新型電纜與高溫超導(dǎo)技術(shù)結(jié)合的探究

楊思哲

摘 要：第二次工業(yè)革命后人類進入電氣時代，電能作為一種二次能源和可再生能源具有便于利用、清潔等優(yōu)點，在我們生產(chǎn)生活中的地位舉足輕重。然而由于我國幅員遼闊，能源資源在空間上的分布和負荷的地理分布并不統(tǒng)一，大規(guī)模和長距離的電力輸送成為解決我國能源問題的關(guān)鍵點之一。傳統(tǒng)電纜已經(jīng)在此類輸電方式上做出了巨大貢獻，但仍存在維護成本高、電能損耗較大等問題。高溫超導(dǎo)這項前沿技術(shù)將在輸電領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢。文章從高溫超導(dǎo)的特性開始，分析了高溫超導(dǎo)輸電電纜的優(yōu)勢、局限和現(xiàn)狀等問題，并提出了新型電纜結(jié)構(gòu)與高溫超導(dǎo)帶材結(jié)合的設(shè)想。

關(guān)鍵詞：高溫超導(dǎo)；新型電纜；輸電

中圖分類號：TM249 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0252-02

0 引言

超導(dǎo)體是指在某一較低溫度下，展現(xiàn)出零電阻特性的導(dǎo)體。低溫研究不斷發(fā)展促進了超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。超導(dǎo)體第一次走進人們的視野是在1911年，荷蘭科學(xué)家卡麥林·昂尼斯（Kamerlingh Onnes）等人發(fā)現(xiàn)在極低溫度下汞的電阻極小，甚至消失，表現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)。其臨界溫度Tc為4.2K。零電阻僅是超導(dǎo)體的特性之一，隨后，超導(dǎo)體更多奇特的性質(zhì)，如邁斯納效應(yīng)與約瑟夫森效應(yīng)被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。1933年，德國科學(xué)家瓦爾特·邁斯納（W·Meissner）和羅伯特·奧森菲爾德（R·Ochsebfekd）通過測量錫單晶超導(dǎo)體的磁場分布，發(fā)現(xiàn)臨界溫度下金屬進入超動態(tài)，此時處于磁場中的超導(dǎo)體體內(nèi)的磁力線瞬間被排出，體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零，即完全抗磁性。并且無論降溫與施加磁場的先后超導(dǎo)體一旦處于超導(dǎo)態(tài)，就會把磁通量排出體外。這就是判斷超導(dǎo)體的另一特征指標，被稱為邁斯納效應(yīng)。1962年，英國物理學(xué)家B·D約瑟夫森從理論上對前人加埃弗的實驗進行分析計算并大膽預(yù)言，當很薄的絕緣層隔開兩塊超導(dǎo)體時，將出現(xiàn)橫跨約瑟夫森結(jié)的超電流現(xiàn)象，即約瑟夫森效應(yīng)。一年后，約瑟夫森的預(yù)言被P·W安德森和J·M羅厄爾通過大量實驗證明。

超導(dǎo)體需要在極低的溫度下才可以表現(xiàn)出超導(dǎo)態(tài)，這使得其在被發(fā)現(xiàn)后很長一段時間無法被廣泛應(yīng)用。1986年，美國IBM公司的柏諾茲（Bednorz）和繆勒（Muller）在瑞士蘇黎世實驗室發(fā)現(xiàn)臨界溫度達35K的鑭鋇銅氧體系。隨后，液氮的溫度壁壘于1987年被真正突破，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)家趙忠賢在釔鋇銅氧體系上將臨界溫度Tc提升到90K。在此次之后，高溫超導(dǎo)材料的研究不斷深入，并漸漸投入實際應(yīng)用[1]。

隨著電力工業(yè)規(guī)模發(fā)展，全社會用電量加大，我國對電力電纜的需求急劇增加，各種類型的電纜也應(yīng)運而生。油浸紙絕緣電力電纜和充油電纜最早達到高電壓輸電等級。擠塑電纜因工藝等問題存在較高故障率，且穩(wěn)定性較低，損耗較大。高溫超導(dǎo)電纜一直以來是電纜開發(fā)的熱點，可實現(xiàn)大容量，低損耗輸電，但成本造價較高。在未來，我國輸電技術(shù)將朝著電壓高、容量大、距離長的方向發(fā)展，由交流到直流逐步轉(zhuǎn)變，這也將是電力電纜的發(fā)展趨勢。

1 高溫超導(dǎo)輸電原理及其巨大潛力

超導(dǎo)材料因其高密度載流能力成為超導(dǎo)輸電技術(shù)的基礎(chǔ)。人們已經(jīng)進行了大量低溫超導(dǎo)電纜的研究工作，但是事實證明，由于造價、運行成本昂貴，低溫超導(dǎo)電纜商業(yè)化困難重重。1986年繆勒發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體，人們再次對超導(dǎo)電纜產(chǎn)生興趣。高溫超導(dǎo)輸電利用臨界溫度在90K以上，120K以下的高溫超導(dǎo)材料，液氮做制冷劑就可使它們表現(xiàn)出超導(dǎo)態(tài)。氮的沸點相對氦、氫較高，便于液化，且在空氣中含量巨大，因此，未來超導(dǎo)輸電技術(shù)將主要圍繞高溫超導(dǎo)輸電進行，新型電纜與高溫超導(dǎo)技術(shù)結(jié)合已是大勢所趨。

高溫超導(dǎo)電纜作為新興電纜與高溫超導(dǎo)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，以零電阻和電流密度高的超導(dǎo)材料為其載流導(dǎo)體，焦耳熱損耗可視為零[2]。二十世紀末，超導(dǎo)應(yīng)用的研究因高溫超導(dǎo)材料制備的相關(guān)技術(shù)取得突破而被極大促進。目前主要有三類高溫超導(dǎo)帶（線）材應(yīng)用于高溫超導(dǎo)電纜。

第一代鉍系高溫超導(dǎo)帶材（BSCCO/Ag復(fù)合帶材）是通過熱處理實現(xiàn)帶材致密化，通過粉末包套法（PIT法）制備的鉍系高溫超導(dǎo)帶材。由于BSCCO晶體的層化結(jié)構(gòu)，此類帶材的工藝已相對成熟。但鉍系高溫超導(dǎo)帶材不可逆磁場小，磁場極大地影響其臨界電流Ic。另外，成本較高也使鉍系高溫超導(dǎo)帶材應(yīng)用受限。

第二代釔系高溫超導(dǎo)帶材因其超導(dǎo)體導(dǎo)電的各向異性弱，比鉍系超導(dǎo)帶材具有更為優(yōu)良的磁場特性和載流性能。如今釔系高溫超導(dǎo)帶材已確立相應(yīng)的涂層工藝制造技術(shù)，成本有望進一步降低。

第三代的高溫超導(dǎo)帶材正在研發(fā)之中，2001年日本研究人員發(fā)現(xiàn)離子化合物MgB2在40K左右會轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，由此研發(fā)除了新型MgB2高溫超導(dǎo)帶材。相較于低溫超導(dǎo)材料，MgB2的臨界溫度處于液氫溫區(qū)，運行成本更低廉；相較于氧化物高溫超導(dǎo)體，MgB2晶粒間結(jié)合性較強，很大程度上方便了帶材的制備。這種新型的高溫超導(dǎo)帶材具有良好的發(fā)展前景。

高溫超導(dǎo)輸電的優(yōu)越性可概括為大容量、低損耗、體積小、可降低輸電電壓、資源節(jié)約、環(huán)境友好。隨著長距離、大容量輸電需求和大城市用電量增加，傳統(tǒng)高壓架空線輸電將會遭遇許多困難[3]。在這種情況下，高溫超導(dǎo)輸電電纜更適應(yīng)未來輸電需求。與常規(guī)電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜的電流密度約高兩個數(shù)量級，而能量損耗只有常規(guī)電纜的約50%。高溫超導(dǎo)電纜在電力應(yīng)用領(lǐng)域的前景必將越來越廣闊。

2 高溫超導(dǎo)輸電電纜的發(fā)展現(xiàn)狀及其局限性

早在1988年至1990年，歐、美、日等國的科學(xué)家就著手于高溫超導(dǎo)輸電電纜的實用性和可行性研究。結(jié)果證明高溫超導(dǎo)電纜具有極大的應(yīng)用潛力。1999年，美國Southwire研發(fā)部門研制出了三相高溫超導(dǎo)電纜，其長度可達到30米，能承受的最大電流/電壓為12.5kV/1.25kA，可以提供其總部的電力需求。1997年，日本住友電氣公司、日本電力公司和古河電氣公司分別研發(fā)出50m長、1200A和2200A的高溫超導(dǎo)輸電電纜。2001年，韓國制定高溫超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，高溫超導(dǎo)電纜的研究不斷取得重大突破。至2012年我國研發(fā)的Bi2223帶材長380m、電流密度10kA，已實現(xiàn)實驗運行。

與常規(guī)電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由電纜本體、低溫制冷系統(tǒng)和終端組成[4]。由電纜芯、電絕緣、低溫恒溫管環(huán)環(huán)相套而成的電纜本體是超導(dǎo)電纜的關(guān)鍵部分。為保證超導(dǎo)電纜夾層高真空度和電流柔性，低溫恒溫管通常使用高真空、超級絕熱的波紋管結(jié)構(gòu)，其兩端連接終端，中間圍繞著超導(dǎo)線帶繞成的電纜芯。超導(dǎo)電纜絕緣有兩種方式：低溫絕緣和常溫絕緣。低溫絕緣是指電絕緣層直接包在導(dǎo)體上，處于低溫區(qū)。電絕緣層處于常溫區(qū)，即處在低溫恒溫管外，則被稱為常溫絕緣。超導(dǎo)電纜終端作為電纜和外電氣部件相連的兩端，是高溫超導(dǎo)電纜的重要組成部分，也是電力由低溫過度到室溫的部分。因為終端又是冷卻液和制冷設(shè)備連接的通道，所以它對耐高壓、熱負荷有很高要求。低溫冷卻系統(tǒng)為超導(dǎo)材料表現(xiàn)出超導(dǎo)態(tài)提供低溫條件。

技術(shù)要求苛刻、結(jié)構(gòu)復(fù)雜決定了高溫超導(dǎo)電纜在應(yīng)用上存在局限性。高溫超導(dǎo)電纜制備難度大、成本高，有交流損耗、介質(zhì)損耗、熱損耗等多方面損耗來源，相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)不夠完備等問題亟待解決。

3 新型電纜結(jié)構(gòu)和高溫超導(dǎo)帶材結(jié)合的設(shè)想

本文對于現(xiàn)階段比較成熟的高溫超導(dǎo)帶材（例如第二代釔系高溫超導(dǎo)帶材）[5]，與新型的電纜結(jié)構(gòu)進行結(jié)合，提出一個更加堅固穩(wěn)定并且具有更高的能量利用率的結(jié)構(gòu)設(shè)想，目前對于常見的電纜，分為單相和三相高溫超導(dǎo)電纜，以三相高溫超導(dǎo)電纜為例。

無論是室溫介質(zhì)還是低溫介質(zhì)的高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)都較復(fù)雜，存在生產(chǎn)難度大、成本高及安裝、運行、維護的實際操作問題。本文提出的結(jié)構(gòu)設(shè)想是一種全新的高溫超導(dǎo)電纜本體設(shè)計，如圖1所示，其由于采用三角形的結(jié)構(gòu)設(shè)計，相對于傳統(tǒng)的圓形高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)具有較高的形狀穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)堅固性[6]。

高溫超導(dǎo)輸電電纜的截面圖如圖2所示。其整個電纜結(jié)構(gòu)由多段高溫超導(dǎo)長帶材串聯(lián)組成。其中三角形結(jié)構(gòu)的三條邊為釔系高溫超導(dǎo)帶材，其具有優(yōu)良的磁場特性和載流性能，三個邊正好分別組成三相電流的三個電流輸電線。中間的白色部分為液氮冷卻體，液氮由中間冷卻體部分通入，可以使得溫度降低到高溫超導(dǎo)體的臨界溫度以下。

冷卻過后的液氮可以從三個帶材圍成的三角體外流出，也可以制作對切的三角形帶材，從一個三角單元中間流入，然后從另一個三角單元流出；或者堆疊成為六邊形，形成蜂巢狀的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。以上結(jié)構(gòu)可以更高的提高使用效率，從而實現(xiàn)大電流、高電壓、低損耗、低成本的電流輸送。

4 結(jié)語

此設(shè)計相較于已有的超導(dǎo)電纜設(shè)計結(jié)構(gòu)更加簡捷，可盡可能地降低生產(chǎn)難度，進一步降低成本，并簡化高溫超導(dǎo)電纜在安裝、運行、維護過程中的實際操作。但此設(shè)計仍處于初步構(gòu)想階段，仍有許多問題有待解決，如在堆疊的YBCO高溫超導(dǎo)材料間未找到合適的、足夠薄的材料進行隔絕，未找到彎角與直線部分完美對接的有效方案。

近年來，高溫超導(dǎo)輸電電纜已經(jīng)在一些應(yīng)用領(lǐng)域嶄露頭角[7]?；诔鞘泄╇娏坎粩嘣黾?，大容量供電需求不斷加大的供電線路現(xiàn)狀，相信未來高溫超導(dǎo)輸電電纜會有十分廣闊的應(yīng)用前景[8]?？梢灶A(yù)見的是，高溫超導(dǎo)輸電電纜必將在不久的將來實現(xiàn)商品化，成為主流的輸電載體。

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