低溫系統及其在超導電力傳輸中的應用

甘泉 劉麗穎

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

低溫系統及其在超導電力傳輸中的應用

甘泉1，2劉麗穎2

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

本文對各種低溫獲得與保持技術進行了廣泛的論述。針對超導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與設備，取得成本、性能與可操作性的平衡。在經濟與科技比較發達的地區，適合采用制冷劑型的低溫設備；在其它地區，則比較適合采用制冷機型的低溫設備。

電力傳輸；超導；低溫

1、超導電力傳輸

一般來說，根據物體導電能力的強弱，可以把物體分為導體、半導體和絕緣體。導體的主要代表有銅、鋁、銀等金屬，絕緣體的典型代表有陶瓷、塑料、橡膠和玻璃，現在電力傳輸所用的電纜，都是用銅、鋁作為內芯，外面包覆一層絕緣體。物體的導電特性和溫度有非常大的關系，對于金屬材料，溫度越低，材料的電導率越大。

1911年，荷蘭物理學家昂內斯在用液氦將汞的溫度降到4.15K（零下273攝氏度為0K）時，發現汞的電阻降為零。他把這種現象稱為超導性[1]。后來昂內斯和其他科學家陸續發現其他一些金屬也是超導體，昂內斯因為這項重大發現而獲得1913年的諾貝爾物理學獎。超導現象是指材料在低于某一溫度時，電阻變為零的現象，而這一溫度稱為超導轉變溫度（Tc）。起初人們發現的超導體主要是金屬和合金，它們的超導轉變溫度一般都在20K以下。1987年，美國華裔科學家朱經武與臺灣物理學家吳茂昆以及中國科學家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上[2]。

由于超導體的電阻為零，所以用超導材料制成的電纜，可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據統計，目前的銅或鋁導線輸電，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1000多億度。若改為超導輸電，節省的電能相當于新建數十個大型發電廠，在超導電力傳輸方面，美國走在了世界的最前沿。

圖1 常規銅電纜（左）與超導電纜（右）對比

2008年7月2 號，美國超導公司正式在一個商業電網中部署了世界上第一個高溫超導輸電系統。這一超導輸電系統在滿負荷運轉時能夠滿足30萬戶家庭的用電需求，僅由三根138千伏的電纜組成。相比同樣粗細的銅導線，他們的輸電能力高達150倍。盡管這一工程造價昂貴，但是新型超導電纜的造價將降低五分之四，輸電纜溝的寬度僅為一米左右。它的另一個優點是這種電纜能夠防止由電網短路造成的故障電流。超導體有一種天生的電流限制能力，一旦電流增強到一定程度，它們就會失去超導性而變得像普通導體一樣有電阻，使電流衰減。因此，該技術也得到美國國土安全部的支持。2009年10月13日，美國超導公司宣布超導輸電通道已經被美國第一個可再生能源市場中心TresAmigas項目選用，該項目首次連接美國的三個電網，即東部電網、西部電網和德克薩斯電網，以滿足新能源傳輸的增長并增強電網的可靠性。TresAmigas可再生能源樞紐將會是一個好幾英里三角形的超導輸電通道，能夠在三個電網內傳輸和平衡幾千兆瓦的可再生能源。

從電力傳輸角度來說，超導傳輸線的兩個最重要的參數是超導轉變溫度Tc和臨界電流Jc。當超導體中通過的電流大于臨界電流的時候，超導體將恢復常態，一般來說，超導體的溫度越低，臨界電流的數值越大。由于超導特性只有在低溫下才能出現，所以決定超導電力傳輸的主要問題就是低溫技術。溫度越低，超導電纜的性能越好，但是獲得低溫所用的成本也越高。所以超導電纜研究的最主要目標就是提高電纜的超導轉變溫度和臨界電流。

2、低溫獲得技術

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

制冷劑是溫度非常低的物質，當它和物體接觸時會吸收物體的熱量，從而使物體降溫。制冷劑吸收熱量以后會散發掉，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雜的設備，液氦的儲存、運輸都需要特殊的容器，才能減少液氦的損耗，即便如此，液氦還是會在儲存、運輸過程中不斷流失。氦在地球中的含量很少，所以事實上只有美國大量生產液氦。由于液氦必須儲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掉。所以液氦的主要缺點是價格昂貴。

液氮的主要問題就是它的沸點太高。在實際使用中，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。現在人們正在探索液氮溫區的新興高溫超導材料。

液氫是最近研究比較密集的一種制冷劑，它的沸點是20K左右，能夠達到一些新型超導材料的超導轉變溫度要求。其中比較引人注目的材料是MgB2，它的超導轉變溫度是40K，臨界電流密度也很高。液氫本來不作為制冷劑使用，因為氫氣容易發生爆炸。隨著對清潔能源的不斷需求，人們設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。制冷機則可以在只消耗電能的情況下實現低溫。使用的制冷機有兩種，一種是GM機，另一種是脈管機。

GM機的基本本原理是：室溫下壓縮氦氣，然后通過柔性管線輸運至制冷機。壓縮的氦氣通過膨脹制冷，為制冷機的兩個“熱站”提供冷量。氣體在制冷機制冷后返回壓縮機周而復始，就可以連續地進行制冷。

脈管(PT)制冷機使用類似G-M 制冷機的壓縮和膨脹循環過程，但是沒有G-M制冷機中的運動部件回熱器，從而在相同真空法蘭連接情況下，脈管制冷機的振動比G-M要小。

3、低溫保持技術

低溫下的物體會通過傳導、對流和熱輻射的方式吸收周圍環境的熱量，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。為了阻止熱傳導和對流，需要在恒溫器內部維持真空，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，一類是傳導型低溫恒溫器，另一類是交換氣體型低溫恒溫器。傳導型低溫恒溫器結構簡單，通過金屬塊將冷源的冷量，傳導給被降溫的物體；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。

圖2 以制冷機為冷源的低溫恒溫器[4]

在檢測超導電纜的臨界溫度的時候，需要檢測電纜電阻隨溫度的變化關系，由于超導體電阻極小，所以一般采用四端法測量電阻。四端法的基本特點是恒流電源通過兩個電流引線極將電流供給待測低值電阻，而電壓則通過兩個電壓引線來測量,由恒流電源所供電流而在待測低值電阻上所形成的電位差。由于兩個電流引線極在兩個電壓引線極之外，因此可排除電流引線極接觸電阻和引線電阻對測量的影響。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測量的影響可忽略不計。檢測超導電纜的臨界溫度一般選用接觸型的低溫恒溫器，這種恒溫器結構簡單，價格便宜，升降溫方便。

圖3 四端法測量低電阻[3]

圖4 交換氣體型液氦低溫恒溫器[4]

4.結語

綜上所述，在進行超導電纜性質研究的過程中，應該根據實際情況，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電纜性質的研究，但是液氦價格昂貴，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，但是價格昂貴；如果不進行臨界電流測量，最合適的就是熱傳導型低溫恒溫器。

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

[4]www.janis.com

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.033

甘泉（1981—），男，大學本科，助理工程師，工學學士，畢業于華北電力大學，現就職于華北電網有限公司承德供電公司。

劉麗穎（1983—），女，大學本科，助理經濟師，管理學學士，畢業于河北大學，現就職于華北電網有限公司承德供電公司。