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超导材料和超导电缆的发展

   自从发现超导体以来,超导体的临界温度在很长时间没有明显提高。直至19864月瑞士两位学家宣布两种LaBaCu三元氧化物的超导体的临界温度为35K1987216日休斯敦大学美籍华裔教授朱经武报告Y-Ba-Cu-O系统在80-93K温度区可获得稳定的超导转变,首次实现了在液氮沸点(77K)以上的超导转变。我国科学家赵忠贤在1987219日也获得了Y-Ba-Cu-O超导体。这使超导材料应用进入了一个新的阶段。通常,将临界温度高于液氮沸点(77K)的超导体称为高温超导体。目前关于高温超导体的研究有以下四个方向:

    采用高温超导体作导电线芯的高温超导电缆能够传输比同尺寸的常规电缆大3-5倍的功率,其损耗只有不到1%,比常规电缆8%损耗小得多。但高温超导电缆比传统电缆多了绝热套和相应的制冷系统,以确保导体的低温环境。因此,高温超导电缆具有载流能力大、损耗低、体积小和重量轻等优点。且有无火灾隐患、无电磁辐射污染等常规电缆无法比拟的诸多优点。高温超导电缆明显地节约占地面积和空间,节省宝贵的土地资源。用高温超导电缆改装现有地下电缆系统,不但能将传输容量提高3倍以上,而且能将总费用降低20%。利用高温超导电缆还可以改变传统输电方式,采用低电压大电流传输电能。因此,高温超导电缆可以大大降低电力系统的损耗,提高电力系统的总效率,具有可观的经济效益。高温超导电缆将首先应用于短距离传输电力的场合(如发电机到变压器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口)及电镀厂、发电厂和变电站等短距离传输大电流的场合,以及大型或超大型城市电力传输的场合。

    我国从20世纪90年代中期开始从事高温超导电缆技术的研究,第一根高温超导电缆于2004年在昆明使用,这使我国成为第三个将高温超导电缆并入电网的国家。采用的超导体均是Bi-2223HTS

    由于高温超导电缆的上述优点,美国、日本、德国、韩国竞相投入大量人力、物力进行开发研究和工业应用研究,其目标是实现超导电缆商业运行。据2000年美国应用超导会议预测,预计到2020年,全世界超导体应用的总市场达到2440亿美元,高温超导电缆约占5%,美国已经计划于2030年前建立覆盖全国的超导电缆网络。根据我国电线电缆行业统计资料表明,10kV及以上交联聚乙烯绝缘电力电缆的年需求量约为10km,假如其总量的5%被高温超导电缆所取代,则高温超导电缆在我国每年的需求总量将会达到5000km

    超导体的基本特征之一是直流运行条件下电阻为0,因此在直流状态下没有损耗。因而高温超导技术应用于直流输电将带来更大的经济效益。而且,超导输电的研究一开始是在直流输电领域,高温超导电缆应用于直流输电时没有导体损耗和无功损耗,被认为是最有效的应用领域。高温超导直流输电比交流输电的容量更大,效率更高。不过目前的主要输电方式是交流,所以相对而言,直流超导输电研究比较滞后,但目前直流输电的种种优势又激发人们的研究热情,超导直流输电的研究越来越多,如英国BICC电缆公司和意大利公司合作,研究高温超导直流输电电缆。他们认为,超导直流输电电缆几乎没有损耗,虽然电缆终端需要整流和逆变装置,但在传输一定功率下,输电电压可以比常规电压低,因此整流和逆变装置更为简单和价格低廉。该公司已经制成1.4m长样品,计划研制100km长,40kV10kA超导直流电缆。

    目前高温超导电缆已不存在大的技术障碍,并且已经走向实际应用。超导电缆特别适用于短距离传输大电流的场合,如电镀厂、发电厂、变电站以及大型城市电力传输场合。

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