淺談高溫超導材料在電力系統中的應用

張蘊施

摘要：隨著經濟和科技的不斷發展，超導技術的應用越來越廣泛，逐漸成為電力科技領域的潛力股。自21世紀以來，超導技術迅速發展，高溫超導材料也迅速由實驗階段進入到實際的工程應用階段，這樣的發展更是將電力科技帶進了一個新的階段。本文主要介紹了高溫超導技術的發展歷程以及高溫超導材料在電力系統中的應用，分析各種超導材料在電力系統中的作用。

關鍵詞：高溫超導材料；電力系統；應用

高溫超導材料就是普通超導材料在更高溫度下出現超導效應的材料，最早的超導材料是在23k（攝氏零下250℃）以下的溫度范圍內出現超導效應的，后來超導材料的抗溫能力越來越強，目前的超導材料最高的溫度范圍是130多k（攝氏零下130多℃），在這樣的溫度下還可以出現超導效應。

一、高溫超導技術的發展

自從2008年出現第一個高溫超導材料以來，人們紛紛踏進高溫超導材料的研究大軍中，世界上許多國家上百位科學家相繼研究高溫超導材料的應用狀況。而一旦高溫超導材料取得突破，有所進展，實現高溫超導的普遍應用，人們的生活也會發生巨大的變化。

1911年，荷蘭物理學家Onnes在經過不斷的研究和探索下，終于首先發現了金屬汞在溫度接近絕對零度即液態氦溫度時（4K=-269.2℃），電阻就會完全消失超導現象。在這之后，人們開始研究和尋找更高溫度下的超導材料，但一直沒有收獲，直到62年后，即1973年科學家們才發現了更高溫度下的超導材料——臨界溫度在23.2k鈮鍺合金（Nb3Ge）超導材料，從4k到23.2k，雖然歷時62年，但終是有所突破。

自1973年科學家們發現臨界溫度在23.2k鈮鍺合金（Nb3Ge）超導材料后，15年后又有了更加重大的進展。1988年，著名科學家Mueller和Bednorz發現了一些在溫度達到130 K（攝氏零下143℃）時就出現超導效應的多元素合金化合物，而要達到這一高溫特性不再需要液態氦來實現，而使用液態氮便能實現。這一發現打破了高溫特性必須使用液態氦來實現的這一認識，因此成為了諾貝爾獲獎作品。Mueller和Bednorz的這一發現標志著超導材料的快速發展，從1911年4k到1973年的23.2k，再到1988年的130k，超導材料的發展歷程可謂是突飛猛進。歷時雖久，但是人們還在不斷的挖掘和探索更高溫度的超導材料，因此，更為意想不到的突破和進展都有可能。

目前高溫超導材料正在不斷的發展和進步，逐漸應用到實際生活當中，電力系統市場將會向高溫超導材料市場發展，并且逐步發展形成具有巨大潛力的超導技術，在市場上占有重要地位。各個國家也相繼將人力、物力投入到超導技術中，爭相競爭。美國能源部認為：超導電力技術是在21世紀電力工業上唯一的高技術儲備。而日本的新能源開發機構則認為：發展高溫超導電力技術是在21世紀的高技術競爭中保持尖端優勢的關鍵所在。國際超導科技界和相關產業部門預測：2010年，全球超導產業將達到260億美元，到2020年，將達到2400億美元以上。據2003年美國高溫超導材料市場分析與預測報告，全世界高溫超導元器件將會由2010年的5億美元的市場規模激增到2020年的100億美元。由此可見，高溫超導電力技術在國際上的地位越來越重要，各國都將投入更多的精力到高溫超導電力技術中，高溫超導技術具有廣闊的市場前景。

二、高溫超導材料的應用

超導材料的性能從根本上決定了超導技術的實際應用，與普通的超導材料相比，高溫超導材料具有巨大優勢，主要是它可以應用于液氮溫區，這是高溫超導材料與普通超導材料的本質區別。在電力系統中，高溫超導材料占據突出地位，具有不可替代的作用。隨著高溫超導材料的快速發展，低溫制冷技術也隨之不斷進步，超導技術廣泛應用到大眾生活中。

1、 磁懸浮列車

現代生活中的磁懸浮列車就是利用高溫超導材料制成的，主要材料是超導磁體，其主要特點是重量輕、磁場強和體積小，主要原理是物理學中磁鐵的“同性相斥，異性相吸”的性質，主要運行過程是利用磁鐵“同性相斥”的性質抗拒地心引力，實現“磁性懸浮”。這種“磁性懸浮”被發現后便運用到交通道路上，使列車不同于普通鐵路運輸系統中的其他列車完全脫離軌道而懸浮行使，從而變成“無軌”列車，時速迅速增加至幾百公里以上，便形成傳說中的“磁懸浮列車”。“磁懸浮列車”上帶有超導材料，這種超導材料即超導磁體由于懸浮而在線圈上急速前進，這些線圈被固定在鐵路的底部，感應到電磁的引力，在線圈里產生電流，這樣在地面上的線圈產生磁場的極性和列車上的電磁體極性相同，這樣就會出現排斥現象，列車在這種排斥下就會懸浮起來。

2、超導電纜

在電力系統中，超導電纜的應用越來越廣泛，逐漸成為電力系統中占據重要地位的應用。超導電纜不同于普通的電纜，它的橫截面的載流量大約是普通電纜的3～5倍，主要特點是重量輕、電能損耗小、環境污染小、使用方式靈活、電力運行成本小等，這樣的優勢使得超導電纜具有不斷滿足城市生活中不斷增長的電力需求的功能。

超導電纜里面的導體既不鋁絲，更不是銅絲，而是鉍系高溫線材生產線。1996年經過我國高溫超導電線研究組的認真研究和辛苦探索，終于制成了第一條地下輸電電纜。2001年，清華大學應用超導研究中心研制成功340米鉍系高溫超導線，同時，在年末，我國第一條鉍系高溫線材生產線也成功建成。2009年，美國科學家合成物質（TI4Ba）Ba2Ca2Cu7O13+，進一步將超導材料的溫度提高到254k，成功實現了突破。

3、超導變壓器

超導變壓器的基本原理是運用高溫超導來提高能效，以此來減少傳輸過程中的損失。超導變壓器使用超導材料代替普通的銅絲來作變壓器繞組，這樣就使得變壓器具有噪聲小、重量輕、不用變壓器油、環境污染小、壽命長、損耗小、過載能力強、對系統過流有限制作用等特點，大大的超越了普通變壓器的功效。我國第一臺高溫超導變壓器是由中國科學院電工研究所成功研制的三相高溫超導變壓器樣機，這項成果的二次輸出電流位居世界第一，是我國躋身于高溫超導變壓器研發國際先進行列的標志。

三、總結

綜上所述，在電力系統中采用超導技術可以增加電網的輸送容量、降低損耗、提高系統運行的穩定性和可靠性、改善電能質量，有利于保護環境，具有非常廣闊的應用前景。現在超導電纜、超導限流器、超導儲能器和超導變壓器等高溫超導材料已發展到工程實用階段，超導發電機和超導電動機的研制也取得了重大進展，超導技術在電力系統中大規模應用的現實離我們并不遙遠。

我國的電力科技發展必須緊跟世界電力科技發展的步伐，隨著三峽工程的建設，一個全國統一聯網的格局即將出現。因此建議加強對超導限流器、超導儲能器等超導材料的應用，可改善電網運行參數，有利于系統穩定且結構相對簡單的超導電力設備的研制開發工作，爭取在超導材料的研究開發、超導設備的結構設計、降低成本、經濟運行等方面取得突破。這需要超導研究、電工制造和電力等相關部門的共同努力來實現。

參考文獻

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