新型电缆与高温超导技术结合的探究

1、    新型电缆与高温超导技术结合的探究    杨思哲摘 要：第二次工业革命后人类进入电气时代，电能作为一种二次能源和可再生能源具有便于利用、清洁等优点，在我们生产生活中的地位举足轻重。然而由于我国幅员辽阔，能源资源在空间上的分布和负荷的地理分布并不统一，大规模和长距离的电力输送成为解决我国能源问题的关键点之一。传统电缆已经在此类输电方式上做出了巨大贡献，但仍存在维护成本高、电能损耗较大等问题。高温超导这项前沿技术将在输电领域具有巨大优势。文章从高温超导的特性开始，分析了高温超导输电电缆的优势、局限和现状等问题，并提出了新型电缆结构与高温超导带材结合的设

2、想。关键词：高温超导；新型电缆；输电中图分类号：tm249 文献标识码：a 文章编号：1671-2064（2018）24-0252-020 引言超导体是指在某一较低温度下，展现出零电阻特性的导体。低温研究不断发展促进了超导体的发现。超导体第一次走进人们的视野是在1911年，荷兰科学家卡麦林·昂尼斯（kamerlingh onnes）等人发现在极低温度下汞的电阻极小，甚至消失，表现出超导状态。其临界温度tc为4.2k。零电阻仅是超导体的特性之一，随后，超导体更多奇特的性质，如迈斯纳效应与约瑟夫森效应被陆续发现。1933年，德国科学家瓦尔特·迈斯纳（w·meissne

3、r）和罗伯特·奥森菲尔德（r·ochsebfekd）通过测量锡单晶超导体的磁场分布，发现临界温度下金属进入超动态，此时处于磁场中的超导体体内的磁力线瞬间被排出，体内的磁感应强度为零，即完全抗磁性。并且无论降温与施加磁场的先后超导体一旦处于超导态，就会把磁通量排出体外。这就是判断超导体的另一特征指标，被称为迈斯纳效应。1962年，英国物理学家b·d约瑟夫森从理论上对前人加埃弗的实验进行分析计算并大胆预言，当很薄的绝缘层隔开两块超导体时，将出现横跨约瑟夫森结的超电流现象，即约瑟夫森效应。一年后，约瑟夫森的预言被p·w安德森和j·m罗厄尔通过大量实验

4、证明。超导体需要在极低的温度下才可以表现出超导态，这使得其在被发现后很长一段时间无法被广泛应用。1986年，美国ibm公司的柏诺兹（bednorz）和缪勒（muller）在瑞士苏黎世实验室发现临界温度达35k的镧钡铜氧体系。随后，液氮的温度壁垒于1987年被真正突破，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤在钇钡铜氧体系上将临界温度tc提升到90k。在此次之后，高溫超导材料的研究不断深入，并渐渐投入实际应用1。随着电力工业规模发展，全社会用电量加大，我国对电力电缆的需求急剧增加，各种类型的电缆也应运而生。油浸纸绝缘电力电缆和充油电缆最早达到高电压输电等级。挤塑电缆因工艺等问题存在较高故障率，且稳

5、定性较低，损耗较大。高温超导电缆一直以来是电缆开发的热点，可实现大容量，低损耗输电，但成本造价较高。在未来，我国输电技术将朝着电压高、容量大、距离长的方向发展，由交流到直流逐步转变，这也将是电力电缆的发展趋势。1 高温超导输电原理及其巨大潜力超导材料因其高密度载流能力成为超导输电技术的基础。人们已经进行了大量低温超导电缆的研究工作，但是事实证明，由于造价、运行成本昂贵，低温超导电缆商业化困难重重。1986年缪勒发现高温超导体，人们再次对超导电缆产生兴趣。高温超导输电利用临界温度在90k以上，120k以下的高温超导材料，液氮做制冷剂就可使它们表现出超导态。氮的沸点相对氦、氢较高，便于液化，且在空

6、气中含量巨大，因此，未来超导输电技术将主要围绕高温超导输电进行，新型电缆与高温超导技术结合已是大势所趋。高温超导电缆作为新兴电缆与高温超导技术结合的产物，以零电阻和电流密度高的超导材料为其载流导体，焦耳热损耗可视为零2。二十世纪末，超导应用的研究因高温超导材料制备的相关技术取得突破而被极大促进。目前主要有三类高温超导带（线）材应用于高温超导电缆。第一代铋系高温超导带材（bscco/ag复合带材）是通过热处理实现带材致密化，通过粉末包套法（pit法）制备的铋系高温超导带材。由于bscco晶体的层化结构，此类带材的工艺已相对成熟。但铋系高温超导带材不可逆磁场小，磁场极大地影响其临界电流ic。另外，

7、成本较高也使铋系高温超导带材应用受限。第二代钇系高温超导带材因其超导体导电的各向异性弱，比铋系超导带材具有更为优良的磁场特性和载流性能。如今钇系高温超导带材已确立相应的涂层工艺制造技术，成本有望进一步降低。第三代的高温超导带材正在研发之中，2001年日本研究人员发现离子化合物mgb2在40k左右会转变为超导体，由此研发除了新型mgb2高温超导带材。相较于低温超导材料，mgb2的临界温度处于液氢温区，运行成本更低廉；相较于氧化物高温超导体，mgb2晶粒间结合性较强，很大程度上方便了带材的制备。这种新型的高温超导带材具有良好的发展前景。高温超导输电的优越性可概括为大容量、低损耗、体积小、可降低输电

8、电压、资源节约、环境友好。随着长距离、大容量输电需求和大城市用电量增加，传统高压架空线输电将会遭遇许多困难3。在这种情况下，高温超导输电电缆更适应未来输电需求。与常规电缆相比，高温超导电缆的电流密度约高两个数量级，而能量损耗只有常规电缆的约50%。高温超导电缆在电力应用领域的前景必将越来越广阔。2 高温超导输电电缆的发展现状及其局限性早在1988年至1990年，欧、美、日等国的科学家就着手于高温超导输电电缆的实用性和可行性研究。结果证明高温超导电缆具有极大的应用潜力。1999年，美国southwire研发部门研制出了三相高温超导电缆，其长度可达到30米，能承受的最大电流/电压为12.5kv/1

9、.25ka，可以提供其总部的电力需求。1997年，日本住友电气公司、日本电力公司和古河电气公司分别研发出50m长、1200a和2200a的高温超导输电电缆。2001年，韩国制定高温超导技术发展规划，高温超导电缆的研究不断取得重大突破。至2012年我国研发的bi2223带材长380m、电流密度10ka，已实现实验运行。与常规电缆相比，高温超导电缆结构复杂，主要由电缆本体、低温制冷系统和终端组成4。由电缆芯、电绝缘、低温恒温管环环相套而成的电缆本体是超导电缆的关键部分。为保证超导电缆夹层高真空度和电流柔性，低温恒温管通常使用高真空、超级绝热的波纹管结构，其两端连接终端，中间围绕着超导线带绕成的电缆

10、芯。超导电缆绝缘有两种方式：低温绝缘和常温绝缘。低温绝缘是指电绝缘层直接包在导体上，处于低温区。电绝缘层处于常温区，即处在低温恒温管外，则被称为常温绝缘。超导电缆终端作为电缆和外电气部件相连的两端，是高温超导电缆的重要组成部分，也是电力由低温过度到室温的部分。因为终端又是冷却液和制冷设备连接的通道，所以它对耐高压、热负荷有很高要求。低温冷却系统为超导材料表现出超导态提供低温条件。技术要求苛刻、结构复杂决定了高温超导电缆在应用上存在局限性。高温超导电缆制备难度大、成本高，有交流损耗、介质损耗、热损耗等多方面损耗来源，相关的基础科学和技术不够完备等问题亟待解决。3 新型电缆结构和高温超导带材结合的

11、设想本文对于现阶段比较成熟的高温超导带材（例如第二代钇系高温超导带材）5，与新型的电缆结构进行结合，提出一个更加坚固稳定并且具有更高的能量利用率的结构设想，目前对于常见的电缆，分为单相和三相高温超导电缆，以三相高温超导电缆为例。无论是室温介质还是低温介质的高温超导电缆结构都较复杂，存在生产难度大、成本高及安装、运行、维护的实际操作问题。本文提出的结构设想是一种全新的高温超导电缆本体设计，如图1所示，其由于采用三角形的结构设计，相对于传统的圆形高溫超导电缆结构具有较高的形状稳定性与结构坚固性6。高温超导输电电缆的截面图如图2所示。其整个电缆结构由多段高温超导长带材串联组成。其中三角形结构的三条边

12、为钇系高温超导带材，其具有优良的磁场特性和载流性能，三个边正好分别组成三相电流的三个电流输电线。中间的白色部分为液氮冷却体，液氮由中间冷却体部分通入，可以使得温度降低到高温超导体的临界温度以下。冷却过后的液氮可以从三个带材围成的三角体外流出，也可以制作对切的三角形带材，从一个三角单元中间流入，然后从另一个三角单元流出；或者堆叠成为六边形，形成蜂巢状的结构，如图3所示。以上结构可以更高的提高使用效率，从而实现大电流、高电压、低损耗、低成本的电流输送。4 结语此设计相较于已有的超导电缆设计结构更加简捷，可尽可能地降低生产难度，进一步降低成本，并简化高温超导电缆在安装、运行、维护过程中的实际操作。但

13、此设计仍处于初步构想阶段，仍有许多问题有待解决，如在堆叠的ybco高温超导材料间未找到合适的、足够薄的材料进行隔绝，未找到弯角与直线部分完美对接的有效方案。近年来，高温超导输电电缆已经在一些应用领域崭露头角7。基于城市供电量不断增加，大容量供电需求不断加大的供电线路现状，相信未来高温超导输电电缆会有十分广阔的应用前景8。可以预见的是，高温超导输电电缆必将在不久的将来实现商品化，成为主流的输电载体。参考文献1高温超导电缆j.中国科技信息，2016（17）：1.2林良真.高温超导输电和物理研究j.物理，1997（05）：37-41.3刘黎明，杨培志，黄宗坦.高温超导线（带）材的研究进展j.低温与超导，2006，01：48-51+67.4秦亮.高压超高压电力电缆关键技术分析及展望j.科学中国人，2017（06）：45.5程小亮，戴少涛，王邦柱，孙昊.高温超导直流输电电缆结构研究j.低温与超导，2016，44（04）：38-42.6焦振.高温超导电缆线路对电网可靠性的影响d.华北电力大学，2014.7金李炜