淺談超導材料在電工領域應用及推廣

侯垚

（機械工業北京電工技術經濟研究所）

0 引言

電工技術是主要研究電能的產生、輸送、變換、控制、測量及其應用的科學。自1882 年世界首次試制成功第一臺發電機以來, 電工技術在電磁理論、 絕緣技術、電力電子學、電氣傳動和自動控制等方面已取得了驚人的進展，目前技術已相當完善，開始出現某些“飽和” 現象，達到所謂 “容量極限” 、“傳輸極限”、“電壓極限”、“效率極限”等一系列難于突破的技術問題，而超導材料的出現給電工技術的變革帶來了新的契機。

超導現象是指材料在低于某一溫度時， 電阻變為零的現象，這種材料叫超導材料， 這個溫度是臨界溫度。

1 超導材料的特征

1）電阻為零，一個超導體環移去電源之后，還能保持原有電流。超導體的基本特性之一是當它處于超導態時具有理想的導電性, 同時由于其載流能力遠遠強于常規導體，利用超導體可以傳輸大電流和產生強磁場, 并且沒有電阻熱損耗。因此在電工設備中使用超導材料可以減少損耗、提高效率、縮小體積、減輕重量、降低成本。

2）完全抗磁性，只要超導材料進入超導狀態，便可把磁感線排斥體外，其體內的磁感應強度總是零, 出現磁懸浮現象。

2 實用超導材料

早在 1911 年就已被荷蘭物理學家 Kamerlingh Onnes 發現, 但由于一般超導體在百分之幾特斯拉的磁感應強度下就轉變為正常態, 因而一直未能實際應用。直到1986年，由瑞士IBM實驗室的穆勒和貝德諾茲發現的高溫超導材料（High Temperature Superconductor）給材料和電工領域注入了一股新的力量。由于高溫超導材料損耗低、載流能力強，可用來制造效率更高、功率密度更強的電力器件，如超導儲能裝置、超強磁體、超導限流器和超導變壓器等。此外，使用高溫超導材料還具有無油、漏磁少等環境優勢。

下面主要介紹當前在電工領域已經實用化的超導材料。

2.1 低溫超導材料

超導物理中將臨界溫度在液氦溫區的超導體稱為常規超導體或低溫超導體，LTS (低溫超導材料), Tc＜20K，具有代表的材料：Nb-Ti（鈮鈦）; Nb3Sn（鈮錫）。

（1）韌性合金超導材料Nb-Ti（鈮鈦）

鈮表現出很高的元素臨界溫度, 在 9.2K 時就具有超導性，但卻不能承載大電流和維持高磁場。鈦合金化降低了TC（臨界溫度），但卻能使其磁性硬化，從而能承載大電流和承受高磁場。

目前商用標準合金是Nb-Ti-47，Tc=9.6K。4.2K時的Bc2（上臨界場）為11T，2K時為14T。與其他超導材料相比，Nb-Ti由于強度高、塑性好等優異的機械性能、臨界電流密度高和相對低廉的制造成本，較高的載流特性及線材制作成本低，單線長度不受限制，而被廣泛應用于10T以下超導磁體的制造，目前世界上已應用的超導材料中, Nb-Ti合金材料占了一半以上。

特點：線材制作成本低，單線長度不受限制， 應用中需要昂貴的液氦制冷，在高場應用受限制應用中需要昂貴的液氦制冷，在高磁場應用受限制。

（2）脆性A15 型超導化合物材料Nb3Sn（鈮錫）

鈮基A15金屬間復合體結構Nb3Sn與Nb-Ti相比表現出更好的超導性能。商用復合材料Nb3Sn的Tc=18.1K，在4.2K時的Bc2可超過25 T , 但要取決于精確的化學成分和微觀結構。加入鉭和/或鈦可顯著增加Nb3Sn的高磁場性能。Nb3Sn栓塞中心是晶粒邊界, 只有精細的晶粒微觀結構才能獲得高電流密度。

Nb3Sn也是一種使用較廣泛的實用超導材料，但由于Nb3Sn屬于化合物型脆性材料，長期以來限制了它的實際應用，一般只作為高場磁體的內線圈使用。

特點：Nb3SnTc=18.1K，線材制作成本低，單線長度上千米， 在高產應用。

2.2 高溫超導材料

超導物理中將臨界溫度在液氦溫區以上的超導體叫作高臨界溫度超導體，HTS （高溫超導材料），Tc＞77K。

目前具有商業前景的高溫超導材料有鉍系（BSCCO）、釔系（YBCO）和二硼化鎂（MgB2）。其中鉍系被稱為第一代高溫超導材料，釔系和二硼化鎂被稱為第二代高溫超導材料。釔系高溫超導材料的磁場特性優于鉍系，應用前景良好，但其線、帶材制備技術還不成熟，主要是受真空條件限制。而采用“粉末套管法”制備的鉍系線、帶材已于1997 年實現商業化生產。迄今為止, 長度達千米的鉍系多芯超導線、帶材的臨界電流 IC（77 K , 0 T）可達到 115 A , 工程臨界電流密度JC（77K ，0 T）可達到12 kA/m2。

由于MgB2成材容易，成本低廉，臨界溫度高于鈮鈦線和鈮三錫線（4～30K)，可以在磁體中實現傳導冷卻，這樣不用液氦；可以用于制作直流和交流超導電機，傳輸電纜等；單線長度長，制作費用低；因此是最具潛力的新型超導材料之一。

特點，MgB2：Tc=39K，成本低，圓線或者帶材，單線長度不受限制， 應用中不需要液氦制冷。

（1） 鉍系高溫超導材料

目前，應用于電工領域的高溫超導材料主要是Bi-2223為代表的第一類高溫超導帶材，其臨界溫度為77K 。由于Bi-2223帶材的臨界電流受磁場的影響較大, 在 77K 時允許通過的電流密度很小，因此，Bi-2223帶材的工作溫度一般在20K左右。目前商業化鉍系多芯帶材的JC最高約為50kA/cm2（77K ，0 T）特點：Bi-2223，Bi-2212 （鉍系，一代高溫超導）： 高成本，帶材在磁場下臨界電流衰減。

（2） 釔系高溫超導材料

在液氮溫區, 釔系高溫超導材料比鉍系具有更高的JC值；在高場下；釔系高溫超導材料也具有更高的載流能力。目前限制其大規模應用的主要原因是其制備技術尚不成熟；一旦涂層導體技術過關，這種“第二代”高溫超導材料必將走向大規模的商業化應用。目前實用化的釔系超導材料主要是塊材和薄膜。

特點：YBCO（釔鋇銅氧，二代），Tc=90K，成本高，帶材長度受限制。

3 電工領域的應用

超導電工是一個正在迅速發展的新技術領域。電工設備中使用超導材料可以減少電氣損耗，提高效率，縮小體積，減輕重量，降低成本，還可以提高裝置的極限容量。

鑒于超導材料及相關技術在電力領域廣闊的應用前景和市場價值，美國、日本、韓國和中國等國都在積極參與該技術領域的開發，已建立了多條示范線或開發了研究模型，如超導電纜、超導變壓器和超導電機等。然而，超導技術的大規模應用仍尚需時日。

3.1 超導電纜

由于我國電力資源和負荷分布不均，因此長距離、低損耗的輸電技術顯得十分迫切。超導電纜載流能力強、損耗低，在同樣的安裝條件下，占用體積更小，可用來改造或替換現有的地下電纜。超導材料由于其零電阻特性以及比常規導體高得多的載流能力，可以輸送極大的電流和功率而沒有電功率損耗。超導輸電可以達到單回路輸送GVA 級巨大容量的電力， 在短距離、大容量、重負載的傳輸時，超導輸電具有更大的優勢。

近些年，超導電纜相關項目發展迅速。從目前的開發情況看，電纜中采用的超導帶材主要是Bi-2223/Ag一代超導帶材，二代YBCO超導帶材應用于超導電纜示范線中的實例還很少，相關技術還不成熟；超導電纜示范線的成功運行需解決大量的技術難題，但仍有很多工作要做：電纜通電過程中的交流損耗仍然太高，低溫下的介電絕緣技術需要進一步地了解，電纜接頭和終端還處于開發的早期階段，安全性好、可靠性高的制冷系統還需要進一步證明。

3.2 超導電機

效率高、性能好以及巨大的市場潛力驅動著超導電機的發展。將超導電機用于風力發電是目前發展的趨勢。超導電機重量輕、緊湊性好，在風力發電機中特別具有優勢。超導電機采用超導材料替代常規電機的轉子。傳統電機以銅作為線圈繞組，采用超導材料后，可將銅用量從2.1ton減至0.44ton，鐵用量從10.5ton減少至2.8ton，大大減少了金屬的使用量，降低了成本；而制冷系統電力消耗導致的成本，已由使用周期長、效率高而得以抵消。

事實上，Bi-2223超導材料并不適合作為電機的電樞繞組，原因是Bi-2223材料對磁場敏感，電樞繞組中的交流電磁場會導致Bi-2223超導材料的交流損耗增加。從性能上說，YBCO比Bi-2223更適合用于超導電機。

3.3 超導變壓器

超導變壓器之所以具有吸引力，原因是：與傳統變壓器相比，體積可減少50%，重量可減少70%，損耗低于30%；在發生瞬時過載時，不會發出噪聲，同時還具有一定的限流作用。目前，技術難點主要集中在交流損耗過高和磁場下臨界電流Ic值下降明顯。中國船舶重工集團712所開發出我國首臺兆瓦級高溫超導電機，并通過科技部的項目驗收，總體指標處于先進水平。

3.4 超導限流器

超導限流器也稱超導電阻（抗）器，串聯于電路中，是依靠線圈的電阻（感抗）限制電力系統的短路電流。線路正常運行時，限流器處于超導態，只有極小的阻抗（基本為零，可以忽略）。當線路中電流超過臨界電流Ic時，限流器失超，在線路中表現為電阻或感抗。故障消除后，超導限流器自動復位，很適合用于電網。超導限流器具有響應速度快、能快速自動復位和提高電網的穩定性等優點；缺點是正常運行時功耗大。

3.5 超導儲能裝置

通過某種手段將能量存儲起來，在需要時釋放的過程，稱為儲能。按照儲能的方式，可分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能，超導儲能是電磁儲能的一種。超導儲能裝置無需能量轉換、直接儲能，轉換效率高，響應速度快，功率密度大，用于電網時，低谷時儲藏電能，高峰時釋放電能，具有有效提高輸電的效率和經濟性等優點；缺點是運行及維護成本高。我國首臺超導儲能裝置位于甘肅省白銀變電站。

4 結束語

超導技術在提高能源效率，提高電力系統的穩定性、安全性和保護環境方面有著巨大的應用潛力。目前在電工行業實用化方面已取得突破性進展，在未來大規模超導技術的應用必將給電工領域帶來質的飛躍。