高温超导输电和物理研究

《高温超导输电和物理研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

高温超导输电和物理研究高温超导输电和物理研究*林..良..真(中国科学院电工研究所,北京..100080)*..国家超导中心资助项目1996年10月14日收到初稿,1996年12月10日修回摘..要....实现高温超导输电是一个很吸引人的设想,要实现这个设想,不仅要解决一系列技术问题,而且还有许多有关基础问题有待研究.文章概述了高温超导输电研究进展及有待解决的物理问题.关键词....高温超导输电,高温超导电性,电力电缆Abstract....Thehigh..Tcsuperconductingtransmissionismostappealingbutforitsaccom..plishmentitisnecessarytosolvenotonlyaseriesoftechnologyproblemsbutalsobasicphysicalproblems.Thispaperreviewstheprogressinitsdevelopmentandresearchandthephysicalproblemswhichneedtobesolved.Keywords....high..Tcsuperconductingtransmissioin,high..Tcsuperconductivity,powercable....自1986年发现高温超导电性以来,世界上许多国家对它的应用基础研究都给予了很大重视,许多国家不仅开发出性能优越的Ag包套Bi系超导线材,而且在电力应用的研究方面,近几年亦有迅速的进展.例如日本等研制出500kVA高温超导变压器、6.6kV/1kA高温超导限流器以及66kV/2000A高温超导电缆等,这为实现高温超导输电打下了良好的基础.超导输电主要是实现超导电缆技术,它是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径.随 着大城市用电量日益增加,高压架空线深入城市负荷中心又受到许多因素的影响,因此需要采用大容量电力电缆将电能输往城市负荷中心.但是采用常规的油(或水)冷电力电缆由于受其负荷能力和临界长度的影响,很难满足使用的要求.在这方面与常规电缆相比超导电缆有明显优点.超导电缆有直流和交流两种形式.直流超导电缆由于没有交流损耗,在输送同样功率情况下电缆尺寸较小,因而价格较低,但电缆两端需要大型整流和逆变装置,一般认为输电距离要达到200km以上时才较为经济.交流超导电缆由于有交流损耗和绝缘层介质损失问题,其额定功率将受到限制,但综合技术经济比较指出,在输运大容量电能(如100万kW以上),超导电缆是有竞争力的.当然,超导电缆结构和绝热技术比较复杂,要获得实际应用还要做不少工作.随着高温超导长带研制取得进展,不少国家将高温超导传输线列为中期的开发目标,并已提出一系列实用超导传输线的可行性研究和着手进行高温超导电缆样机的研究.要实现超导输电的设想,不仅有一系列技术问题需要解决,而且还有许多有关基础问题有待研究,如高温超导电性的物理机理、高温超导体的超导物理、铜氧化合物的材料科学基础等都要进行深入细致的研究.1..高温超导材料及应用研究进展1986年M..uller和Bednorz发现镧钡铜氧化物在35K温度下具有超导性后,随即在全世 26卷(1997年)5期291 界范围掀起!超导热.,这一重大的科学发现在科学和技术上都具有十分重要的意义.为了使高温超导电性在强电方向应用的可能性变为现实,首先要解决的关键技术是要研制出适用的超导材料,它不仅可加工成有一定机械强度的长线,而且在运行温度(如77K)和一定磁场(如5T)下能够通过足够大的电流密度(104A/cm2以上).然而早期的高温超导材料一开始就遇到临界电流低的障碍,如烧结的块材在0T和77K下电流密度仅达到102A/cm2量级,而且随磁场的增加,超导材料的电流密度急剧下降,因此多年来人们对改善超导材料的制备以提高其超导性能给予极大的重视.近十年来,高温超导材料研究已取得很大的进展,在实用方面,Bi系超导材料是高温超导材料研究中一个热点,美、日等国都不遗余力地开展这方面研究并取得明显成效,现已进入实用化的应用开发研究阶段.实现Bi系超导材料的实用化首先要解决超导材料的性能稳定性和带材生产工业化两大技术问题.一般来说,要取得高电流密度短样相对比较容易做到,而要获得性能稳定的高电流密度长带则困难得多.从晶体结构特性看,多晶Bi系材料在形变加工和热处理时,易于择优取向,获得板块结构,晶间连接容易解决,所以从工艺技术看,作为强电应用的超导材料,Bi系超导体有一定的优势.但是由于Bi系超导 体是一个复杂的多组元体系,银与氧化物在加工过程中流动性相差较大,因而保证导线均匀性、稳定性和重复性在技术上难度很大.Bi系材料还有一个令人遗憾的性能是在高温下(77K温区)磁场特性很差,它在77K下不可逆磁场仅为0..9T,同时存在着明显的临界电流密度对磁场方向的各向异性,因此在77K下不可能用它来研制强场磁体.但另一方面,Bi系超导材料在液氦温区却可通过很高电流密度(可达105A/cm2)且几乎不随磁场增大而下降,因此在低温下它又是一个很有发展前途的强场材料[1].目前国外Bi系材料小样品最高电流密度为7#104A/cm2(77K,0T),Bi系长带已可达千米以上,平均电流密度达1#104.2#104A/cm2.如美国ASC公司生产的长度达1160m的Bi系长带,其电流密度达1..27#104A/cm2,日本住友公司生产的1200m长的Bi系带的电流密度为1..77#104A/cm2(77K,自场).我国研制的Bi带电流密度已达1..4#104A/cm 2(4..5m,77K,自场),而30m长的Bi系带电流密度为0..8#104A/cm2.我国研制的Bi系带材性能虽然与国外相比还有一定的差距,但总的来说,Bi系材料已基本上达到或接近实用要求[2].Y系超导体就其性能而言,要比Bi系超导体为高,如YBCO薄膜的电流密度可高达2#106A/cm2,比Bi系带材电流密度高2个数量级,而且在77K下Y系超导体的磁场特性亦比Bi系好,但要加工成可绕制线圈的长度则有相当难度.日美等国多年来一直致力于这方面研究,并取得了一定的成绩.如美国Foltyn曾在柔性镍基合金上沉积2..m厚的外延YBCO薄膜,其电流密度达1.3#106A/cm2(75K,0T)和1#105A/cm2(75K,9T,磁场%c轴).我国长沙矿冶研究院用单溶液源超声雾化金属有机化合物气相沉积(MOCVD)/YBCO+Ag基带工艺,亦获得电流密度达2.2#105A/cm 2(78K,0T)的好成绩[2].但要获得实用的YBCO长带,还有不少技术问题需要解决,如柔性金属基带材料,形变加工和热处理工艺与晶体微结构关系等.此外,由于实用超导材料实际上是一种超导体与其他材料组合的复合材料,因此复合材料中各材料的作用和相互作用的研究对研制实用线材也是很重要的.2..高温超导输电技术早在60年代,国际上曾对超导技术的电力应用给予极大的关注,并开展有一系列论证和一定规模的研究工作,如开展超导同步发电机、超导储能以及超导输电等等.但由于技术292物理 上和经济上的原因,致使这方面的应用研究没有实现早期的目标.近年来,随着高温超导技术的发展,人们对工频电力应用又引起了极大兴趣,许多国家相继开展了超导故障限流器,中、小型超导储能装置和超导输电等研究工作,并预期在2000年逐步实现商用目的.高温超导电缆是实现高温超导输电的关键部件,尽管电力电缆在高温超导应用研究方面并非是首当其冲的项目,但许多国家仍然给予充分重视,其原因有以下几点:1)各国曾在低温超导电缆研制方面做了大量研究并有实现应用的技术背景;2)高温超导电缆磁场较低,能充分发挥Bi系带的性能,技术上相对容易实现;3)有较好的经济效益前景;4)实际应用已提出要求.从1988年到1990年欧、美、日等国就着手高温超导输电电缆的可行性研究,结果表明高温超导电缆比低温超导电缆有更大的竞争潜力.在此基础上欧、美、日等国就瞄准实用高温超导输电电缆进行技术经济可行性研究,根据比较,采用高温超导电缆比常规容量可提高2.3倍,能量损耗降低20%.70%,总的传输成本降低20%.50%.因此有巨大的应用潜力[3].为了开展高温超导输电研究,日本住友电气公司、古河电气公司分别与日本电力公司等合作开展了高温超导输电电缆及引出端装置的研究工作.住友公司为此研制了50m长66kV的高温超导电缆模型,目的在于研究高电压、长 距离的高温超导电缆结构、电绝缘的交流特性以及热绝缘的机械和热的特性等.他们用四层4mm#0.3mm银带模拟Bi..2223线材,螺旋式地绕在一柔性骨架上,用液氮浸渍的分层聚丙烯纸作电绝缘,然后套在热绝缘的波纹管内.在试验中成功地将电缆冷却至77K,并承受了70kV的电压[4].古河公司等在研制成功5m长66kV/2kA高温超导电缆样机的基础上,与东京电力公司联合设计和制造了50m长1000A的高温超导交流电缆.该电缆采用银包套Bi..2223线材,其电流密度达104A/cm2,在..32.5mm柔性不锈钢骨架上共缠绕10层,层间采用聚脂薄膜带作绝缘,以减小交流损耗.该超导电缆在直流运行条件下临界电流约为1700A,在50Hz交流运行条件下可通过电流(有效值)为1200A[5].东京电力公司还与住友公司合作研制了2200A(有效值)、50m长高温超导交流电缆,该电缆采用0.28mm#4.1mmBi系带材,该带在77K、自场下临界电流密度达到1.8#104A/cm2,电缆在77K下临界电流达2900A.并可连续通过2200A(有效值)交流电流[6].此外,日本住友电气公司和Chuba电力公司还研制了77kV、2000A高温超导电缆引出端装置,该装置热损耗为19W,并可承受 150kV交流和440kV脉冲电压.这些工作为高温超导电缆在电力传输中应用打下了良好的基础.日本还提出!全超导电力系统.设想,由超导发电机、超导变压器、超导故障限制器、超导输电电缆和超导储能装置构成,其中输电电缆长100km,电压132kV,输送容量为1000kVA.该输电电缆是由Bi系材料做成的三相交流电缆,电流4370A,其交流损耗在0.1T、77K和50Hz下为10kW/m3,估计输电效率可达99..1%.输电电缆埋在地下,这样没有雷击的可能,故绝缘强度可降低,因而电缆尺寸、终端装置均可缩小.但这种超导电缆静电电容负载较大,约为300kVA,相当于1/3的传输容量,所以应采用一定措施来解决电容负载过大的问题.实现超导输电是一个很吸引人的设想,它的实现对电工技术和物理学都将是一个突破.3..高温超导输电及基础研究要实现高温超导输电有一系列技术问题需要解决,如高温超导电缆结构、绝缘和冷却技术等,对交流输电还要解决减少交流损耗问题.传统的低温超导线材采用细丝化、扭绞、换位和高阻值基底材料等措施来减少线材的交流损26卷(1997年)5期293 耗.但是要将Bi系带材细丝化和扭绞,在技术上是很难实现的.一些实验研究表明,当高温超导线材置于横向外场中时,扭绞与未扭绞的交流损耗几乎相等,而且一些计算也表明,高温超导线材亦不必像传统的低温超导线材那样需将芯径减小到亚微米级水平.但无论如何,在交流运行条件下交流损耗始终存在,因此研究交流条件下高温超导线材的交流损耗机制与减少损耗措施是十分必要的.为了使高温超导材料在电力传输中获得实际应用,还需解决许多有关高温超导电性的基础问题.高临界温度超导性的基础研究是当代凝聚态物理与材料科学的一个重要前沿领域,它的研究直接联系着凝聚态物理、统计物理以及材料科学技术中许多方面的科学问题,这些问题的研究将会推动当代凝聚态物理的材料科学的进展,同时也将进一步带动高温超导电性本身的进展.人们预测到下世纪初,超导电性的应用将可能成为有相当规模的高新技术产业.为了实现这个目标,需要对高温超导电性进行深入研究,解决一系列基础科学和技术问题.3..1..新的高温超导材料的探索目前,Bi系或Y系超导材料有可能获得实际的应用,但寻找有更高临界温度或有更好物理性能的超导材料仍然是人们关注的目标,同时寻找不同结构、不同成分的高温超导材料,对阐明高温超导电性的物理本质亦是十分重要的.例如90年代初随着全碳分子C60制备方法的突破,发现了临界温度达34K的掺碱金属 C60固体,这是一种新的与铜氧高温超导电性完全不同的超导体.目前还有一些科学家从事有机超导电性和非铜氧化物的新超导材料研究,这些研究对发展高温超导电性的基础科学都有重大意义.3..2..高温超导体的超导物理的研究高温超导体中第&类超导体特性研究是实用高温超导电性的物理基础,与当代凝聚态物理和统计物理的一些基本问题有密切联系,同时也与高温超导实际应用有直接关系.但直到现在还有许多问题尚待解决,如对超导体中磁通运动的描述、磁通运动中惯性项的作用、磁通运动中的量子效应、不同材料中磁通势测量、磁通钉扎势与温度以及各种微观结构的关系等.在这些方面,我国科学工作者都在进行深入、系统的研究,已积累了丰富数据并提出了许多有价值的观点,其中如应力钉扎效应、稀土离子或氧空位的钉扎效应等的研究都有新的结果和观点.另外,对高温超导体磁化过程中不可逆现象也进行了深入的研究,对在不同材料中这种现象的表现、不可逆线的物理本质、不可逆线邻近区域的特性等都有引人注目的成果,在磁通线的空间分布、比恩模型的适用性和物理本质、高温超导体钉扎势的标度行为、磁弛豫现象以及R..T曲线的形状和展宽的起因等方面的研究,我国物理学家也做出了很大贡献.这些问题的研究对促进高温超导体实用成材技术的发展和提高高温超导材料的输运能力都有十分重要的意义.3..3..高温超导氧化物材料科学的基础研究目前发现的Bi系或Y系等高温超导材料 都是铜氧化物,从热力学上看多数是某种亚稳的复杂氧化物,杂质、缺陷、破坏化学比等对其超导电性都有十分重要的作用.超导材料科学技术的研究与其实际应用有密切关系,因此研究铜氧化物超导材料的相关系和晶体结构,研究Bi系或Y系的相形成过程、反应扩散机制、晶粒生长过程、不同杂相的形成过程等对制备高水平的高温超导带材都有重要意义.此外,为了改进带材制造工艺,还要深入研究Bi系带材中各类晶界、裂纹和银与超导相的界面等问题,要研制出合适的实用高温超导材料,还有必要对超导材料的力学和热学性质以及交流损耗机制等进行深入的研究.3..4..高温超导电性的物理机理的研究高温超导电性的物理机理是一个到现在为止还基本上没有解决的重要物理问题,这个问题直接关系到凝聚态物理中一系列带有根本性的基本问题,它的研究对探索更高临界温度和更好性能的超导材料将会有积极的推动作用.294物理 今后5年或更长一些时间,是高温超导电性基础研究的关键时期,只有对其进行深入研究,解决一系列基础问题,高温超导电性的实用才有坚实的基础和光明的前景.参考文献[1]..林良真、尹道乐,电工电能新技术,No.2(1992),30.[2]..袁冠森,低温物理学报(增刊),17(1995),14..[3]..范载云,迈向21世纪的电工科技学术会议论文集,中国电工技术学会,(1996),123..[4]..T.Shibataetal.,TheDevelopmentofHTSCableTechnol..ogy,PresentedatICEC16/ICMC,Kita..Kyushu,Japan,May,(1996).[5]..S.Mukoyamaetal.,ResearchandDevelopmentof50m..LongHigh..TcSuperconductorforPowerCables,PresentedatICEC16/ICMC,Kita..Kyushu,Japan,May,(1996).[6]..T.Haraetal.,ResearchandDevelopmentofCompactHigh..TcSuperconductingCables,PresentedatICEC16/ICMC,Kita..Kyushu,Japan,May,(1996).[7]..M.Yamamotoetal.,Cryogenics,34(1994),761.光学层析造影术新进展及应用前景*陈..敏....陈建文....徐至展(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海..201800)*..国家自然科学基金资助项目1996年3月29日收到初稿,1996年7月4日修回摘..要....综述了国际上正在兴起的一种新的非侵入性的诊断技术...光学层析造影术的原理、方法和新进展,并指出了其应用前景.关键词....光学层析造影术,非侵入性诊断,应用前景....关于生物组织的层析造影的手段有很多, 例如X..CT、核磁共振成像(MRI)、超声成像、正电子发射层析术(PET)等,这些技术都比较成熟.然而这些技术各有其缺点,有的体积庞大,有的费用昂贵,有的技术是侵入性的,对人体有一定的损伤作用,因而对剂量有严格的控制,而且不能用于连续诊断或治疗.而红外或近红外光不同于X射线或..射线,它对人体不会产生电离作用,较大的剂量也不会对人体造成损伤.目前国际上正兴起一种新的非侵入性的诊断技术,就是光学层析造影术.本文简要介绍光学层析术的原理、方法及其进展.1..基本原理不同于X射线在生物组织中的直线传播,由于生物组织是一种高度散射的介质,光在生物介质中传播时不但有吸收,还有散射.吸收和散射的程度与入射的波长有关.对于波长介于600.1000nm的红光和近红外光,组织的吸收最小,光的衰减主要是散射起作用.对人体组织的实验测量表明,近红外光在组织中传播的平均自由程一般为几十到几百微米,取决于入射波长.生物组织的光学成像的机制是近红外光与生物组织的相互作用.不同的生物组织对近红外光的吸收系数和散射系数是不同的.研究表明[1],可以将光透过组织后的透射光分成三种类型(图1):弹道光、蛇行光和漫射光.反射光也遵循同样的物理机制.弹道光是未经散射的光,其传播方向仍沿着入射光的传播方向.弹道光在组织中的强度衰减满足比尔(Beer)定律:I(x)=I0exp[-(..a+..s)x], 其中..a是组织的吸收系数,..s是组织的散射系数.显然弹道光可用于类似X..CT的透射投26卷(1997年)5期295