文献综述王思远1120102177

王思远

（北京理工大学，北京，102488）

摘要:超导材料的应用给电工技术带来了质的飞跃。本文介绍了到目前为止已经实用化的几种超导材料及其优缺点,简述了超导材料在电工领域的应用现状。

关键词:超导材料;实用化;电工;应用.

Practical Superconductor and its Application in Electrical

Engineering

WANG Si Yuan

(Beijing Institute of Technology ,Beijing, 102488)

Abstract: With the application of the superconductor, electrical technique has been brought about significant innovation. This paper introduces some practical superconductors and its advantages and disadvantages; the application status of the superconductor in electrical engineering is presented.

Key Words: super conductor ; practicality; electrical engineering; application

正文************************************************************************** 电工技术是主要研究电能的产生、输送、变换、控制、测量及其应用的科学。自1882年世界首次试制成功第一台发电机以来,电工技术在电磁理论、绝缘技术、放电和电晕现象研究、电力电子学、电气传动和自动控制等方面已取得了惊人的进展,技术已相当完善,开始出现某些“饱和”现象,达到所谓“容量极限”、“传输极限”、“电压极限”、“效率极限”等一系列难于突破的技术问题,超导材料的出现给电工技术的变革带来了契机。超导体的基本特性之一是当它处于超导态时具有理想的导电性,同时由于其载流能力远远强于常规导体,因此,利用超导体可以传输大电流和产生强磁场,并且没有电阻热损耗。在电工设备中使用超导材料可以减少电气损耗,提高效率,缩小体积,减轻重量,降低成本,还可以提高装置的极限容量,许多过去无法实现的电工设备由于采用超导技术而成为现实,或即将成为现实。本文就超导材料在电工领域的应用现状进行了探讨。 1.低温超导材料

超导物理中将临界温度在液氦温区的超导体称为常规超导体或低温超导体,相应地把临______________________

作者简介：王思远 （1992—），男，学生，1120102177,E-mail：wangsydx@163.com

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界温度在液氦温区以上的超导体叫作高临界温度超导体。 1.1韧性合金超导材料—NbT

铌表现出高的元素临界温度,在9.2 K时就具有超导性,但不能承载大电流和维持高磁场。钛合金化降低了TC(临界温度),但却能使其磁性硬化,从而能承载大电流和承受高磁

[3]

场。目前商用标准合金是NbTi-47,其TC为9.6 K。4.2 K时的BC2(上临界场)为11 T, 2 K时为14 T。NbTi合金超导材料由于其良好的机械加工性能及较高的载流特性而被广泛应用于10 T以下超导磁体的制造。目前世界上已应用的超导材料中,NbTi合金材料占了一半以上。事实上, NbTi/ Cu复合材料是到目前为止最成功的超导体的代表。 1.2脆性A15型超导化合物材料—Nb3Sn

铌基A15金属间复合体结构Nb3Sn与NbTi相比表现出更好的超导性能。商用复合材料Nb3Sn的TC≈18 K,在4.2 K时的BC2可超过25 T,但要取决于精确的化学成分和微观结构。加入钽和/或钛可显著增加Nb3Sn相的高磁场性能。Nb3Sn栓塞中心是晶粒边界,只有精细的晶粒微观结构才能获得高电流密度。A15化合物Nb3Sn也是一种使用较广泛的实用超导材料,但由于Nb3Sn属于化合物型脆性材料,长期以来限制了它的实际应用,一般只作为高场磁体的内线圈使用。多芯Nb3Sn复合导体的出现在一定程度上克服了这个缺点。 2.高温超导材料

高温超导材料是指具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。目前具有商业前景的高温超导材料有铋系、钇系和二硼化镁。其中铋系被称为第一代高温超导材料,钇系和二硼化镁被称为第二代高温超导材料。钇系高温超导材料的磁场特性优于铋系,应用前景良好,但其线、带材制备技术还不成熟,主要是受真空条件限制。而采用“超导材料在电工领域的应用末套管法”制备的铋系线、带材已于1997年实现商业化生产。迄今为止,长度达千米的铋系多芯超导线、带材的临界电流IC(77K, 0 T)可达到115 A,工程临界电流密

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度JC(77K,0 T)可达到12 kA/cm2 。另外,由于MgB2成材容易,成本低廉,因此很有可能成为最具潜力的新型超导材料。 2.1铋系高温超导材料

目前,应用于电工领域的高温超导材料主要是以Bi_2223为代表的第一类高温超导带材,其临界温度为77 K。由于Bi_2223带材的临界电流受磁场的影响较大,在77 K时允许通过的电流密度很小,因此,Bi_2223带材的工作温度一般在20 K左右。目前商业化铋系多芯带材的JC最高约为50kA/cm2(77K,0T),而最近的磁光成像研究结果表明,铋系单芯带材局部区域的JC最高达200 kA/ cm2,可见性能提高仍有很大余地。钇系高温超导材料比铋系具有更高的JC值;在高场下,钇系高温超导材料也具有更高的载流能力。目前限制其大规模应用的主要原因是其制备技术尚不成熟,一旦涂层导体技术过关,这种“第二代”高温超导材料必将走向大规模的商业化应用。 2.2二硼化镁

2001年1月,日本Akimitsu等人发现了临界转变温度为39 K的MgB2超导体,引起了全世界的广泛关注。MgB2的最大优势在于成材容易,成本低廉,可在20~30 K的温度下应用,材料在这个温区用微型制冷机就能够容易获得,无需复杂和昂贵的液氦,因此很有可能成为

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最具潜力的新型超导材料。用粉末装管法生产的MgB2/Fe线材,在4.2 K、0 T时,JC达到106A/ cm2;在4.2 K、6.5 T时,JC达到104A/cm2。目前研究工作的重点是努力提高MgB2的不可逆场和高场下的临界电流密度。 3.电工领域的应用

超导电工是一个正在迅速发展的新技术领域。电工设备中使用超导材料可以减少电气损耗,提高效率,缩小体积,减轻重量,降低成本,还可以提高装置的极限容量。 3.1超导输电电缆

我国电力资源和负荷分布不均,因此长距离、低损耗的输电技术显得十分迫切。超导输电可以达到单回路输送GVA级巨大容量的电力,在短距离、大容量、重负载的传输时,超导输电具有更大的优势。低温超导材料应用时需要液氦作为冷却剂,液氦的价格很高,这就使低温超导电缆丧失了工业化应用的可行性。若使用高温超导材料作为导电线芯制造成超导电缆,就可以无电阻地传送电能。目前,市场上可以得到并可用来制造高温电缆的材料主要是银包套铋系多芯高温超导带材,其临界工程电流密度大于10 kA/cm2。高温超导电缆以其尺寸较小、损耗低、传输容量大的优势,可用于地下电缆工程改造。高温超导电缆另一重要应用场合是可在比常导电缆较低的运行电压下将巨大的电能传输进入城市负荷中心。由于交流损耗的缘故,利用高温超导材料制备直流电缆比制备交流电缆更具优势。利用超导技术,通过设计实用的直流传输电缆和有效的匹配系统,从而实现高效节能低压大容量直流电力传输系统。 3.2超导变压器

超导变压器一般都采用与常规变压器一样的铁芯结构,仅高、低压绕组采用超导绕组。超导绕组置于非金属低温容器中,以减少涡流损耗。变压器铁芯一般仍处在室温条件下,超导变压器具有损耗低、体积小、效率高、极限单机容量大、长时过载能力强等优点。同时由于采用高阻值的基底材料,因此具有一定的限制故障电流作用。一般而言,超导变压器的重量(铁芯和导线)仅为常规变压器的40%,特别是当变压器的容量超过300MVA时,这种优越性将更为明显。早在20世纪60年代,就有人对超导变压器进行了研究。但是,由于交流损耗过大而被认为是不经济的。随着极细丝超导复合导体的出现,超导变压器才成为有吸引力的应用项目。高温超导材料的出现,更是降低了超导变压器的技术难度,由于超导受到的磁场强度只有0.3-0.5T,因此在变压器中采用高温超导材料是合适的。同时在液氮下的绝缘强度比液氦下的高,所以,将会使变压器绝缘更简化。 3.3超导发电机

由物理学的有关原理可知,磁流体发电的输出功率与磁感应强度的平方成正比,但利用普通磁体仅能产生几千高斯的磁场,若采用超导磁体就可以产生数万乃至几十万高斯的磁场,从而使磁流体的输出功率大大提高。随着超导技术的不断突破,在不远的将来必然可产生大容量、小型化的磁流体发电机,这种发电机将会在许多领域得到应用。超导材料在电工领域的应用周知,航天器的发展受到两方面因素的制约,第一是动力的限制,第二是重量对其施加的限制,而超导发电机在这两方面都具有普通发电机无法比拟的优点。此外,在军事上,舰艇和飞机可用超导发电机作为能源,提高战斗力。目前超导发电机用的超导材料一般都为钇系。

4结束语

(1)超导技术发展到现阶段,已显示出巨大的发展前景,有些已获实际应用,取得了明显的经济和社会效益。有些正在从实验室向工业应用过渡,一些中长期项目也已取得重大进展。 (2)高温超导体的出现是超导技术发展的一项重大突破,一旦高温超导材料在实用化方面取得突破性进展,必将给电工技术带来质的飞跃。 参考文献:

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