高温超导输电和物理研究

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1、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..pl

2、ishmentitisnecessarytosolvenotonlyaseriesoftechnologyproblemsbutalsobasicphysicalproblems.Thispaperreviewstheprogressinitsdevelopmentandresearchandthephysicalproblemswhichneedtobesolved.Keywords....high..Tcsuperconductingtransmissioin,high..Tcsuperconductivity,powercable....自1986年发现高温超导电性以来,世界

3、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

4、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

5、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77

6、K)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

7、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