21世纪电力传输新材料高温超导电缆综述与展望.pdf
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1、2 0 0 4年第 l期 No1 20 0 4 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e& Ca b l e 2 0 0 4 年 2月 Fe b, 2 0 04 2 1世纪电力传输新材料高温超导 电缆综述与展望 信 赢 , 侯 波 ( 北京云 电英纳超导 电缆有限公司 , 北京 1 0 0 1 7 6 ) 薹 t 本 文 简要 回顾 了超导现 象的发现及超 导性研 究和超导材料发展 的历 史, 介绍 了高温超 导电境的基本技 术和 日 内外发展情 况, 对高温超导 电境 的制造成本和运行 费用进行 了评 估, 并探讨 了高温超 导电境在我 国的 应用首景 , 同时辰望 了高温
2、超导 电境的应用给未来的输电 系统可能带来的革命 性变化 。 关谰 t 高温超导 电境 ; 超 导材料 ; 基本结构 ; 发展情 况; 应用首 景; 未来的 电境传输 系统 ; 综述 与展望 中分类号 : TM2 4 9 7 文献标识码 : A 文章 编号 : 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 0 4 ) 0 1 0 0 0 3 0 7 Ge n e r a l i nt r o du c t i on t o a n d f o r e c a s t of hi g h t e m p e r a t u r e s u pe r c on du c t i v e c a b
3、l e,a ne w me d i u m f o r p owe r t r a ns mi s s i o n i n 2 1 Ce nt u r y XI N Yi ng e t a l ( Yu n d i a n Yi n g n a S u p e r c 0 n d u c t i v e Ca b l e Co ,I t d ,B e i j i n g,B e i j i n g 1 0 0 1 7 6 ,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Thi s p a pe r r e v i ews b r i e f l y t he d i s c o ve
4、r y of s up er c o nd uc t or,r es e ar c h i n t o s up er c 0n du c t i v i t y a n d de v e l o pme nt o f s up er c 0 ndu c t i ng ma t e r i a l sTh e ba s i c t e c hno l o gy a nd d e ve l op me nt a t h ome an d a b r o a d of HTS C a r e p r e s e n t e d Th e p r o d u c t i o n a n d o p
5、e r a t i n g c o s t s o f HTS C a r e e v a l u a t e d Th e p r o s p e c t o f a p p l i c a t i o n o f HTS C i n Ch i n a i s i n v e s t i g a t e d Th e r e v o l u t i o n a r y c h a n g e s o f t h e p o we r t r a n s mi s s i o n s y s t e m t h a t ma y b e b r o u g h t a b o u t b y
6、HTS C a r e e n v i s a g e d Ke y wor d s:hi gh t emp er a t ur e s up er c 0 nd uc t i ve c a bl e;s u pe r c 0n duc t i ng ma t e r i a l s;b a s i c c o ns t r uc t i on;d e v el op me nt s;pr os pe c t of app l i c a t i on;f ut ur e po we r t r a ns mi s s i o n s y s t e m ;g e ne r al i n t
7、r o duc t i o n a nd f or e c a s t l 超导性和超导材料简 介 1 9 1 1年荷 兰低 温 物理 学 家卡 麦林 昂尼 斯 ( K a me r l i n g h On n e s ) 对 汞导 线 样 品进 行 电阻 测 量 , 在 温度 达到 4 2 K 时 , 样 品的 电阻突然 消失 了。 他 在 当年 1 0月于布鲁塞尔召开的第一届索尔维大会上 宣 布 了这一 实验结 果 。 当时在会 议上 并没 有引起 多 大的反响 , 与会者并没有认识到这可能是一个新 的 物理 现 象 的发现 。 在接 下来 的几 年里 , 昂尼 斯又 和他 的学生 们
8、一起 发 现 了铟 、 锡 和铅 在 3 4 K、 3 7 K 和 7 2 K 也 出现 了电阻 突然 消失 的现 象 。 直 到这 时 , 这 种 电阻 突然 消失 的现 象才 得到科 学 界 的重 视 。 因为 导体的电阻消失 , 所以这种现象被称为超导现象。 具 有超导现象的材料被称为超导体 , 而对应于某一超 导体电阻突然消失的温度被称为该材料的超导临界 转变温度。 超导体有两个基本特性。 其一在上面已经提到 , 即零 电阻性 , 即在超 导临 界转 变温 度之下 , 超 导体可 收一 日期 : 2 0 0 3 0 6 一 1 0 作者筲 介 : 信赢 ( 1 9 5 3 一 ) ,
9、男 , 黑龙 江齐齐 哈尔人 , 工 学博士 , 总经理 作I I 垃 t 北京经济技术开发 区荣 昌东街 7号隆盛工业 园 5 0 3室E 1 0 0 1 7 6 以在无电阻的状态下传输电流。超导体 的另一个基 本特性是完全抗磁性 , 也就是说超导体在处于超导 状态 时 , 可 以完 全排 除磁力 线 的进入 。 这个 现象是 迈 斯 纳 ( Me i s s n e r ) 和奥 克森 费尔 德 ( Os c h e n f e l d ) 在 1 9 3 3 年 发 现 的 , 所 以称 做迈 斯纳效 应 。 自从 昂尼斯 1 9 1 1年发 现超 导 现 象 以来 到 1 9 8 6
10、年 , 人们已发现共有近 4 0种元素是超导体 。被发现 的合金、 化合物超导体的数量达到数千种。 但超导临 界转变温度最高的也只有 2 3 K。1 9 8 6年 4月, I B M 公 司苏黎世实验 室的科学家阿历克斯 缪乐 ( K Al e x Mt i l l e r )和 乔 革 贝 德 诺 冶 ( J G e o r g B e d n o r z ) 发现 在 镧一 钡一 铜一 氧样 品 中 出现 了 3 6 K 的 超 导转 变 1 。这个 发现 在世 界科学 界掀 起 了一股 在 铜基氧化物中寻找超导体的热潮 。1 9 8 7年初 , 超导 转变温度 为 9 0 K 的钇一 钡
11、一 铜一 氧被发现 , 这使超导 转变温度高于液氮的气化温度( 7 7 3 K) , 使资源丰 富、 价格低廉 的液氮作为超导体工作的冷却剂成为 可能 , 这是个划时代的发现 。 人们随后将这类铜基氧 化物超导体叫做高温超导体 。为了与这类新发现的 高温超导体相区别 , 人们把在这以前发现的超导体 称为低温超导体 。 1 9 8 8年又有超导转变温度分别为 1 1 0 K和 1 2 5 K的铋一 锶一 钙一 铜一 氧和铊一 钡一 钙一 铜一 氧 超导体被发现。1 9 9 3年 , 人们发现 了超导临界转变 维普资讯 2 0 0 4年第 1期 No1 2 00 4 电 线 电 缆 El e c
12、t r i c W i r e& Ca b l e 2 0 0 4年 2月 Feb, 20 04 温度为 1 3 3 K的汞一 钡一 钙一 铜一 氧 。 2 高温超导 电缆 技术概 要 2 1 概 述 超导材料的零 电阻特性使其成为电流传输的理 想导体 。使用超导材料作为导体的传输的电力电缆 被称 为超 导 电缆 。低温超 导 体应用 时需 要液 氦作 为 冷却剂 , 液氦的价格很高, 这就使低温超导电缆丧失 了工业 化应用 的可行性 。若 使用 高温 超导材 料 作为 导 电线 芯 , 并制造 成 的超导 电缆 , 就可 以在 液氮 的冷 却下无电阻地传送 电能。高温超导电缆的出现使超 导技
13、术 在 电力 电缆 方 面 的工 业应 用成 为可 能 。 2 2 高温超导电缆所使用的导体材料 目前市场上可以得到的并用来制造高温超导电 缆 的材 料 主 要 是 银 包 套 的铋 系 高 温超 导 材料 ( B i , P b ) 。 S r 。 C a 。 C u 。 O。 。 的 多 芯 带 材 , 它 的超 导 临 界 转 变 温度为 1 0 5 1 l 0 K, 临界工程电流密度为 8 0 0 0 1 2 0 0 0 A c m。 。 目前 世 界上 最 大 的生 产厂 家 是 美 国 超 导公 司 ( A me r i c a n S u p e r c o n d u c t
14、o r , C o ) , 其 生 产 能力和产品技术指标都处于领先地位 。我国的北京 英 纳超导 技术 有限 公司 的生 产能力 和产 品技术 指标 也处 于世 界前 列 。 当前 ( B i , P b ) 。 S r 2 C a 2 C u 。 O 。 的多芯 带材的市场价格是 2 0 0 3 0 0 美元 k A m。 2 3 高温 超导 电缆 的基本 结构 高温超导电缆的基本结构与常规电缆有很大的 差异 , 从 内到外 , 一般 依次 为 : 丑 】 单芯电缆 ( 1 )内支 撑管 。通 常为 罩有 密致 金 属 网的金 属 波纹 管 , 作为超 导带 材排 绕 的基 准 支撑物 ,
15、 同 时也用 于液 氮 冷却 流通管 道 。 ( 2 )电缆导 体 。由铋 系 高温 超导 带材 绕制 而成 , 一 般 为 多层 。 ( 3 )热绝缘层 。通常由同轴双层金属波纹管套 制 , 两层 波纹管 间抽 真空 并嵌有 多层 防辐射 金 属箔 , 其 功能 是使 电缆 超导 导 体 与外 部 环境 实 现热 绝 缘 , 保证 超导 导体 安全 运行 的低温 环境 。 ( 4 )电绝缘 层 。 电绝 缘层 置于热 绝缘 层外 面 的 , 因其处 于 环境 温 度 下 , 故 习惯 上 被称 为 常温 绝 缘超 导 电缆 ( 或热 绝缘 超 导 电缆 ) , 常 温绝 缘超 导 电缆 的
16、电绝缘 层 由常规 电 缆 绝缘 材料 制 作 ; 电绝 缘 层 置 于 热绝缘 层 里 面 的 , 在 电缆进 行 运行 状 态 时处 于 低 温 环 境 , 故 被称 为冷 绝缘超 导 电缆 , 这 类 电缆 的电绝缘 层需要用适合于低温环境的电气绝缘材料制造 。 ( 5 )电缆 屏 蔽层 和护层 。电缆 屏蔽 层 和护 层 的 功能与常规电力电缆类似, 既起着电磁屏蔽, 短路保 护, 也起着物理、 化学和环境的防护等 。常温绝缘超 导 电缆 屏蔽 层和 护层 的材料 与常规 电缆 没有 什么不 同 ; 冷绝 缘 超导 电缆 的屏蔽 层可 以用超 导材 料制作 , 护层 与常规 电缆 相
17、同。 除了上述的主要元件之外, 高温超导电缆的结 构中还可能包括一些辅助元件, 例如电缆导体层问 绝缘膜 、 约束 电缆各部分相对位置的包层 和调距压 条等 。图 1为高 温超导 电缆 的结构 示 意图 。 b ) 三芯 同轴 电缩 图 1 高温超导电缆结 构 2 4 高温超导电缆的附件 高温超导电缆的运行条件与常规电缆有很大的 差 异 , 所 以与之 配 套 的 附件 也 与常 规 电缆 的附 件 有 很大区别 。 高温超导 电缆的附件有两个部分组成 , 一 个是制冷系统 , 另一个是 电缆终端 。 ( 1 )制冷系统。高温超导电缆需要低温的工作 环境 ( 一般为液氮温 区) , 所 以必须
18、 配备相应 的制冷 超 c ) 三芯平行电缆 系统 。 电缆 的制 冷 系统 通 常 由制 冷机 组 、 液氮 泵 和液 氮储 罐等 部分 组成 。 ( 2 )电缆 终端 。电缆终端 是 超导 电缆 和 外部 其 他电气设备之间相互连接的端 口, 也是电缆冷却介 质和制冷设备的连接端 口。除类似于常规电缆终端 担负电气安全连通 的作用之外, 还要保证实现温度 的过 渡 。 终 端 的结 构是 和 电缆 的结 构相 配套 的 , 常温 维普资讯 2 0 0 4 年第 l 期 No 1 2 0 0 4 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 0 4年
19、2月 Fe b , 2 0 0 4 绝缘超导电缆与冷绝缘超导电缆的终端在结构上是 有很大区别的。 2 5 ;膏叠超导电线的运行损耗 因 导体 的电 阻 为零 , 所 以高温 超 导 电缆 在 运行 时 基本没有焦耳热 ( 等于电流的平方乘 以电阻) 产 生 , 这与常规电缆有很大的差异。 常规电缆运行时的 主要损耗是产生焦耳热所带来 的能量损耗 , 但交流 输电时的磁滞损耗 ( 简称交流损耗) 及绝缘材料的介 质损耗仍然存在。 另外 , 在计算超导电缆的运行损耗 时 , 还必 须考 虑为 其配 套 的制冷 系统 所消耗 的能 量 。 一 般地 说 , 在液 氮 温 区电缆 产生 1 w 的损
20、耗 需要 消 耗 1 5 w 左右的制冷能量 。 综合起来考虑 , 在传输相 同容量 的电能时, 高温超导电缆 的运行损耗约为常 规电缆 的 5 O - - 6 0 。 2 6 膏温超导电线的分类 可 以 从 以下 几 个 方 面 对 高 温 超 导 电缆 进 行 分 类 : ( 1 )按传 输 电流种 类分 为直 流和交 流 电缆 ; ( 2 )按 电气绝缘 结 构分 为 常温绝 缘 电缆 与冷 绝 缘 电缆 ; ( 3 )按电缆导体结 构分为单芯电缆、 三芯平行 ( 三 根绝 缘 线 芯 轴 向平 行 安 置 ) 电缆 和 三 芯 同 轴 电 缆 , 如 图 1所示 。 3 高温超导 电缆
21、技术的发展情 况 3 1 国外 情况 高温超导电缆技术的发展已有十余年的历史 , 到 目前 为 止 , 参 与 高 温超 导 电缆 技 术研 究 的 国家 主 要有 : ( 1 )美 国 。1 9 9 2年 在 美 国 能 源 部 的 支 持 下 , P i r e l l i 公司北美分部开始对高温超导电缆技术进行 研究和开发 , 从而使美国成为最早发展 高温超导 电 缆技术的国家。由于政府和大公司的高度重视与参 与, 凭借强大的人才、 科技、 资本和组织管理优势, 使 得其高温超导电缆的研究开发工作一直走在世界前 列 。图 2为美国高温超导电缆项 目发展的里程碑。 图 2 美 国高温超导电
22、缆项 目发展的里程碑 1 9 9 9年底 , 由 S o u t h wi r e公 司牵头研 制 的 3 0 S o u t h wi r e公司牵头 , 在 3 4年时间内研制出一组 m, 3相 , 1 2 5 k V 1 2 5 0 A冷绝缘高温超导电缆并网 1 0 0 0 f t ( 1 f t 一0 3 0 4 8 m) 高温超导 电缆 系统 , 用来 运行 , 标志着高温超导电缆技术趋于成熟 。 到 目前为 替换俄亥俄州哥伦布市输 电网络中原有的一段充油 止 , 这组 电 缆 系统 已连 续 运 行 了 3 0个 月 , 没 有 发生 电缆 。 影响运 行 的技术 问题 。 2 0
23、 0 1年 P i r e l l i 公 司北美 分部 完成了一组 1 2 0 m, 3相, 2 4 k V 2 4 0 0 A常温绝缘高 温超导电缆, 但在敷设安装时操作失误 , 使其中两根 电缆的绝热部分遭到严重损坏 , 已无法并 网运行。 美 国能 源 部提 出超 导 电力 技 术 是 2 1 世 纪 电力 工业唯一的高技术储备 , 所 以对发展高温超导电缆 技 术大 力 推动 和 在政 策 、 资 金 上 给予 积 极有 力 的支 持。 目前 , 美国有三个新的更大规模的高温超导 电缆 工程已经立项 。它们是 : 1 )美 国能 源部 出 5 O 9 , 5 ( 9 0 0万美元 )
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- 21 世纪 电力 传输 新材料 高温 超导 电缆 综述 展望
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