YBCO超导体的电工学应用进展探讨

付阳

摘 要：YBCO自问世以来，具有比其他电工磁性材料更加优越的电工学应用性能，在电工学领域中应用价值极大。本文首先介绍了YBCO超导体的结构性能，在YBCO超导体的理论基础上，阐述了YBCO块材和带材在电工学领域的应用进展，以对高温超导体材料有一个更加准确的认识，促进高温超导体材料在各个领域的应用和发展。

关键词：YBCO超导体;带材;块材;电工学

中图分类号：TM26 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）17-0036-03

Abstract： Since its inception， YBCO has been superior to other electrical materials in electrical engineering， and has great application value in the field of electrical engineering. Firstly， the structural properties of YBCO superconductors were introduced. Based on the theory of YBCO superconductors， the research progress of YBCO bulk materials and strips in the field of electrical engineering was expounded， in order to have a more accurate understanding of high temperature superconductor materials and promote the application and development of high temperature superconductor materials in various fields.

Keywords： YBCO superconductor;strip;block;electrical engineering

自19世紀超导现象被发现至今，学者们对超导材料的研究已有上百年。随着科学家们不断探索，超导体在各个领域中得到了广泛应用，对超导体的研究也成为科学家们一直以来较为关注的重点问题。在漫长的岁月里，科学家研究的超导体大多都属于低温超导体，也有些超导材料的临界温度较高，但仅是小部分。超导材料具有零电阻、低耗能的特点，相信在未来的研究中，高温超导材料定会掀起一阵工业改革风。本文以YBCO高温超导体为研究对象，对YBCO高温超导体的电工学应用进展进行研究，以挖掘超导体在电工学领域中的应用价值。

1 YBCO高温超导材料的性能研究

超导材料是指具有超导性的材料，该材料在室温下是有电阻的良好导体，但随着温度的不断降低，其电阻降低，当温度达到临界温度以下，其电阻会突然消失[1]。高温超导材料中，钇钡铜氧（YBCO）用于制备超导薄膜，在电子通信领域应用较为广泛。YBCO高温超导体除了具有零电阻、低能耗等传统导体的基本性能外，还具有90K以上的超高临界温度，属于畸变的层状钙钛矿结构，是氧化物超导体的一种[2]。

正交相的Y1Ba2Cu3O7-r晶体结构是一种严重畸变的鹰钙钛矿结构，其晶格常数为：[a=3.82A，b=3.89A，][c=11.6A]，其晶格常数的特点为：[a-b-c3]，这一特点对YBCO薄膜的结晶取向产生一定影响[3]。YBCO结构如图1所示。

2 YBCO超导体的电工学应用进展研究

超导体具有零电阻、高密度载流能力、完全抗磁性、超导态—正常态转变等电磁特性，这些特性使其完全区别于传统电工导体和电工磁性材料，因而在电工学领域具有广泛的应用价值[4]。超导电工学主要研究方向如图2所示。

2.1 YBCO在超导电力技术中的应用进展研究

2.1.1 超导限流器。超导限流器（SFCL）分为电阻型限流器与电感型限流器两种。两种类型的限流器都是利用超导带材进行限流，区别是前者利用超导带材在过流时失超产生的电阻进行限流，后者则利用超导带材高密度无阻载流能力进行限流。电阻型限流器的电路结构如图3所示。

注：Ks为主断路器;Kfs为快速断路器;L为电抗器;R为电阻器。

当限流器处于正常工作状态时，电流会通过Ks、Kfs和SFCL;发生短路后，电流会超出设定的临界电流;L、R会分担部分电流，KfsUI快速断开电路，避免SFCL温度过高烧坏线路。

超导限流器的研究进展如表1所示。

2.1.2 超导变压器。超导变压器的工作原理与常规变压器的工作原理相同，使用超导线代替铜导线，在低温运行环境下进行超导绕组运行。近年来，YBCO超导带材的性能不断完善，以YBCO带材为主要材料的超导变压器的研究也在逐渐增加，如表2所示。

2.1.3 超导储能系统。超导储能（SMES）原理结构如图4所示。超导储能系统利用超导电感线圈存储电能，与电力电子换流器完成功率交换。利用超导带材零电阻、密度高的优势，实现超导储能系统高功率快速响应的特性，以保证电力系统的稳定性。

储能线圈是超导储能系统的核心，螺管线圈以矩阵截面结构为主，结构简单，但利用率不高，因此对改变线圈结构的研究较多。例如，与矩形截面结构相比，阶梯形截面结构设计复杂，但可以减小带材的磁场分量，提高临界电流与储能量。中国科学院电工研究所于2016年研制出一款超导限流储能系统（1MJ），采用的线圈方式是组合线圈结构，投入运行后其性能良好;日本完成了基于YBCO超导体2GJ储能线圈设计;韩国、德国等国家也相继对2.5MJ、3.8MJ和4.8MJ等超导储能系统进行了设计。

2.2 YBCO在超导磁体技术中的应用进展研究

YBCO在超导磁体技术中的应用进展如表3所示。高磁场有助于帮助科学实验发现新现象和新规律，因此，科学家们一直努力研究更高磁场的磁体。当前，最强的磁场为45T，但在运行过程中仍然存在一些问题，如水冷线圈需要有庞大的水冷系统作为支撑，当功耗超过设定阈值时，就会出现维护困难的问题。高温超导体在低温环境下具有较高的不可逆的特点，采用高温与低温相结合的方式则成为目前高场磁体发展的研究重点。

3 结语

YBCO超导体自发现以来，为社会所作出了巨大贡献，在超导限流器、超导变压器、超导电感储能、超导磁体等电工学方面的应用广泛。超导体虽然易受市场价格、低温制冷等条件的制约，但在特殊的应用场合下，超导体技术是传统技术无法替代的。因此，重点探索YBCO超导体在电工学方面的应用，将会为新兴产业发展作出巨大的贡献。

参考文献：

[1]张腾，古宏伟，丁发柱.MOCVD法制备YBCO高温超导体所需前驱盐的制备研究[J].中国材料进展，2011（12）：52-55.

[2]尉国茹.YBCO超导体物理属性受氧气氛影响及磁滞来源研究[D].郑州：郑州大学，2013.

[3]张荔敏，刘力源，朱运鹏，等.YBCO高温超导体交流损耗与温升特性的数值仿真研究[J].低温与超导，2015（6）：1-6.

[4]侯文东.氧气氛对YBCO超导体磁悬浮性能影响研究[J].科技创新导报，2016（14）：167-168.