機(jī)的基本本原理是：室溫下壓縮氦氣，然后通過柔性管線輸運(yùn)至制冷機(jī)。壓縮的氦氣通過膨脹制冷，為制冷機(jī)的兩個(gè)“熱站”提供冷量。氣體在制冷機(jī)制冷后返回壓縮機(jī)周而復(fù)始，就可以連續(xù)地進(jìn)行制冷。

脈管(PT)制冷機(jī)使用類似G-M 制冷機(jī)的壓縮和膨脹循環(huán)過程，但是沒有G-M制冷機(jī)中的運(yùn)動(dòng)部件回?zé)崞?，從而在相同真空法蘭連接情況下，脈管制冷機(jī)的振動(dòng)比G-M要小。

3、低溫保持技術(shù)

低溫下的物體會(huì)通過傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射的方式吸收周圍環(huán)境的熱量，從而溫度上升，為了保持物體的低溫，就需要隔絕物體與環(huán)境之間的熱量傳輸，物體外部的腔體叫做低溫恒溫器。為了阻止熱傳導(dǎo)和對(duì)流，需要在恒溫器內(nèi)部維持真空，為了減少熱輻射，就需要在物體外面安裝一層鏡面，叫做防輻射屏。

低溫恒溫器可以分為兩大類，一類是傳導(dǎo)型低溫恒溫器，另一類是交換氣體型低溫恒溫器。傳導(dǎo)型低溫恒溫器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過金屬塊將冷源的冷量，傳導(dǎo)給被降溫的物體；交換氣體型恒溫器通過把制冷劑汽化，然后冷的蒸汽再將物體降溫。冷源可以是通過制冷劑，也可以通過制冷機(jī)。

圖2 以制冷機(jī)為冷源的低溫恒溫器[4]

在檢測(cè)超導(dǎo)電纜的臨界溫度的時(shí)候，需要檢測(cè)電纜電阻隨溫度的變化關(guān)系，由于超導(dǎo)體電阻極小，所以一般采用四端法測(cè)量電阻。四端法的基本特點(diǎn)是恒流電源通過兩個(gè)電流引線極將電流供給待測(cè)低值電阻，而電壓則通過兩個(gè)電壓引線來測(cè)量,由恒流電源所供電流而在待測(cè)低值電阻上所形成的電位差。由于兩個(gè)電流引線極在兩個(gè)電壓引線極之外，因此可排除電流引線極接觸電阻和引線電阻對(duì)測(cè)量的影響。又由于電壓表的輸入阻抗很高，電壓引線極接觸電阻和引線電阻對(duì)測(cè)量的影響可忽略不計(jì)。檢測(cè)超導(dǎo)電纜的臨界溫度一般選用接觸型的低溫恒溫器，這種恒溫器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，升降溫方便。

圖3 四端法測(cè)量低電阻[3]

圖4 交換氣體型液氦低溫恒溫器[4]

4.結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行超導(dǎo)電纜性質(zhì)研究的過程中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，選取合適的低溫恒溫器。交換氣體型液氦低溫恒溫器非常適合超導(dǎo)電纜性質(zhì)的研究，但是液氦價(jià)格昂貴，不容易獲得；如果液氦來源不方便，可以采用大功率制冷機(jī)為冷源的交換氣體型低溫恒溫器，這種恒溫器只需要消耗電力，但是價(jià)格昂貴；如果不進(jìn)行臨界電流測(cè)量，最合適的就是熱傳導(dǎo)型低溫恒溫器。

[1]Onnes HK (1911) The resistance of pure mercury at helium temperatures.Commun Phys Lab Univ.Leiden 12

[2]Superconducting properties of natural and artificial grain boundaries in bulk melt-textured YBCO.Phys C: Supercond 302(4):257–270, 1998.

[3]低電平測(cè)量手冊(cè)：精確的直流電流、電壓和電阻測(cè)量，Keithley Instruments Inc

[4]www.janis.com

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.033

甘泉（1981—），男，大學(xué)本科，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，畢業(yè)于華北電力大學(xué)，現(xiàn)就職于華北電網(wǎng)有限公司承德供電公司。

劉麗穎（1983—），女，大學(xué)本科，助理經(jīng)濟(jì)師，管理學(xué)學(xué)士，畢業(yè)于河北大學(xué)，現(xiàn)就職于華北電網(wǎng)有限公司承德供電公司。