高溫超導電纜在艦船消磁系統(tǒng)中的應用概述

趙文春，楊 崢，劉勝道

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高溫超導電纜在艦船消磁系統(tǒng)中的應用概述

趙文春，楊 崢，劉勝道

(海軍工程大學電氣工程學院，武漢430033)

高溫超導電纜具有重量輕、損耗低、電流運載能力強等特點，將高溫超導電纜運用在艦船消磁系統(tǒng)中可以提高艦船消磁系統(tǒng)的消磁能力，增強艦船的戰(zhàn)斗力。本文結(jié)合高溫超導電纜的特點，概述了消磁繞組使用高溫超導電纜代替銅質(zhì)電纜的意義，并從工程實施方面對高溫超導電纜應用于艦船消磁的可行性進行了分析，最后提出實現(xiàn)高溫超導消磁系統(tǒng)需要解決的問題。

高溫超導 艦船消磁系統(tǒng) 可行性

0 引言

艦船在長期航行中受地球磁場、機器運轉(zhuǎn)和海水等影響會產(chǎn)生一定的磁場，我們稱之為艦船磁場。艦船消磁是一種采取現(xiàn)代電磁方法和控制技術將艦船磁場消除或補償?shù)揭欢ǚ秶鷥?nèi)的技術，用于防御敵方探測設備的探測和水中兵器的攻擊，保障艦船航行安全。

艦船消磁分為臨時線圈消磁法和消磁系統(tǒng)補償法，臨時線圈消磁法主要用于消除艦船的固定磁場，消磁系統(tǒng)補償法主要用于補償艦船的感應磁場和剩余固定磁場。

艦船消磁系統(tǒng)主要由消磁繞組、消磁電源和消磁電流控制器組成，如圖1所示[1]。艦船消磁系統(tǒng)補償艦船磁場的方法是：在艦船內(nèi)部敷設不同形式的消磁繞組，在消磁繞組中通入一定大小電流，使其在船外空間產(chǎn)生一個與艦船磁場大小相等、方向相反的磁場。

目前消磁繞組主要使用銅質(zhì)電纜，但隨著海軍使命任務的變化，以及高靈敏度磁傳感器在磁引信水雷上的應用，艦船消磁技術的發(fā)展變得越發(fā)迫切。如果利用銅質(zhì)消磁電纜進一步提高艦船消磁系統(tǒng)的消磁能力將帶來費用、重量和體積的增加，而且布設過多的繞組也會顯著增加安裝難度[2]。因此，有必要尋找一種能夠代替銅質(zhì)電纜的材料提高艦船消磁系統(tǒng)的消磁能力。本文就此思路，對高溫超導電纜進行了研究。結(jié)合高溫超導電纜的特點，概述了高溫超導電纜替代銅質(zhì)電纜的意義，并從工程實施方面對高溫超導電纜應用于艦船消磁系統(tǒng)的可行性進行分析。

1高溫超導電纜的特點

1986年以來，高溫超導體被發(fā)現(xiàn)并很快形成實用化帶材。美、日、韓、德等國投入了大量的資金進行高溫超導電纜的實用化研究。其中，美國對高溫超導電纜的研究處于世界領先地位，2008年紐約長島州電力局和美國超導公司合作研制的第二代高溫超導電纜投入商業(yè)電網(wǎng)運行[3]。對比銅質(zhì)電纜，高溫超導電纜具有以下特點。

低損耗，高溫超導電纜由于其“零電阻”的特性，焦耳損耗非常小，它的主要損耗來自于制冷劑的能量損耗，運行過程中的總損耗只是常規(guī)銅質(zhì)電纜損耗的一半左右。

體積小、電流容量大。相同橫截面的高溫超導電纜的電流傳輸能力是常規(guī)銅質(zhì)電纜的3~5倍。例如，在消磁系統(tǒng)中原本需要3~5根銅質(zhì)電纜，如果換做相同截面積的高溫超導電纜，只需一根就可以解決問題。

無污染。高溫超導電纜具有環(huán)境友好的特點，可以用液氮做為冷卻劑來保持高溫超導電纜的運行環(huán)境，對環(huán)境沒有污染。而常規(guī)的充油電纜卻存在著漏油而造成環(huán)境污染的缺點[4]。

穩(wěn)定性好。高溫超導電纜在短時間內(nèi)可承受短路電流，可以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[5]。

2高溫超導電纜代替銅質(zhì)電纜的意義

1)國內(nèi)主要通過消磁站、消磁船和艦船消磁系統(tǒng)三種方法為艦船做磁性處理。消磁站和消磁船的主要任務是消除艦船的固定磁場，而艦船消磁系統(tǒng)除了可以補償艦船的感應磁場外，同時也可以用來補償一部分固定磁場。銅質(zhì)電纜受電阻值和自身重量的局限，能夠補償固定磁場的量較小，而高溫超導電纜具有運載電流能力強的特點，理論上可以補償更大的固定磁場，使艦船不必非要去消磁站或用消磁船做磁性處理，這將會減小艦船定期消磁的頻率，并且降低消磁站的消磁負荷。

2)艦船消磁系統(tǒng)主要包括線纜、電源系統(tǒng)、管道、接線箱等器件，分別從這幾個方面的花費以及安裝費用進行估算，繪制出餅狀圖。如圖2所示，雖然傳統(tǒng)銅質(zhì)消磁系統(tǒng)和高溫超導消磁系統(tǒng)的總體費用相差并不大，但費用比例卻不盡相同。傳統(tǒng)銅質(zhì)消磁系統(tǒng)安裝費用占的比重比較大，而高溫超導消磁系統(tǒng)由于使用了價格相對昂貴的高溫超導電纜，所以線纜費用占的比重相對較大[6]。高溫超導消磁系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)勢體現(xiàn)在使用過程中，高溫超導電纜運行功耗僅為傳統(tǒng)銅質(zhì)消磁系統(tǒng)的一半左右。所以長遠來看，高溫超導消磁系統(tǒng)比傳統(tǒng)銅質(zhì)消磁系統(tǒng)經(jīng)濟的多。

3)將傳統(tǒng)的銅質(zhì)消磁系統(tǒng)與高溫超導消磁系統(tǒng)在重量方面進行估算并繪制出餅狀圖。如圖3所示，高溫超導消磁系統(tǒng)在重量方面大大減輕，僅為傳統(tǒng)銅質(zhì)消磁系統(tǒng)重量的五分之一。這不但為艦船減輕了負擔，而且可以允許艦船裝載更多的武器設備，提高艦船的敏捷性和作戰(zhàn)能力。

3高溫超導電纜用于艦船消磁系統(tǒng)的可行性分析

1)目前具有使用價值的高溫超導帶材主要有三種。分別是Bi-2223和Bi-2212等第一代Bi系高溫超導帶材、YBCO等第二代高溫超導帶材和近年來發(fā)現(xiàn)的MgB2高溫超導帶材[7]。第一代鉍系高溫超導帶材需包上銀或銀合金套管，成本相對較高，又因為其性能不如二代高溫超導帶材，所以它的應用市場并不大[8]。第二代YBCO高溫超導帶材，采用沉積法在金屬基體帶材上沉積YBCO涂層，相比第一代Bi系帶材有著更好的磁場性能和更高的電流密度，并且降低了制作成本，同時也達到了商業(yè)化生產(chǎn)水平，目前第二代高溫超導電纜在電網(wǎng)領域的應用越來越廣泛。圖4所示為YBCO高溫超導電纜絞線及成型后的產(chǎn)品。

2)第二代YBCO高溫超導帶材臨界溫度在90K以上，而常壓下液氮溫度為77K，因此可以使用液氮作為冷卻介質(zhì)，液氮制作方便、技術成熟，同時對空氣沒有污染，能夠滿足高溫超導電纜正常工作所需要的低溫條件。

3)多股YBCO帶材特種工藝絞纜成型技術成熟，高溫超導電纜的工藝制作方面已不是難題。

4)一般情況下小型艦船所用銅質(zhì)消磁電纜的橫截面積控制在10mm2以內(nèi)，中型艦船所用銅質(zhì)消磁電纜橫截面積不大于70mm2。大型艦船所用銅質(zhì)消磁電纜橫截面積不大于150mm2。高溫超導電纜的橫截面積相比常規(guī)銅質(zhì)電纜會略大，但其彎曲半徑符合消磁繞組的彎曲要求。

5）高溫超導帶材的臨界電流大小雖受磁場強度的影響，但艦船磁場強度相對來說還是很小，對高溫超導電纜臨界電流的影響不大[9]，不會影響高溫超導電纜的正常使用。

4高溫超導電纜應用于艦船消磁需要解決的問題

1)高溫超導電纜終端結(jié)構(gòu)復雜，包括內(nèi)外支撐件、恒溫器、電流引線、接管套筒、接管法蘭等，并且終端電場集中，容易造成絕緣層的老化和擊穿，從而有可能引起局部過熱[10]。所以如何實現(xiàn)消磁線圈與電源之間系統(tǒng)的完美連接是需要解決的問題。

2)高溫超導電纜正常運行受溫度、電流密度和磁場強度的制約，一旦電纜局部運行條件異常，將會產(chǎn)生“失超”現(xiàn)象，局部電阻迅速變大并產(chǎn)生大量的熱量，危機到整個消磁系統(tǒng)的正常工作。因此還需設計一些“失超”檢測裝置，防患于未然。

3)艦船有著特殊的環(huán)境條件，船艙空間相對較小，不但要考慮消磁線圈的敷設方式，同時也要考慮制冷系統(tǒng)的布局和安裝。

參考文獻:

[1] 桂永勝.艦船消磁控制設備現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國艦船研究，2010,(8):75-80.

[2] BK Fitzpatrick, TH Fikse, WA Lynch. High temperature superconducting degaussing system :

US, 7451719[P]. 2008-11-18.

[3] 夏芳敏,郭慧,林中山,王醒東. 二代高溫超導電纜在電網(wǎng)中的應用前景[J].電工材料，2014,(4):24-27.

[4] 王少華,葉自強,羅盛.高溫超導輸電電纜的發(fā)展現(xiàn)狀[J].高壓電器, 2011,47(7):80-85.

[5] 陳宏,謝述鋒,程德彬.超導材料研制及其艦船和風電應用最新進展[J].材料開發(fā)與應用,2012,4:89-93.

[6] J.T. Kephart, B.K. Fizpatrick,P. Ferrara. High temperature superconducting degaussing from feasibility study to fleet adoption: IEEE.2011.

[7] 畢延芳,洪輝,信贏.高溫超導電力應用的低溫冷卻系統(tǒng)及制冷機[J].中國科學,2013,10:1101-1111.

[8] 夏芳敏,郭慧,林中山.王醒東.二代高溫超導電纜在電網(wǎng)中的應用前景[J].電工材料,2014,4:24-27.

[9] 張國民.高溫超導帶材及線圈的交流損耗[D].北京：中國科學院電工研究所，2003：27-30.

[10] 劉少波.高溫超導電纜失超保護研究[D].武漢：華中科技大學，2012：11-13.

Review of High Temperature Superconducting Used in Vessel’s Degaussing System

Zhao Wenchun, Yang Zheng, Liu Shengdao

（College of Electrical Engineering, Naval Univ.of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM26

A

1003-4862（2016）09-0037-03

2016-04-15

趙文春（1973-），男，博士，副教授。研究方向：艦船消磁。