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      新型電纜與高溫超導(dǎo)技術(shù)結(jié)合的探究

      2018-02-23 14:35:40楊思哲
      中國(guó)科技縱橫 2018年24期

      楊思哲

      摘 要:第二次工業(yè)革命后人類進(jìn)入電氣時(shí)代,電能作為一種二次能源和可再生能源具有便于利用、清潔等優(yōu)點(diǎn),在我們生產(chǎn)生活中的地位舉足輕重。然而由于我國(guó)幅員遼闊,能源資源在空間上的分布和負(fù)荷的地理分布并不統(tǒng)一,大規(guī)模和長(zhǎng)距離的電力輸送成為解決我國(guó)能源問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)之一。傳統(tǒng)電纜已經(jīng)在此類輸電方式上做出了巨大貢獻(xiàn),但仍存在維護(hù)成本高、電能損耗較大等問(wèn)題。高溫超導(dǎo)這項(xiàng)前沿技術(shù)將在輸電領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢(shì)。文章從高溫超導(dǎo)的特性開(kāi)始,分析了高溫超導(dǎo)輸電電纜的優(yōu)勢(shì)、局限和現(xiàn)狀等問(wèn)題,并提出了新型電纜結(jié)構(gòu)與高溫超導(dǎo)帶材結(jié)合的設(shè)想。

      關(guān)鍵詞:高溫超導(dǎo);新型電纜;輸電

      中圖分類號(hào):TM249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2018)24-0252-02

      0 引言

      超導(dǎo)體是指在某一較低溫度下,展現(xiàn)出零電阻特性的導(dǎo)體。低溫研究不斷發(fā)展促進(jìn)了超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。超導(dǎo)體第一次走進(jìn)人們的視野是在1911年,荷蘭科學(xué)家卡麥林·昂尼斯(Kamerlingh Onnes)等人發(fā)現(xiàn)在極低溫度下汞的電阻極小,甚至消失,表現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)。其臨界溫度Tc為4.2K。零電阻僅是超導(dǎo)體的特性之一,隨后,超導(dǎo)體更多奇特的性質(zhì),如邁斯納效應(yīng)與約瑟夫森效應(yīng)被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。1933年,德國(guó)科學(xué)家瓦爾特·邁斯納(W·Meissner)和羅伯特·奧森菲爾德(R·Ochsebfekd)通過(guò)測(cè)量錫單晶超導(dǎo)體的磁場(chǎng)分布,發(fā)現(xiàn)臨界溫度下金屬進(jìn)入超動(dòng)態(tài),此時(shí)處于磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體體內(nèi)的磁力線瞬間被排出,體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,即完全抗磁性。并且無(wú)論降溫與施加磁場(chǎng)的先后超導(dǎo)體一旦處于超導(dǎo)態(tài),就會(huì)把磁通量排出體外。這就是判斷超導(dǎo)體的另一特征指標(biāo),被稱為邁斯納效應(yīng)。1962年,英國(guó)物理學(xué)家B·D約瑟夫森從理論上對(duì)前人加埃弗的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析計(jì)算并大膽預(yù)言,當(dāng)很薄的絕緣層隔開(kāi)兩塊超導(dǎo)體時(shí),將出現(xiàn)橫跨約瑟夫森結(jié)的超電流現(xiàn)象,即約瑟夫森效應(yīng)。一年后,約瑟夫森的預(yù)言被P·W安德森和J·M羅厄爾通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明。

      超導(dǎo)體需要在極低的溫度下才可以表現(xiàn)出超導(dǎo)態(tài),這使得其在被發(fā)現(xiàn)后很長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法被廣泛應(yīng)用。1986年,美國(guó)IBM公司的柏諾茲(Bednorz)和繆勒(Muller)在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)臨界溫度達(dá)35K的鑭鋇銅氧體系。隨后,液氮的溫度壁壘于1987年被真正突破,美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國(guó)科學(xué)家趙忠賢在釔鋇銅氧體系上將臨界溫度Tc提升到90K。在此次之后,高溫超導(dǎo)材料的研究不斷深入,并漸漸投入實(shí)際應(yīng)用[1]。

      隨著電力工業(yè)規(guī)模發(fā)展,全社會(huì)用電量加大,我國(guó)對(duì)電力電纜的需求急劇增加,各種類型的電纜也應(yīng)運(yùn)而生。油浸紙絕緣電力電纜和充油電纜最早達(dá)到高電壓輸電等級(jí)。擠塑電纜因工藝等問(wèn)題存在較高故障率,且穩(wěn)定性較低,損耗較大。高溫超導(dǎo)電纜一直以來(lái)是電纜開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)大容量,低損耗輸電,但成本造價(jià)較高。在未來(lái),我國(guó)輸電技術(shù)將朝著電壓高、容量大、距離長(zhǎng)的方向發(fā)展,由交流到直流逐步轉(zhuǎn)變,這也將是電力電纜的發(fā)展趨勢(shì)。

      1 高溫超導(dǎo)輸電原理及其巨大潛力

      超導(dǎo)材料因其高密度載流能力成為超導(dǎo)輸電技術(shù)的基礎(chǔ)。人們已經(jīng)進(jìn)行了大量低溫超導(dǎo)電纜的研究工作,但是事實(shí)證明,由于造價(jià)、運(yùn)行成本昂貴,低溫超導(dǎo)電纜商業(yè)化困難重重。1986年繆勒發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體,人們?cè)俅螌?duì)超導(dǎo)電纜產(chǎn)生興趣。高溫超導(dǎo)輸電利用臨界溫度在90K以上,120K以下的高溫超導(dǎo)材料,液氮做制冷劑就可使它們表現(xiàn)出超導(dǎo)態(tài)。氮的沸點(diǎn)相對(duì)氦、氫較高,便于液化,且在空氣中含量巨大,因此,未來(lái)超導(dǎo)輸電技術(shù)將主要圍繞高溫超導(dǎo)輸電進(jìn)行,新型電纜與高溫超導(dǎo)技術(shù)結(jié)合已是大勢(shì)所趨。

      高溫超導(dǎo)電纜作為新興電纜與高溫超導(dǎo)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,以零電阻和電流密度高的超導(dǎo)材料為其載流導(dǎo)體,焦耳熱損耗可視為零[2]。二十世紀(jì)末,超導(dǎo)應(yīng)用的研究因高溫超導(dǎo)材料制備的相關(guān)技術(shù)取得突破而被極大促進(jìn)。目前主要有三類高溫超導(dǎo)帶(線)材應(yīng)用于高溫超導(dǎo)電纜。

      第一代鉍系高溫超導(dǎo)帶材(BSCCO/Ag復(fù)合帶材)是通過(guò)熱處理實(shí)現(xiàn)帶材致密化,通過(guò)粉末包套法(PIT法)制備的鉍系高溫超導(dǎo)帶材。由于BSCCO晶體的層化結(jié)構(gòu),此類帶材的工藝已相對(duì)成熟。但鉍系高溫超導(dǎo)帶材不可逆磁場(chǎng)小,磁場(chǎng)極大地影響其臨界電流Ic。另外,成本較高也使鉍系高溫超導(dǎo)帶材應(yīng)用受限。

      第二代釔系高溫超導(dǎo)帶材因其超導(dǎo)體導(dǎo)電的各向異性弱,比鉍系超導(dǎo)帶材具有更為優(yōu)良的磁場(chǎng)特性和載流性能。如今釔系高溫超導(dǎo)帶材已確立相應(yīng)的涂層工藝制造技術(shù),成本有望進(jìn)一步降低。

      第三代的高溫超導(dǎo)帶材正在研發(fā)之中,2001年日本研究人員發(fā)現(xiàn)離子化合物MgB2在40K左右會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體,由此研發(fā)除了新型MgB2高溫超導(dǎo)帶材。相較于低溫超導(dǎo)材料,MgB2的臨界溫度處于液氫溫區(qū),運(yùn)行成本更低廉;相較于氧化物高溫超導(dǎo)體,MgB2晶粒間結(jié)合性較強(qiáng),很大程度上方便了帶材的制備。這種新型的高溫超導(dǎo)帶材具有良好的發(fā)展前景。

      高溫超導(dǎo)輸電的優(yōu)越性可概括為大容量、低損耗、體積小、可降低輸電電壓、資源節(jié)約、環(huán)境友好。隨著長(zhǎng)距離、大容量輸電需求和大城市用電量增加,傳統(tǒng)高壓架空線輸電將會(huì)遭遇許多困難[3]。在這種情況下,高溫超導(dǎo)輸電電纜更適應(yīng)未來(lái)輸電需求。與常規(guī)電纜相比,高溫超導(dǎo)電纜的電流密度約高兩個(gè)數(shù)量級(jí),而能量損耗只有常規(guī)電纜的約50%。高溫超導(dǎo)電纜在電力應(yīng)用領(lǐng)域的前景必將越來(lái)越廣闊。

      2 高溫超導(dǎo)輸電電纜的發(fā)展現(xiàn)狀及其局限性

      早在1988年至1990年,歐、美、日等國(guó)的科學(xué)家就著手于高溫超導(dǎo)輸電電纜的實(shí)用性和可行性研究。結(jié)果證明高溫超導(dǎo)電纜具有極大的應(yīng)用潛力。1999年,美國(guó)Southwire研發(fā)部門(mén)研制出了三相高溫超導(dǎo)電纜,其長(zhǎng)度可達(dá)到30米,能承受的最大電流/電壓為12.5kV/1.25kA,可以提供其總部的電力需求。1997年,日本住友電氣公司、日本電力公司和古河電氣公司分別研發(fā)出50m長(zhǎng)、1200A和2200A的高溫超導(dǎo)輸電電纜。2001年,韓國(guó)制定高溫超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃,高溫超導(dǎo)電纜的研究不斷取得重大突破。至2012年我國(guó)研發(fā)的Bi2223帶材長(zhǎng)380m、電流密度10kA,已實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。

      與常規(guī)電纜相比,高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜,主要由電纜本體、低溫制冷系統(tǒng)和終端組成[4]。由電纜芯、電絕緣、低溫恒溫管環(huán)環(huán)相套而成的電纜本體是超導(dǎo)電纜的關(guān)鍵部分。為保證超導(dǎo)電纜夾層高真空度和電流柔性,低溫恒溫管通常使用高真空、超級(jí)絕熱的波紋管結(jié)構(gòu),其兩端連接終端,中間圍繞著超導(dǎo)線帶繞成的電纜芯。超導(dǎo)電纜絕緣有兩種方式:低溫絕緣和常溫絕緣。低溫絕緣是指電絕緣層直接包在導(dǎo)體上,處于低溫區(qū)。電絕緣層處于常溫區(qū),即處在低溫恒溫管外,則被稱為常溫絕緣。超導(dǎo)電纜終端作為電纜和外電氣部件相連的兩端,是高溫超導(dǎo)電纜的重要組成部分,也是電力由低溫過(guò)度到室溫的部分。因?yàn)榻K端又是冷卻液和制冷設(shè)備連接的通道,所以它對(duì)耐高壓、熱負(fù)荷有很高要求。低溫冷卻系統(tǒng)為超導(dǎo)材料表現(xiàn)出超導(dǎo)態(tài)提供低溫條件。

      技術(shù)要求苛刻、結(jié)構(gòu)復(fù)雜決定了高溫超導(dǎo)電纜在應(yīng)用上存在局限性。高溫超導(dǎo)電纜制備難度大、成本高,有交流損耗、介質(zhì)損耗、熱損耗等多方面損耗來(lái)源,相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)不夠完備等問(wèn)題亟待解決。

      3 新型電纜結(jié)構(gòu)和高溫超導(dǎo)帶材結(jié)合的設(shè)想

      本文對(duì)于現(xiàn)階段比較成熟的高溫超導(dǎo)帶材(例如第二代釔系高溫超導(dǎo)帶材)[5],與新型的電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合,提出一個(gè)更加堅(jiān)固穩(wěn)定并且具有更高的能量利用率的結(jié)構(gòu)設(shè)想,目前對(duì)于常見(jiàn)的電纜,分為單相和三相高溫超導(dǎo)電纜,以三相高溫超導(dǎo)電纜為例。

      無(wú)論是室溫介質(zhì)還是低溫介質(zhì)的高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)都較復(fù)雜,存在生產(chǎn)難度大、成本高及安裝、運(yùn)行、維護(hù)的實(shí)際操作問(wèn)題。本文提出的結(jié)構(gòu)設(shè)想是一種全新的高溫超導(dǎo)電纜本體設(shè)計(jì),如圖1所示,其由于采用三角形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),相對(duì)于傳統(tǒng)的圓形高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)具有較高的形狀穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性[6]。

      高溫超導(dǎo)輸電電纜的截面圖如圖2所示。其整個(gè)電纜結(jié)構(gòu)由多段高溫超導(dǎo)長(zhǎng)帶材串聯(lián)組成。其中三角形結(jié)構(gòu)的三條邊為釔系高溫超導(dǎo)帶材,其具有優(yōu)良的磁場(chǎng)特性和載流性能,三個(gè)邊正好分別組成三相電流的三個(gè)電流輸電線。中間的白色部分為液氮冷卻體,液氮由中間冷卻體部分通入,可以使得溫度降低到高溫超導(dǎo)體的臨界溫度以下。

      冷卻過(guò)后的液氮可以從三個(gè)帶材圍成的三角體外流出,也可以制作對(duì)切的三角形帶材,從一個(gè)三角單元中間流入,然后從另一個(gè)三角單元流出;或者堆疊成為六邊形,形成蜂巢狀的結(jié)構(gòu),如圖3所示。以上結(jié)構(gòu)可以更高的提高使用效率,從而實(shí)現(xiàn)大電流、高電壓、低損耗、低成本的電流輸送。

      4 結(jié)語(yǔ)

      此設(shè)計(jì)相較于已有的超導(dǎo)電纜設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)捷,可盡可能地降低生產(chǎn)難度,進(jìn)一步降低成本,并簡(jiǎn)化高溫超導(dǎo)電纜在安裝、運(yùn)行、維護(hù)過(guò)程中的實(shí)際操作。但此設(shè)計(jì)仍處于初步構(gòu)想階段,仍有許多問(wèn)題有待解決,如在堆疊的YBCO高溫超導(dǎo)材料間未找到合適的、足夠薄的材料進(jìn)行隔絕,未找到彎角與直線部分完美對(duì)接的有效方案。

      近年來(lái),高溫超導(dǎo)輸電電纜已經(jīng)在一些應(yīng)用領(lǐng)域嶄露頭角[7]?;诔鞘泄╇娏坎粩嘣黾樱笕萘抗╇娦枨蟛粩嗉哟蟮墓╇娋€路現(xiàn)狀,相信未來(lái)高溫超導(dǎo)輸電電纜會(huì)有十分廣闊的應(yīng)用前景[8]??梢灶A(yù)見(jiàn)的是,高溫超導(dǎo)輸電電纜必將在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)商品化,成為主流的輸電載體。

      參考文獻(xiàn)

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