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超导电工技术论文
超导电工技术论文 超导电工技术论文篇一 超导技术在电工领域的应用 摘要：20世纪80年代到90年代期间，高温超导材料的发现使得其工程 化应用成为可能。由于超导材料及相关技术在电力领域具有广阔的应用前景和市 场价值，美国、日本、韩国和中国等国都在积极参与该技术领域的开发，已建立 了多条示范线或开发了研究模型，超导电缆、超导变压器以及超导储能飞轮等众 多模型或样机已问世。关键词：超导电缆;超导变压器;带材;钇系;铋系 中图分类号：TM26 文献标识码：A 文章编号：
1009-2374(2013)28-0043-03 1986年，由瑞士IBM实验室的穆勒和贝德诺兹发现的高温超导材料 (High Temperature Superconductor)给材料和电工领域注入了一股新的力量。1987 年至1993年期间，相继发现了钇系、铋系、铊系和汞系超导材料，临界转变温度 Tc也从92K(钇钡铜氧-YBa2Cu3Ox，简写YBCO)上升到130K以上(汞钡铜氧 -Hg2Ba2Ca2Cu3Oy)。随后，研发焦点主要集中在高载流能力超导带材的开发上， 以一代铋系(铋锶钙铜氧，Bi2Sr2Ca2Cu3Oy，Bi-2223)超导带材和二代YBCO涂层 导体最为典型。由于损耗低、载流能力强，高温超导材料可用来制造效率更高、 功率密度更强的电力器件，如超导储能装置、超强磁体、超导限流器和超导变压 器等。此外，使用高温超导材料还具有无油、漏磁少等环境优势。
鉴于超导材料及相关技术在电力领域广阔的应用前景和市场价值，美 国、日本、韩国和中国等国都在积极参与该技术领域的开发，已建立了多条示范 线或开发了研究模型，如超导电缆、超导变压器和超导电机等。然而，超导技术 的大规模应用仍尚需时日。
1 超导产品 1.1 超导电缆 超导电缆载流能力强、损耗低，在同样的安装条件下，占用体积更小，可用来改造或替换现有的地下电缆。近几年，超导电缆相关项目发展迅速。
国际上：2006年7月20日，350m长、34.5kV/0.8kA、三相交流超导电 缆在美国奥尔巴尼市挂网运行，该项目由DOE资助，美国Superpower公司承揽， 日本住友电工(SEI)和英国氧气公司(BOC)参与。SEI负责了其中320m超导电缆的 制造和安装(该段以Bi-2223带材为超导层)，Superpower公司负责剩余30m超导电 缆的制造(该段以二代高温超导带材为载流层)，这是世界上第一条用于城市地下 输电的超导电缆，也是SEI首次参与美国的政府项目。
2008年4月22日，由美国能源部投资(DOE)，美国超导公司(AMSC)、 耐克森公司(Nexans)、法国液化空气集团(AirLiquid)和美国长岛电力局(LIPA)参 与的一期600m，138kV/2.4kA超导电缆实现并网运行，这是目前世界上最长的并 网运行的超导电缆。该条电缆以一代铋(Bi-2223)系超导带材为超导层，预计满负 荷运行时可满足30万家庭的用电需求。目前，由AMSC提供二代超导带材，Nexans 承揽的长岛二期项目正在进行。美国还计划用超导电缆连接3个独立电网，建造 超级变电站“Tres AmigasTM”，二代高温超导带材由AMSC提供，LS电缆公司和 Nsxans为该项目制造超导电缆。
2013年1月，日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)开发出新型超 导电缆，可输送275kV的高压电。
国内：2013年4月，由中国科学院电工研究所和河南中孚实业股份有 限公司联合开发的360m长，载流能力10kA的直流超导电缆通过科技部验收，这 是目前世界上载流能力最高的直流超导电缆。
但从目前的开发情况看，电缆中采用的超导带材主要是Bi-2223/Ag一 代超导带材，二代YBCO超导带材应用于超导电缆示范线中的实例还很少，相关 技术还不成熟;超导电缆示范线的成功运行需解决大量的技术难题，但仍有很多 工作要做：电缆通电过程中的交流损耗仍然太高，低温下的介电绝缘技术需要进 一步的了解，电缆接头和终端还处于开发的早期阶段，安全性好、可靠性高的制 冷系统还需要进一步证明。
1.2 超导电机 效率高、性能好以及巨大的市场潜力驱动着超导电机的发展。将超导 电机用于风力发电是目前发展的趋势。超导电机重量轻、紧凑性好，在风力发电机中特别具有优势。超导电机采用超导材料替代常规电机的转子。传统电机以铜 作为线圈绕组，采用超导材料后，可将铜用量从2.1ton减至0.44ton，铁用量从 10.5ton减少至2.8ton，大大减少了金属的使用量，降低了成本;而制冷系统电力消 耗导致的成本，已由使用周期长、效率高而得以抵消。
事实上，Bi-2223超导材料并不适合作为电机的电枢绕组，原因是 Bi-2223材料对磁场敏感，电枢绕组中的交流电磁场会导致Bi-2223超导材料的交 流损耗增加。从性能上说，YBCO比Bi-2223更适合用于超导电机。
1.3 超导变压器 超导变压器之所以具有吸引力，原因是：与传统变压器相比，体积可 减少50%，重量可减少70%，损耗低于30%;在发生瞬时过载时，不会发出噪声， 同时还具有一定的限流作用。目前，技术难点主要集中在交流损耗过高和磁场下 临界电流Ic值下降明显。2012年10月，中国船舶重工集团712所开发出我国首台 兆瓦级高温超导电机，并通过科技部的项目验收，总体指标处于先进水平。
1.4 超导限流器 超导限流器也称超导电阻(抗)器，串联于电路中，是依靠线圈的电阻 (感抗)限制电力系统的短路电流。线路正常运行时，限流器处于超导态，只有极 小的阻抗(基本为零，可以忽略)。当线路中电流超过临界电流Ic时，限流器失超， 在线路中表现为电阻或感抗。故障消除后，超导限流器自动复位，很适合用于电 网。超导限流器具有响应速度快、能快速自动复位和提高电网的稳定性等优点;
缺点是正常运行时功耗大。在超导限流器领域，我国的北京云电英纳超导电缆有 限公司在国际上处于领先地位。
2007年8月，由天津机电工业控股集团公司 和北京云电英纳超导电缆有限公司成功开发了35kV超导限流器，并在云南省普 吉变电站并网运行。
2013年3月，北京云电英纳超导电缆有限公司与广东电网公司电网规 划研究中心签订了500kV超导限流器样机研制的研发合同。
2013年4月，由天津市电力公司、北京云电英纳超导电缆有限公司和 天津百利电气控股集团共同承担的863项目—“220kV/800A高温超导限流器的研 究与开发”通过验收。
1.5 超导储能装置通过某种手段将能量存储起来，在需要时释放的过程，称为储能。按 照储能的方式，可分为物理储能、化学储能和电磁储能，超导储能是电磁储能的 一种。超导储能装置无需能量转换、直接储能，转换效率高，响应速度快，功率 密度大，用于电网时，低谷时储藏电能，高峰时释放电能，具有有效提高输电的 效率和经济性等优点;缺点是运行及维护成本高。我国首台超导储能装置位于甘 肃省白银变电站。
2 超导材料 在超导材料领域，铋系超导线称为一代超导线，钇系超导带材称为二 代超导线(带)材，事实上，YBCO材料的发现早于Bi-2223。YBCO于1987年在美 国发现，临界温度Tc约90K，远高于液氮沸点77K，超过了超导微观理论(巴库斯 理论，BCS)的规定，所以称之为高温超导材料。1988年，日本发现了Tc高达110K 的Bi-2223材料。由于YBCO工艺复杂，开发难度大，所以研究人员将焦点主要放 在了Bi-2223材料上。自Bi-2223发现后，超导线材的长尺化得到了促进，并进行 了超导电缆、电力引线和超导磁体等产品的开发。铋系超导材料有三种类型：
Bi2Sr2Cu2O6(Bi-2202，Tc约25K)，Bi2Sr2CaCu2O8(Bi-2212，Tc约80K)和Bi-2223。
由于Bi-2212容易合成，所以开发的早期阶段，以Bi-2212为主。随着工艺的成熟， 目前的Bi系超导材料基本指的是Bi-2223。Bi-2223带材采用套管法制备(Powder In Tube，PIT)，住友电工开创了一种“受压热处理工艺”，通过这种工艺，可大幅降 低材料中存在的空洞，在提高了带材临界电流和机械特性的同时，避免了由于液 氮导致的“鼓泡”现象，住友电工目前已可制备临界电流在200A以上的千米级 Bi-2223线材。PIT法也用于二硼化镁(MgB2)超导带材的制备。
从材料组成和特性看，YBCO材料的成本低，性能更好。但从目前发 展看，由于复杂的工艺及昂贵的设备，导致其成本比Bi-2223要高，要想实用化， 还有很多困难需要克服。
3 结语 超导技术在提高能源效率，提高电力系统的稳定性、安全性和保护环 境方面有着巨大的应用潜力。但在电力系统中大规模应用超导技术之前，必须对 其安全性和可靠性进行长期的验证，需要大笔的投资资金。此外，由于其工艺复 杂、成本高、投资额大及回收周期长等因素，很少有私人企业敢投身超导技术领 域，现在美国、韩国和日本等进行的相关项目也基本都是由政府资助。超导技术应用于电力系统需要较长的开发周期，这对政府的资助金额和资助跨度也是个考 验。从开发的角度看，应先选择研发周期短、投资少的的项目，开发小型样机验 证理论可行性和积累经验;然后再开发中型样机或示范线，累积数据;最后再进入 实际应用阶段。每个阶段都非常重要，且需较长的时间(多年)。
据估计，到2020年，超导市场主要由超导变压器、超导发电机和超导 电缆占有。不管超导潜在市场有多么广阔，超导技术的进步，需要不断的投入和 推动，必须在政府的支持下，才有望实现产业化。
