超導(dǎo)電纜<百科>

超導(dǎo)電纜簡(jiǎn)介

超導(dǎo)電纜用超導(dǎo)體傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線，超導(dǎo)電纜是指利用超導(dǎo)體制成的一類電纜。超導(dǎo)電纜是利用超導(dǎo)在其臨界溫度下成為超導(dǎo)態(tài)、電阻消失、損耗極微、電流密度高、能承載大電流的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)制造的。其傳輸容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)充油電纜，亦大于低溫電纜，可達(dá)10000MVA以上，是正在大力研究發(fā)展中的一種新型電纜。由于超導(dǎo)體的臨界溫度一般在20K以下，故超導(dǎo)電纜一般在4.2K的液氦中運(yùn)行。

超導(dǎo)電纜是解決大容量、低損耗輸電的一個(gè)重要途徑，由于它的潛在優(yōu)勢(shì)如此誘人，所以各國(guó)科技工作者為此正在進(jìn)行大量的研制工作。

原理

超導(dǎo)電纜技術(shù)的基礎(chǔ)是超導(dǎo)現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，超導(dǎo)體在達(dá)到臨界溫度以下后，會(huì)表現(xiàn)出零電阻和完美的磁場(chǎng)屏蔽效應(yīng)。這意味著，當(dāng)電流通過(guò)超導(dǎo)體時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生電阻、熱量和電磁波。而且，超導(dǎo)體還能夠把外部磁場(chǎng)排除出其內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)完美的磁場(chǎng)屏蔽。

結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)有剛性和可撓性兩種形式，纜芯分單芯和三芯。設(shè)計(jì)時(shí)須充分考慮其組成材料的膨脹系數(shù)，以免電纜因熱脹冷縮產(chǎn)生過(guò)大內(nèi)應(yīng)力而受損。

優(yōu)勢(shì)

與常規(guī)電纜相比，超導(dǎo)電纜具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)如下幾點(diǎn)。

(1)超導(dǎo)電纜采用在液氮汽化溫度（約-196℃）下無(wú)電阻傳輸大電流，導(dǎo)體損耗不足常規(guī)電纜的十分之一，加上制冷的能量損耗，其運(yùn)行總損耗也僅為常規(guī)電纜的50%～60%，因此損耗低、節(jié)省能源。

(2)同樣截面超導(dǎo)電纜的電流輸送能力是常規(guī)電纜的3～5倍，所以使用超導(dǎo)電纜可以節(jié)約輸電系統(tǒng)的占地面積和空間，節(jié)省大量寶貴的土地資源。

(3)具有同樣傳輸能力的超導(dǎo)電纜所使用的金屬和絕緣材料較少。

(4)充油常規(guī)電纜存在漏油污染環(huán)境的危險(xiǎn)，而超導(dǎo)電纜沒有造成環(huán)境污染的可能性。

(5)超導(dǎo)電纜具有低噪聲的特性。

超導(dǎo)輸電技術(shù)在原理上是最理想的一種輸電技術(shù)，但由于其建造價(jià)格昂貴，且技術(shù)尚未成熟，它的廣泛應(yīng)用還需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

分類

一.超導(dǎo)電纜按采用超導(dǎo)材料不同分低溫超導(dǎo)電纜和高溫超導(dǎo)電纜。

低溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)電層是采用低溫超導(dǎo)線材，通常是NbTi/Cu或NbsSn/Cu復(fù)合超導(dǎo)線制成。由于NbTi的臨界溫度是9.5 K，的臨界溫度是18.1 K，因此低溫超導(dǎo)電纜都必需在液氦溫區(qū)下運(yùn)行。

高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)電層主要采用Bi2223帶材，它的臨界溫度約為110 K，因此可以在液氮溫區(qū)下運(yùn)行，其低溫結(jié)構(gòu)相對(duì)低溫超導(dǎo)電纜要簡(jiǎn)單。

二.超導(dǎo)電纜按其輸送電能形式不同有直流超導(dǎo)電纜和交流超導(dǎo)電纜。

直流超導(dǎo)電纜由于超導(dǎo)材料處在超導(dǎo)態(tài)時(shí)幾乎沒有電阻，輸電時(shí)只有電流引線和低溫制冷裝置有電能損耗。

交流超導(dǎo)輸電電纜由于超導(dǎo)體在通電運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生交流損耗以及絕緣層介質(zhì)損耗等，因此其熱損耗要比直流電纜大。

三.按絕緣方式不同，超導(dǎo)電纜還可分為常溫絕緣超導(dǎo)電纜和低溫絕緣超導(dǎo)電纜。

常溫絕緣超導(dǎo)電纜的電絕緣層是處在電纜低溫容器外的常溫區(qū)，它可以采用常規(guī)電纜的電絕緣材料和技術(shù)，低溫絕緣超導(dǎo)電纜的電絕緣層是直接纏包在導(dǎo)體上，并與導(dǎo)體一起處在低溫區(qū)，這樣電纜尺寸將更緊湊。為了防止電纜載流時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)周圍環(huán)境的影響，通常在絕緣層外還加有屏蔽層。

組成

超導(dǎo)電纜主要由電纜本體、終端以及低溫制冷裝置組成。

超導(dǎo)電纜本體包括電纜芯、電絕緣和低溫容器，電纜芯是由超導(dǎo)體組成，它裝在維持電纜芯所需低溫的低溫容器管中，低溫容器管兩端與終端相連。電纜芯的超導(dǎo)帶在終端通過(guò)電流引線與外部電源或負(fù)載相聯(lián)接。對(duì)高溫超導(dǎo)電纜，電纜芯是由繞在骨架上的多層高溫超導(dǎo)帶材組成，超導(dǎo)帶層間纏繞絕緣帶，以降低電纜因電磁耦合引起的交流損耗。電纜的低溫容器管采用具有高真空和超級(jí)絕熱的雙不銹鋼波紋管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)保證了高溫超導(dǎo)電纜的柔性和保持夾層高真空度。對(duì)低溫絕緣電纜，電絕緣包在導(dǎo)體層外側(cè)，與導(dǎo)體層同處低溫環(huán)境中。對(duì)常溫絕緣電纜，電絕緣處在低溫容器外側(cè)，在絕緣層外再加電纜保護(hù)層。

終端是超導(dǎo)電纜與外部電氣部件連接的端口，同時(shí)也是電纜低溫部分與外部室溫的過(guò)渡段，因此終端要求有很好的熱絕緣，以保證超導(dǎo)電纜整體熱損耗最小。同時(shí)，低溫冷卻裝置還要通過(guò)終端冷卻超導(dǎo)電纜芯的超導(dǎo)帶材，保證超導(dǎo)體能在設(shè)計(jì)的運(yùn)行溫度下運(yùn)行。另外，由于超導(dǎo)電纜導(dǎo)體層將通過(guò)電流引線與外部高電壓母線連接，因此要求終端有相應(yīng)的電絕緣水平。

應(yīng)用領(lǐng)域

1.電力輸送

超導(dǎo)電纜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電力輸送領(lǐng)域，可以用于傳輸高壓、大功率的電力。超導(dǎo)電纜的優(yōu)勢(shì)在于，在電纜長(zhǎng)度不變的情況下，其容量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的線纜。而且，由于超導(dǎo)電纜不會(huì)有電阻，因此不會(huì)有電纜發(fā)熱的問(wèn)題，電力傳輸效率高。此外，由于無(wú)需電力輸送時(shí)的電力轉(zhuǎn)換步驟，超導(dǎo)屯纜還可以提高系統(tǒng)的能源利用率，降低電力輸送的浪費(fèi)。

2.磁懸浮列車

磁懸浮列車需要在高速行駛中通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流，以維持車犧懸浮和運(yùn)行的動(dòng)力。傳統(tǒng)的磁懸浮列車需要鋪設(shè)電流導(dǎo)軌，而超導(dǎo)電纜則可以直接將電流輸送至磁懸浮列車的懸浮系統(tǒng)中，使得電磁懸浮效果更好、能耗更低、噪音更小。此外，對(duì)于磁懸浮列車來(lái)說(shuō)，超導(dǎo)電纜還以提高列車的運(yùn)行速度和行駛距離。

3.醫(yī)療領(lǐng)域

超導(dǎo)電纜技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。例如，MRI(磁共振成像)技術(shù)就是利用超導(dǎo)電纜傳輸超強(qiáng)的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)人體成像的。超導(dǎo)電纜在磁共振成像中起到承載超強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，使得磁場(chǎng)強(qiáng)度可以達(dá)到兒個(gè)特斯拉，從而提高成像的分辨率。

未來(lái)發(fā)展

雖然超導(dǎo)電纜技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，但是其自身的間題也需要我們關(guān)注。超導(dǎo)體的制備、絕緣材料的研發(fā)、電纜的制造都是超導(dǎo)電纜技術(shù)未來(lái)需要攻克的難題。此外，由于超導(dǎo)電纜的成本還比較高，需要進(jìn)一步降低成本，才能其更廣泛地應(yīng)用于低重、中壓領(lǐng)域。

此外，當(dāng)前的超導(dǎo)電纜還存在溫度限制，需要維持在很低的臨界溫度以下，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了一定的限制。因此，未來(lái)的研究方面應(yīng)該是尋找新的超導(dǎo)材料，降低臨界溫度，并且提高超導(dǎo)電纜的傳輸容量和可靠性。

總之，超導(dǎo)電纜技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)是一種趨勢(shì)。它不僅可以提高電力傳輸?shù)哪苄Ш唾|(zhì)量，還能夠應(yīng)用于未來(lái)的綠色交通、醫(yī)療成像等領(lǐng)域。在未來(lái)，期特超導(dǎo)電纜技術(shù)的快速發(fā)展，為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。