第二代高温超导线材.doc

电力系统用第二代高温超导带材产业化 1911年荷兰物理学家K.Onnes发现汞在4.2K的低温下电阻突然将为零，这一现象被称为超导现象[1]。超导电性的发现是20世纪物理学最重大的发现之一，寻求高临界温度的超导材料、探索超导的奥秘和开发超导的设计应用是物理学家的孜孜追求的梦想。迄今为止，源于超导研究的诺贝尔物理学奖共有 5 次，10 人获奖，详见下表。超导体具有明显异于常规导体的三大基本特性，即零电阻特性、完全抗磁性和约瑟夫逊效应。由于这些特性，超导材料在强电、强磁以及弱电领域有这广泛的应用。例如，利用超导体的完全抗磁性西安交通大学成功发明了世界上第一辆载人高温超导磁悬浮实验车。而世界第一条磁悬浮商业线2003年已经在上海浦东正式投入运营。全球超导材料的市场需求已达每年 30 多亿美元。根据第五届国际超导工业峰会预测，高温超导应用技术将在今后5－10年时间达到实用化水平，2020 年全球超导产业的产值将达到 1500－2000 亿美元。 超导领域的诺贝尔物理学奖 在数字时代的21世纪，人类在享受现代文明的同时面临着日益严重的能源危机。当前，电力供应日趋紧张，然而大量电能却被浪费在传统电缆上。据统计，我国电网的电能损耗约占总发电量的9%，其中90%左右是由电缆损耗的，相当于2－3个三峡电站的发电量。如果使用高温超导线材，不仅这些损耗完全可以避免，而且可以节约大量的金属材料。 超导材料根据其临界温度的高低可分为低温超导材料和高温超导材料。目前商业化的低温超导带材主要用于核磁共振成像仪、加速器磁体等方面。由于低温超导材料的临界温度在绝对温度十几K以下，需要在液氦中工作，而液氦及其制冷费用昂贵，所以其应用受到很大的限制。 表一 国际超导电力技术发展现状 美国超导公司的带材缠绕在同等载流能力的铜绞线上 高温超导带材由于其临界温度在绝对77K以上，可以在廉价的液氮环境中使用，大大降低了运营成本，因此其应用前景十分可观。例如高温超导材料远远超过常规导体的大电流承载能力（比铜高100倍，见上图），使人们对其在强电、强磁领域中的应用报有极大的希望。 高温超导带材的应用：输电电缆、电动机、限流器等 第一，输电线缆。传统电缆由于受电阻影响，电流密度只有300－400A/2，而高温超导电缆的电流密度可超过10000 A/cm2，其传输容量比传统电缆要高5倍左右，功率损耗仅相当于后者的百分之四十，可以极大得提高电网的效率、输配电密度、稳定性、可靠性及安全性，改善电能质量。据预测，按现在的电价和用电量计算，如果我国输电线路全部采用超导电缆，则每年可节约400亿元。第二，超导发电机。用超导线圈制成的交流超导发电机单机发电容量可达 1 兆瓦，发电机磁体强度高达到 5-6 万高斯，与常规发电机相比其发电容量将提高 5-10 倍，而且几乎没有能量损耗，同时体积减小 1/2、整机重量减轻 1/3、发电效率提高 50%。第三，超导储能装置。利用超导线圈通过整流逆变器将电网过剩的能量以电磁能形式储存起来，在需要时再通过整流逆变器将能量馈送给电网或作其他用途。第四，超导限流器。它是利用超导体的超导态一常态转变的物理特性来达到限流要求，它可同时集检测、触发和限流于一身，可以显著提高电网的稳定性和可靠性、改善电能质量、降低电网的建设成本和改造费用并提高电网的输送容量，被认为是当前最好的而且也是唯一的行之有效的短路故障限流装置。第五，超导磁体。与常规磁体相比，超导磁体的优点是其耗能小，可以达到较高的磁感应强度。如用传统方法产生10T的磁场，其耗电功率近2000kw，每分钟需冷却水约5吨，技术上也比较困难，但是使用超导磁体，其耗电功率仅为几百瓦。高场超导磁体在磁悬浮列车、磁分离装置、高能加速器、核聚变装置、磁性扫雷技术、核磁共振成像、核磁共振和磁流体推进等方面具有重要的应用价值。此外，高温超导带材还可以用于超导变压器、超导电动机和电流引线等电力装置。目前，国际超导电力技术的发展现状详见表一。美国能源部认为，超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备。 电力工程应用对超导材料的性能要求[Larbalestier2001] 图一.PIT 法制备 Bi 系带材工艺[2] 基于铋系2223或2212相单芯或多芯带材被称为第一代高温超导带材。其制备工艺为粉末套管法PIT(powder in tube)，见图一。具体方法是将前驱粉装入银制的管中，用机械变形的方法拉成一定尺寸。然后再次装入银合金管内，拉拔，轧制成多芯带材。该方法工艺简单，易工业化，能制备长带材。因此Bi 系高温超导带材于 1997年就实现了商业化生产。但是由于自身存在很多的缺点，其应用规模受到限制。铋系高温超导带材中银占的体积比很大，银超比高达 4∶1，因