YBCO超導體的電工學應用進展探討

付陽

摘 要：YBCO自問世以來，具有比其他電工磁性材料更加優越的電工學應用性能，在電工學領域中應用價值極大。本文首先介紹了YBCO超導體的結構性能，在YBCO超導體的理論基礎上，闡述了YBCO塊材和帶材在電工學領域的應用進展，以對高溫超導體材料有一個更加準確的認識，促進高溫超導體材料在各個領域的應用和發展。

關鍵詞：YBCO超導體;帶材;塊材;電工學

中圖分類號：TM26 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）17-0036-03

Abstract： Since its inception， YBCO has been superior to other electrical materials in electrical engineering， and has great application value in the field of electrical engineering. Firstly， the structural properties of YBCO superconductors were introduced. Based on the theory of YBCO superconductors， the research progress of YBCO bulk materials and strips in the field of electrical engineering was expounded， in order to have a more accurate understanding of high temperature superconductor materials and promote the application and development of high temperature superconductor materials in various fields.

Keywords： YBCO superconductor;strip;block;electrical engineering

自19世紀超導現象被發現至今，學者們對超導材料的研究已有上百年。隨著科學家們不斷探索，超導體在各個領域中得到了廣泛應用，對超導體的研究也成為科學家們一直以來較為關注的重點問題。在漫長的歲月里，科學家研究的超導體大多都屬于低溫超導體，也有些超導材料的臨界溫度較高，但僅是小部分。超導材料具有零電阻、低耗能的特點，相信在未來的研究中，高溫超導材料定會掀起一陣工業改革風。本文以YBCO高溫超導體為研究對象，對YBCO高溫超導體的電工學應用進展進行研究，以挖掘超導體在電工學領域中的應用價值。

1 YBCO高溫超導材料的性能研究

超導材料是指具有超導性的材料，該材料在室溫下是有電阻的良好導體，但隨著溫度的不斷降低，其電阻降低，當溫度達到臨界溫度以下，其電阻會突然消失[1]。高溫超導材料中，釔鋇銅氧（YBCO）用于制備超導薄膜，在電子通信領域應用較為廣泛。YBCO高溫超導體除了具有零電阻、低能耗等傳統導體的基本性能外，還具有90K以上的超高臨界溫度，屬于畸變的層狀鈣鈦礦結構，是氧化物超導體的一種[2]。

正交相的Y1Ba2Cu3O7-r晶體結構是一種嚴重畸變的鷹鈣鈦礦結構，其晶格常數為：[a=3.82A，b=3.89A，][c=11.6A]，其晶格常數的特點為：[a-b-c3]，這一特點對YBCO薄膜的結晶取向產生一定影響[3]。YBCO結構如圖1所示。

2 YBCO超導體的電工學應用進展研究

超導體具有零電阻、高密度載流能力、完全抗磁性、超導態—正常態轉變等電磁特性，這些特性使其完全區別于傳統電工導體和電工磁性材料，因而在電工學領域具有廣泛的應用價值[4]。超導電工學主要研究方向如圖2所示。

2.1 YBCO在超導電力技術中的應用進展研究

2.1.1 超導限流器。超導限流器（SFCL）分為電阻型限流器與電感型限流器兩種。兩種類型的限流器都是利用超導帶材進行限流，區別是前者利用超導帶材在過流時失超產生的電阻進行限流，后者則利用超導帶材高密度無阻載流能力進行限流。電阻型限流器的電路結構如圖3所示。

注：Ks為主斷路器;Kfs為快速斷路器;L為電抗器;R為電阻器。

當限流器處于正常工作狀態時，電流會通過Ks、Kfs和SFCL;發生短路后，電流會超出設定的臨界電流;L、R會分擔部分電流，KfsUI快速斷開電路，避免SFCL溫度過高燒壞線路。

超導限流器的研究進展如表1所示。

2.1.2 超導變壓器。超導變壓器的工作原理與常規變壓器的工作原理相同，使用超導線代替銅導線，在低溫運行環境下進行超導繞組運行。近年來，YBCO超導帶材的性能不斷完善，以YBCO帶材為主要材料的超導變壓器的研究也在逐漸增加，如表2所示。

2.1.3 超導儲能系統。超導儲能（SMES）原理結構如圖4所示。超導儲能系統利用超導電感線圈存儲電能，與電力電子換流器完成功率交換。利用超導帶材零電阻、密度高的優勢，實現超導儲能系統高功率快速響應的特性，以保證電力系統的穩定性。

儲能線圈是超導儲能系統的核心，螺管線圈以矩陣截面結構為主，結構簡單，但利用率不高，因此對改變線圈結構的研究較多。例如，與矩形截面結構相比，階梯形截面結構設計復雜，但可以減小帶材的磁場分量，提高臨界電流與儲能量。中國科學院電工研究所于2016年研制出一款超導限流儲能系統（1MJ），采用的線圈方式是組合線圈結構，投入運行后其性能良好;日本完成了基于YBCO超導體2GJ儲能線圈設計;韓國、德國等國家也相繼對2.5MJ、3.8MJ和4.8MJ等超導儲能系統進行了設計。

2.2 YBCO在超導磁體技術中的應用進展研究

YBCO在超導磁體技術中的應用進展如表3所示。高磁場有助于幫助科學實驗發現新現象和新規律，因此，科學家們一直努力研究更高磁場的磁體。當前，最強的磁場為45T，但在運行過程中仍然存在一些問題，如水冷線圈需要有龐大的水冷系統作為支撐，當功耗超過設定閾值時，就會出現維護困難的問題。高溫超導體在低溫環境下具有較高的不可逆的特點，采用高溫與低溫相結合的方式則成為目前高場磁體發展的研究重點。

3 結語

YBCO超導體自發現以來，為社會所作出了巨大貢獻，在超導限流器、超導變壓器、超導電感儲能、超導磁體等電工學方面的應用廣泛。超導體雖然易受市場價格、低溫制冷等條件的制約，但在特殊的應用場合下，超導體技術是傳統技術無法替代的。因此，重點探索YBCO超導體在電工學方面的應用，將會為新興產業發展作出巨大的貢獻。

參考文獻：

[1]張騰，古宏偉，丁發柱.MOCVD法制備YBCO高溫超導體所需前驅鹽的制備研究[J].中國材料進展，2011（12）：52-55.

[2]尉國茹.YBCO超導體物理屬性受氧氣氛影響及磁滯來源研究[D].鄭州：鄭州大學，2013.

[3]張荔敏，劉力源，朱運鵬，等.YBCO高溫超導體交流損耗與溫升特性的數值仿真研究[J].低溫與超導，2015（6）：1-6.

[4]侯文東.氧氣氛對YBCO超導體磁懸浮性能影響研究[J].科技創新導報，2016（14）：167-168.