淺談超導(dǎo)材料在電工領(lǐng)域應(yīng)用及推廣

侯垚

（機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

0 引言

電工技術(shù)是主要研究電能的產(chǎn)生、輸送、變換、控制、測量及其應(yīng)用的科學(xué)。自1882 年世界首次試制成功第一臺(tái)發(fā)電機(jī)以來, 電工技術(shù)在電磁理論、 絕緣技術(shù)、電力電子學(xué)、電氣傳動(dòng)和自動(dòng)控制等方面已取得了驚人的進(jìn)展，目前技術(shù)已相當(dāng)完善，開始出現(xiàn)某些“飽和” 現(xiàn)象，達(dá)到所謂 “容量極限” 、“傳輸極限”、“電壓極限”、“效率極限”等一系列難于突破的技術(shù)問題，而超導(dǎo)材料的出現(xiàn)給電工技術(shù)的變革帶來了新的契機(jī)。

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，這種材料叫超導(dǎo)材料， 這個(gè)溫度是臨界溫度。

1 超導(dǎo)材料的特征

1）電阻為零，一個(gè)超導(dǎo)體環(huán)移去電源之后，還能保持原有電流。超導(dǎo)體的基本特性之一是當(dāng)它處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)具有理想的導(dǎo)電性, 同時(shí)由于其載流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于常規(guī)導(dǎo)體，利用超導(dǎo)體可以傳輸大電流和產(chǎn)生強(qiáng)磁場, 并且沒有電阻熱損耗。因此在電工設(shè)備中使用超導(dǎo)材料可以減少損耗、提高效率、縮小體積、減輕重量、降低成本。

2）完全抗磁性，只要超導(dǎo)材料進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，便可把磁感線排斥體外，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零, 出現(xiàn)磁懸浮現(xiàn)象。

2 實(shí)用超導(dǎo)材料

早在 1911 年就已被荷蘭物理學(xué)家 Kamerlingh Onnes 發(fā)現(xiàn), 但由于一般超導(dǎo)體在百分之幾特斯拉的磁感應(yīng)強(qiáng)度下就轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài), 因而一直未能實(shí)際應(yīng)用。直到1986年，由瑞士IBM實(shí)驗(yàn)室的穆勒和貝德諾茲發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料（High Temperature Superconductor）給材料和電工領(lǐng)域注入了一股新的力量。由于高溫超導(dǎo)材料損耗低、載流能力強(qiáng)，可用來制造效率更高、功率密度更強(qiáng)的電力器件，如超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置、超強(qiáng)磁體、超導(dǎo)限流器和超導(dǎo)變壓器等。此外，使用高溫超導(dǎo)材料還具有無油、漏磁少等環(huán)境優(yōu)勢。

下面主要介紹當(dāng)前在電工領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)用化的超導(dǎo)材料。

2.1 低溫超導(dǎo)材料

超導(dǎo)物理中將臨界溫度在液氦溫區(qū)的超導(dǎo)體稱為常規(guī)超導(dǎo)體或低溫超導(dǎo)體，LTS (低溫超導(dǎo)材料), Tc＜20K，具有代表的材料：Nb-Ti（鈮鈦）; Nb3Sn（鈮錫）。

（1）韌性合金超導(dǎo)材料Nb-Ti（鈮鈦）

鈮表現(xiàn)出很高的元素臨界溫度, 在 9.2K 時(shí)就具有超導(dǎo)性，但卻不能承載大電流和維持高磁場。鈦合金化降低了TC（臨界溫度），但卻能使其磁性硬化，從而能承載大電流和承受高磁場。

目前商用標(biāo)準(zhǔn)合金是Nb-Ti-47，Tc=9.6K。4.2K時(shí)的Bc2（上臨界場）為11T，2K時(shí)為14T。與其他超導(dǎo)材料相比，Nb-Ti由于強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)異的機(jī)械性能、臨界電流密度高和相對低廉的制造成本，較高的載流特性及線材制作成本低，單線長度不受限制，而被廣泛應(yīng)用于10T以下超導(dǎo)磁體的制造，目前世界上已應(yīng)用的超導(dǎo)材料中, Nb-Ti合金材料占了一半以上。

特點(diǎn)：線材制作成本低，單線長度不受限制， 應(yīng)用中需要昂貴的液氦制冷，在高場應(yīng)用受限制應(yīng)用中需要昂貴的液氦制冷，在高磁場應(yīng)用受限制。

（2）脆性A15 型超導(dǎo)化合物材料Nb3Sn（鈮錫）

鈮基A15金屬間復(fù)合體結(jié)構(gòu)Nb3Sn與Nb-Ti相比表現(xiàn)出更好的超導(dǎo)性能。商用復(fù)合材料Nb3Sn的Tc=18.1K，在4.2K時(shí)的Bc2可超過25 T , 但要取決于精確的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)。加入鉭和/或鈦可顯著增加Nb3Sn的高磁場性能。Nb3Sn栓塞中心是晶粒邊界, 只有精細(xì)的晶粒微觀結(jié)構(gòu)才能獲得高電流密度。

Nb3Sn也是一種使用較廣泛的實(shí)用超導(dǎo)材料，但由于Nb3Sn屬于化合物型脆性材料，長期以來限制了它的實(shí)際應(yīng)用，一般只作為高場磁體的內(nèi)線圈使用。

特點(diǎn)：Nb3SnTc=18.1K，線材制作成本低，單線長度上千米， 在高產(chǎn)應(yīng)用。

2.2 高溫超導(dǎo)材料

超導(dǎo)物理中將臨界溫度在液氦溫區(qū)以上的超導(dǎo)體叫作高臨界溫度超導(dǎo)體，HTS （高溫超導(dǎo)材料），Tc＞77K。

目前具有商業(yè)前景的高溫超導(dǎo)材料有鉍系（BSCCO）、釔系（YBCO）和二硼化鎂（MgB2）。其中鉍系被稱為第一代高溫超導(dǎo)材料，釔系和二硼化鎂被稱為第二代高溫超導(dǎo)材料。釔系高溫超導(dǎo)材料的磁場特性優(yōu)于鉍系，應(yīng)用前景良好，但其線、帶材制備技術(shù)還不成熟，主要是受真空條件限制。而采用“粉末套管法”制備的鉍系線、帶材已于1997 年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。迄今為止, 長度達(dá)千米的鉍系多芯超導(dǎo)線、帶材的臨界電流 IC（77 K , 0 T）可達(dá)到 115 A , 工程臨界電流密度JC（77K ，0 T）可達(dá)到12 kA/m2。

由于MgB2成材容易，成本低廉，臨界溫度高于鈮鈦線和鈮三錫線（4～30K)，可以在磁體中實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)冷卻，這樣不用液氦；可以用于制作直流和交流超導(dǎo)電機(jī)，傳輸電纜等；單線長度長，制作費(fèi)用低；因此是最具潛力的新型超導(dǎo)材料之一。

特點(diǎn)，MgB2：Tc=39K，成本低，圓線或者帶材，單線長度不受限制， 應(yīng)用中不需要液氦制冷。

（1） 鉍系高溫超導(dǎo)材料

目前，應(yīng)用于電工領(lǐng)域的高溫超導(dǎo)材料主要是Bi-2223為代表的第一類高溫超導(dǎo)帶材，其臨界溫度為77K 。由于Bi-2223帶材的臨界電流受磁場的影響較大, 在 77K 時(shí)允許通過的電流密度很小，因此，Bi-2223帶材的工作溫度一般在20K左右。目前商業(yè)化鉍系多芯帶材的JC最高約為50kA/cm2（77K ，0 T）特點(diǎn)：Bi-2223，Bi-2212 （鉍系，一代高溫超導(dǎo)）： 高成本，帶材在磁場下臨界電流衰減。

（2） 釔系高溫超導(dǎo)材料

在液氮溫區(qū), 釔系高溫超導(dǎo)材料比鉍系具有更高的JC值；在高場下；釔系高溫超導(dǎo)材料也具有更高的載流能力。目前限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因是其制備技術(shù)尚不成熟；一旦涂層導(dǎo)體技術(shù)過關(guān)，這種“第二代”高溫超導(dǎo)材料必將走向大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。目前實(shí)用化的釔系超導(dǎo)材料主要是塊材和薄膜。

特點(diǎn)：YBCO（釔鋇銅氧，二代），Tc=90K，成本高，帶材長度受限制。

3 電工領(lǐng)域的應(yīng)用

超導(dǎo)電工是一個(gè)正在迅速發(fā)展的新技術(shù)領(lǐng)域。電工設(shè)備中使用超導(dǎo)材料可以減少電氣損耗，提高效率，縮小體積，減輕重量，降低成本，還可以提高裝置的極限容量。

鑒于超導(dǎo)材料及相關(guān)技術(shù)在電力領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景和市場價(jià)值，美國、日本、韓國和中國等國都在積極參與該技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)，已建立了多條示范線或開發(fā)了研究模型，如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器和超導(dǎo)電機(jī)等。然而，超導(dǎo)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用仍尚需時(shí)日。

3.1 超導(dǎo)電纜

由于我國電力資源和負(fù)荷分布不均，因此長距離、低損耗的輸電技術(shù)顯得十分迫切。超導(dǎo)電纜載流能力強(qiáng)、損耗低，在同樣的安裝條件下，占用體積更小，可用來改造或替換現(xiàn)有的地下電纜。超導(dǎo)材料由于其零電阻特性以及比常規(guī)導(dǎo)體高得多的載流能力，可以輸送極大的電流和功率而沒有電功率損耗。超導(dǎo)輸電可以達(dá)到單回路輸送GVA 級(jí)巨大容量的電力， 在短距離、大容量、重負(fù)載的傳輸時(shí)，超導(dǎo)輸電具有更大的優(yōu)勢。

近些年，超導(dǎo)電纜相關(guān)項(xiàng)目發(fā)展迅速。從目前的開發(fā)情況看，電纜中采用的超導(dǎo)帶材主要是Bi-2223/Ag一代超導(dǎo)帶材，二代YBCO超導(dǎo)帶材應(yīng)用于超導(dǎo)電纜示范線中的實(shí)例還很少，相關(guān)技術(shù)還不成熟；超導(dǎo)電纜示范線的成功運(yùn)行需解決大量的技術(shù)難題，但仍有很多工作要做：電纜通電過程中的交流損耗仍然太高，低溫下的介電絕緣技術(shù)需要進(jìn)一步地了解，電纜接頭和終端還處于開發(fā)的早期階段，安全性好、可靠性高的制冷系統(tǒng)還需要進(jìn)一步證明。

3.2 超導(dǎo)電機(jī)

效率高、性能好以及巨大的市場潛力驅(qū)動(dòng)著超導(dǎo)電機(jī)的發(fā)展。將超導(dǎo)電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電是目前發(fā)展的趨勢。超導(dǎo)電機(jī)重量輕、緊湊性好，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中特別具有優(yōu)勢。超導(dǎo)電機(jī)采用超導(dǎo)材料替代常規(guī)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。傳統(tǒng)電機(jī)以銅作為線圈繞組，采用超導(dǎo)材料后，可將銅用量從2.1ton減至0.44ton，鐵用量從10.5ton減少至2.8ton，大大減少了金屬的使用量，降低了成本；而制冷系統(tǒng)電力消耗導(dǎo)致的成本，已由使用周期長、效率高而得以抵消。

事實(shí)上，Bi-2223超導(dǎo)材料并不適合作為電機(jī)的電樞繞組，原因是Bi-2223材料對磁場敏感，電樞繞組中的交流電磁場會(huì)導(dǎo)致Bi-2223超導(dǎo)材料的交流損耗增加。從性能上說，YBCO比Bi-2223更適合用于超導(dǎo)電機(jī)。

3.3 超導(dǎo)變壓器

超導(dǎo)變壓器之所以具有吸引力，原因是：與傳統(tǒng)變壓器相比，體積可減少50%，重量可減少70%，損耗低于30%；在發(fā)生瞬時(shí)過載時(shí)，不會(huì)發(fā)出噪聲，同時(shí)還具有一定的限流作用。目前，技術(shù)難點(diǎn)主要集中在交流損耗過高和磁場下臨界電流Ic值下降明顯。中國船舶重工集團(tuán)712所開發(fā)出我國首臺(tái)兆瓦級(jí)高溫超導(dǎo)電機(jī)，并通過科技部的項(xiàng)目驗(yàn)收，總體指標(biāo)處于先進(jìn)水平。

3.4 超導(dǎo)限流器

超導(dǎo)限流器也稱超導(dǎo)電阻（抗）器，串聯(lián)于電路中，是依靠線圈的電阻（感抗）限制電力系統(tǒng)的短路電流。線路正常運(yùn)行時(shí)，限流器處于超導(dǎo)態(tài)，只有極小的阻抗（基本為零，可以忽略）。當(dāng)線路中電流超過臨界電流Ic時(shí)，限流器失超，在線路中表現(xiàn)為電阻或感抗。故障消除后，超導(dǎo)限流器自動(dòng)復(fù)位，很適合用于電網(wǎng)。超導(dǎo)限流器具有響應(yīng)速度快、能快速自動(dòng)復(fù)位和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是正常運(yùn)行時(shí)功耗大。

3.5 超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置

通過某種手段將能量存儲(chǔ)起來，在需要時(shí)釋放的過程，稱為儲(chǔ)能。按照儲(chǔ)能的方式，可分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能，超導(dǎo)儲(chǔ)能是電磁儲(chǔ)能的一種。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置無需能量轉(zhuǎn)換、直接儲(chǔ)能，轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)速度快，功率密度大，用于電網(wǎng)時(shí)，低谷時(shí)儲(chǔ)藏電能，高峰時(shí)釋放電能，具有有效提高輸電的效率和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是運(yùn)行及維護(hù)成本高。我國首臺(tái)超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置位于甘肅省白銀變電站。

4 結(jié)束語

超導(dǎo)技術(shù)在提高能源效率，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和保護(hù)環(huán)境方面有著巨大的應(yīng)用潛力。目前在電工行業(yè)實(shí)用化方面已取得突破性進(jìn)展，在未來大規(guī)模超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用必將給電工領(lǐng)域帶來質(zhì)的飛躍。