浅谈超导材料在电工领域应用及推广

侯垚

（机械工业北京电工技术经济研究所）

0 引言

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、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，目前技术已相当完善，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，而超导材料的出现给电工技术的变革带来了新的契机。

超导现象是指材料在低于某一温度时， 电阻变为零的现象，这种材料叫超导材料， 这个温度是临界温度。

1 超导材料的特征

1）电阻为零，一个超导体环移去电源之后，还能保持原有电流。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，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。因此在电工设备中使用超导材料可以减少损耗、提高效率、缩小体积、减轻重量、降低成本。

2）完全抗磁性，只要超导材料进入超导状态，便可把磁感线排斥体外，其体内的磁感应强度总是零, 出现磁悬浮现象。

2 实用超导材料

早在 1911 年就已被荷兰物理学家 Kamerlingh Onnes 发现, 但由于一般超导体在百分之几特斯拉的磁感应强度下就转变为正常态, 因而一直未能实际应用。直到1986年，由瑞士IBM实验室的穆勒和贝德诺兹发现的高温超导材料（High Temperature Superconductor）给材料和电工领域注入了一股新的力量。由于高温超导材料损耗低、载流能力强，可用来制造效率更高、功率密度更强的电力器件，如超导储能装置、超强磁体、超导限流器和超导变压器等。此外，使用高温超导材料还具有无油、漏磁少等环境优势。

下面主要介绍当前在电工领域已经实用化的超导材料。

2.1 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，LTS (低温超导材料), Tc＜20K，具有代表的材料：Nb-Ti（铌钛）; Nb3Sn（铌锡）。

（1）韧性合金超导材料Nb-Ti（铌钛）

铌表现出很高的元素临界温度, 在 9.2K 时就具有超导性，但却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场。

目前商用标准合金是Nb-Ti-47，Tc=9.6K。4.2K时的Bc2（上临界场）为11T，2K时为14T。与其他超导材料相比，Nb-Ti由于强度高、塑性好等优异的机械性能、临界电流密度高和相对低廉的制造成本，较高的载流特性及线材制作成本低，单线长度不受限制，而被广泛应用于10T以下超导磁体的制造，目前世界上已应用的超导材料中, Nb-Ti合金材料占了一半以上。

特点：线材制作成本低，单线长度不受限制， 应用中需要昂贵的液氦制冷，在高场应用受限制应用中需要昂贵的液氦制冷，在高磁场应用受限制。

（2）脆性A15 型超导化合物材料Nb3Sn（铌锡）

铌基A15金属间复合体结构Nb3Sn与Nb-Ti相比表现出更好的超导性能。商用复合材料Nb3Sn的Tc=18.1K，在4.2K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。

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。

特点：Nb3SnTc=18.1K，线材制作成本低，单线长度上千米， 在高产应用。

2.2 高温超导材料

超导物理中将临界温度在液氦温区以上的超导体叫作高临界温度超导体，HTS （高温超导材料），Tc＞77K。

目前具有商业前景的高温超导材料有铋系（BSCCO）、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。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“粉末套管法”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（77 K , 0 T）可达到 115 A , 工程临界电流密度JC（77K ，0 T）可达到12 kA/m2。

由于MgB2成材容易，成本低廉，临界温度高于铌钛线和铌三锡线（4～30K)，可以在磁体中实现传导冷却，这样不用液氦；可以用于制作直流和交流超导电机，传输电缆等；单线长度长，制作费用低；因此是最具潜力的新型超导材料之一。

特点，MgB2：Tc=39K，成本低，圆线或者带材，单线长度不受限制， 应用中不需要液氦制冷。

（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Bi-2223为代表的第一类高温超导带材，其临界温度为77K 。由于Bi-2223带材的临界电流受磁场的影响较大, 在 77K 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20K左右。目前商业化铋系多芯带材的JC最高约为50kA/cm2（77K ，0 T）特点：Bi-2223，Bi-2212 （铋系，一代高温超导）： 高成本，带材在磁场下临界电流衰减。

（2） 钇系高温超导材料

在液氮温区, 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。目前实用化的钇系超导材料主要是块材和薄膜。

特点：YBCO（钇钡铜氧，二代），Tc=90K，成本高，带材长度受限制。

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。

鉴于超导材料及相关技术在电力领域广阔的应用前景和市场价值，美国、日本、韩国和中国等国都在积极参与该技术领域的开发，已建立了多条示范线或开发了研究模型，如超导电缆、超导变压器和超导电机等。然而，超导技术的大规模应用仍尚需时日。

3.1 超导电缆

由于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。超导电缆载流能力强、损耗低，在同样的安装条件下，占用体积更小，可用来改造或替换现有的地下电缆。超导材料由于其零电阻特性以及比常规导体高得多的载流能力，可以输送极大的电流和功率而没有电功率损耗。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。

近些年，超导电缆相关项目发展迅速。从目前的开发情况看，电缆中采用的超导带材主要是Bi-2223/Ag一代超导带材，二代YBCO超导带材应用于超导电缆示范线中的实例还很少，相关技术还不成熟；超导电缆示范线的成功运行需解决大量的技术难题，但仍有很多工作要做：电缆通电过程中的交流损耗仍然太高，低温下的介电绝缘技术需要进一步地了解，电缆接头和终端还处于开发的早期阶段，安全性好、可靠性高的制冷系统还需要进一步证明。

3.2 超导电机

效率高、性能好以及巨大的市场潜力驱动着超导电机的发展。将超导电机用于风力发电是目前发展的趋势。超导电机重量轻、紧凑性好，在风力发电机中特别具有优势。超导电机采用超导材料替代常规电机的转子。传统电机以铜作为线圈绕组，采用超导材料后，可将铜用量从2.1ton减至0.44ton，铁用量从10.5ton减少至2.8ton，大大减少了金属的使用量，降低了成本；而制冷系统电力消耗导致的成本，已由使用周期长、效率高而得以抵消。

事实上，Bi-2223超导材料并不适合作为电机的电枢绕组，原因是Bi-2223材料对磁场敏感，电枢绕组中的交流电磁场会导致Bi-2223超导材料的交流损耗增加。从性能上说，YBCO比Bi-2223更适合用于超导电机。

3.3 超导变压器

超导变压器之所以具有吸引力，原因是：与传统变压器相比，体积可减少50%，重量可减少70%，损耗低于30%；在发生瞬时过载时，不会发出噪声，同时还具有一定的限流作用。目前，技术难点主要集中在交流损耗过高和磁场下临界电流Ic值下降明显。中国船舶重工集团712所开发出我国首台兆瓦级高温超导电机，并通过科技部的项目验收，总体指标处于先进水平。

3.4 超导限流器

超导限流器也称超导电阻（抗）器，串联于电路中，是依靠线圈的电阻（感抗）限制电力系统的短路电流。线路正常运行时，限流器处于超导态，只有极小的阻抗（基本为零，可以忽略）。当线路中电流超过临界电流Ic时，限流器失超，在线路中表现为电阻或感抗。故障消除后，超导限流器自动复位，很适合用于电网。超导限流器具有响应速度快、能快速自动复位和提高电网的稳定性等优点；缺点是正常运行时功耗大。

3.5 超导储能装置

通过某种手段将能量存储起来，在需要时释放的过程，称为储能。按照储能的方式，可分为物理储能、化学储能和电磁储能，超导储能是电磁储能的一种。超导储能装置无需能量转换、直接储能，转换效率高，响应速度快，功率密度大，用于电网时，低谷时储藏电能，高峰时释放电能，具有有效提高输电的效率和经济性等优点；缺点是运行及维护成本高。我国首台超导储能装置位于甘肃省白银变电站。

4 结束语

超导技术在提高能源效率，提高电力系统的稳定性、安全性和保护环境方面有着巨大的应用潜力。目前在电工行业实用化方面已取得突破性进展，在未来大规模超导技术的应用必将给电工领域带来质的飞跃。