超導技術論文
至今為止,超導技術的發展歷史僅為短短的50年,但它卻在出現之初就受到美、歐、日等發達國家的青睞。這是小編為大家整理的，僅供參考!
篇一
超導技術在電工領域的應用
摘要：20世紀80年代到90年代期間，高溫超導材料的發現使得其工程化應用成為可能。由於超導材料及相關技術在電力領域具有廣闊的應用前景和市場價值，美國、日本、韓國和中國等國都在積極參與該技術領域的開發，已建立了多條示範線或開發了研究模型，超導電纜、超導變壓器以及超導儲能飛輪等眾多模型或樣機已問世。
關鍵詞：超導電纜;超導變壓器;帶材;釔系;鉍系
中圖分類號：TM26 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374***2013***28-0043-03
1986年，由瑞士IBM實驗室的穆勒和貝德諾茲發現的高溫超導材料***High Temperature Superconductor***給材料和電工領域注入了一股新的力量。1987年至1993年期間，相繼發現了釔系、鉍系、鉈系和汞系超導材料，臨界轉變溫度Tc也從92K***釔鋇銅氧-YBa2Cu3Ox，簡寫YBCO***上升到130K以上***汞鋇銅氧-Hg2Ba2Ca2Cu3Oy***。隨後，研發焦點主要集中在高載流能力超導帶材的開發上，以一代鉍系***鉍鍶鈣銅氧，Bi2Sr2Ca2Cu3Oy，Bi-2223***超導帶材和二代YBCO塗層導體最為典型。由於損耗低、載流能力強，高溫超導材料可用來製造效率更高、功率密度更強的電力器件，如超導儲能裝置、超強磁體、超導限流器和超導變壓器等。此外，使用高溫超導材料還具有無油、漏磁少等環境優勢。
鑑於超導材料及相關技術在電力領域廣闊的應用前景和市場價值，美國、日本、韓國和中國等國都在積極參與該技術領域的開發，已建立了多條示範線或開發了研究模型，如超導電纜、超導變壓器和超導電機等。然而，超導技術的大規模應用仍尚需時日。
1 超導產品
1.1 超導電纜
超導電纜載流能力強、損耗低，在同樣的安裝條件下，佔用體積更小，可用來改造或替換現有的地下電纜。近幾年，超導電纜相關專案發展迅速。
國際上：2006年7月20日，350m長、34.5kV/0.8kA、三相交流超導電纜在美國奧爾巴尼市掛網執行，該專案由DOE資助，美國Superpower公司承攬，日本住友電工***SEI***和英國氧氣公司***BOC***參與。SEI負責了其中320m超導電纜的製造和安裝***該段以Bi-2223帶材為超導層***，Superpower公司負責剩餘30m超導電纜的製造***該段以二代高溫超導帶材為載流層***，這是世界上第一條用於城市地下輸電的超導電纜，也是SEI首次參與美國的政府專案。
2008年4月22日，由美國能源部投資***DOE***，美國超導公司***AMSC***、耐克森公司***Nexans***、法國液化空氣集團***AirLiquid***和美國長島電力局***LIPA***參與的一期600m，138kV/2.4kA超導電纜實現併網執行，這是目前世界上最長的併網執行的超導電纜。該條電纜以一代鉍***Bi-2223***系超導帶材為超導層，預計滿負荷執行時可滿足30萬家庭的用電需求。目前，由AMSC提供二代超導帶材，Nexans承攬的長島二期專案正在進行。美國還計劃用超導電纜連線3個獨立電網，建造超級變電站“Tres AmigasTM”，二代高溫超導帶材由AMSC提供，LS電纜公司和Nsxans為該專案製造超導電纜。
2013年1月，日本新能源產業技術綜合開發機構***NEDO***開發出新型超導電纜，可輸送275kV的高壓電。
國內：2013年4月，由中國科學院電工研究所和河南中孚實業股份有限公司聯合開發的360m長，載流能力10kA的直流超導電纜通過科技部驗收，這是目前世界上載流能力最高的直流超導電纜。
但從目前的開發情況看，電纜中採用的超導帶材主要是Bi-2223/Ag一代超導帶材，二代YBCO超導帶材應用於超導電纜示範線中的例項還很少，相關技術還不成熟;超導電纜示範線的成功執行需解決大量的技術難題，但仍有很多工作要做：電纜通電過程中的交流損耗仍然太高，低溫下的介電絕緣技術需要進一步的瞭解，電纜接頭和終端還處於開發的早期階段，安全性好、可靠性高的製冷系統還需要進一步證明。
1.2 超導電機
效率高、效能好以及巨大的市場潛力驅動著超導電機的發展。將超導電機用於風力發電是目前發展的趨勢。超導電機重量輕、緊湊性好，在風力發電機中特別具有優勢。超導電機採用超導材料替代常規電機的轉子。傳統電機以銅作為線圈繞組，採用超導材料後，可將銅用量從2.1ton減至0.44ton，鐵用量從10.5ton減少至2.8ton，大大減少了金屬的使用量，降低了成本;而製冷系統電力消耗導致的成本，已由使用週期長、效率高而得以抵消。
事實上，Bi-2223超導材料並不適合作為電機的電樞繞組，原因是Bi-2223材料對磁場敏感，電樞繞組中的交流電磁場會導致Bi-2223超導材料的交流損耗增加。從效能上說，YBCO比Bi-2223更適合用於超導電機。
1.3 超導變壓器
超導變壓器之所以具有吸引力，原因是：與傳統變壓器相比，體積可減少50%，重量可減少70%，損耗低於30%;在發生瞬時過載時，不會發出噪聲，同時還具有一定的限流作用。目前，技術難點主要集中在交流損耗過高和磁場下臨界電流Ic值下降明顯。2012年10月，中國船舶重工集團712所開發出我國首臺兆瓦級高溫超導電機，並通過科技部的專案驗收，總體指標處於先進水平。
1.4 超導限流器
超導限流器也稱超導電阻***抗***器，串聯於電路中，是依靠線圈的電阻***感抗***限制電力系統的短路電流。線路正常執行時，限流器處於超導態，只有極小的阻抗***基本為零，可以忽略***。當線路中電流超過臨界電流Ic時，限流器失超，線上路中表現為電阻或感抗。故障消除後，超導限流器自動復位，很適合用於電網。超導限流器具有響應速度快、能快速自動復位和提高電網的穩定性等優點;缺點是正常執行時功耗大。在超導限流器領域，我國的北京雲電英納超導電纜有限公司在國際上處於領先地位。 2007年8月，由天津機電工業控股集團公司和北京雲電英納超導電纜有限公司成功開發了35kV超導限流器，並在雲南省普吉變電站併網執行。
2013年3月，北京雲電英納超導電纜有限公司與廣東電網公司電網規劃研究中心簽訂了500kV超導限流器樣機研製的研發合同。
2013年4月，由天津市電力公司、北京雲電英納超導電纜有限公司和天津百利電氣控股集團共同承擔的863專案—“220kV/800A高溫超導限流器的研究與開發”通過驗收。
1.5 超導儲能裝置
通過某種手段將能量儲存起來，在需要時釋放的過程，稱為儲能。按照儲能的方式，可分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能，超導儲能是電磁儲能的一種。超導儲能裝置無需能量轉換、直接儲能，轉換效率高，響應速度快，功率密度大，用於電網時，低谷時儲藏電能，高峰時釋放電能，具有有效提高輸電的效率和經濟性等優點;缺點是執行及維護成本高。我國首臺超導儲能裝置位於甘肅省白銀變電站。
2 超導材料
在超導材料領域，鉍系超導線稱為一代超導線，釔系超導帶材稱為二代超導線***帶***材，事實上，YBCO材料的發現早於Bi-2223。YBCO於1987年在美國發現，臨界溫度Tc約90K，遠高於液氮沸點77K，超過了超導微觀理論***巴庫斯理論，BCS***的規定，所以稱之為高溫超導材料。1988年，日本發現了Tc高達110K的Bi-2223材料。由於YBCO工藝複雜，開發難度大，所以研究人員將焦點主要放在了Bi-2223材料上。自Bi-2223發現後，超導線材的長尺化得到了促進，並進行了超導電纜、電力引線和超導磁體等產品的開發。鉍系超導材料有三種類型：Bi2Sr2Cu2O6***Bi-2202，Tc約25K***，Bi2Sr2CaCu2O8***Bi-2212，Tc約80K***和Bi-2223。由於Bi-2212容易合成，所以開發的早期階段，以Bi-2212為主。隨著工藝的成熟，目前的Bi系超導材料基本指的是Bi-2223。Bi-2223帶材採用套管法制備***Powder In Tube，PIT***，住友電工開創了一種“受壓熱處理工藝”，通過這種工藝，可大幅降低材料中存在的空洞，在提高了帶材臨界電流和機械特性的同時，避免了由於液氮導致的“鼓泡”現象，住友電工目前已可製備臨界電流在200A以上的千米級Bi-2223線材。PIT法也用於二硼化鎂***MgB2***超導帶材的製備。
從材料組成和特性看，YBCO材料的成本低，效能更好。但從目前發展看，由於複雜的工藝及昂貴的裝置，導致其成本比Bi-2223要高，要想實用化，還有很多困難需要克服。
3 結語
超導技術在提高能源效率，提高電力系統的穩定性、安全性和保護環境方面有著巨大的應用潛力。但在電力系統中大規模應用超導技術之前，必須對其安全性和可靠性進行長期的驗證，需要大筆的投資資金。此外，由於其工藝複雜、成本高、投資額大及回收週期長等因素，很少有私人企業敢投身超導技術領域，現在美國、韓國和日本等進行的相關專案也基本都是由政府資助。超導技術應用於電力系統需要較長的開發週期，這對政府的資助金額和資助跨度也是個考驗。從開發的角度看，應先選擇研發週期短、投資少的的專案，開發小型樣機驗證理論可行性和積累經驗;然後再開發中型樣機或示範線，累積資料;最後再進入實際應用階段。每個階段都非常重要，且需較長的時間***多年***。
據估計，到2020年，超導市場主要由超導變壓器、超導發電機和超導電纜佔有。不管超導潛在市場有多麼廣闊，超導技術的進步，需要不斷的投入和推動，必須在政府的支援下，才有望實現產業化。
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作者簡介：王醒東***1986—***，男，江蘇泗陽人，富通集團有限公司工程師，碩士，研究方向：超導材料及相關技術。
篇二
超導電力技術在智慧電網的應用前瞻
摘要：未來電力工業的發展方向主要向智慧化發展，而發展智慧電網離不開超導電力技術的有力支援。研究超導電力技術在智慧電網中的應用對我國的電力系統的發展具有重要的意義，本文就針對此問題進行了探討和研究。
關鍵詞：超導電力 智慧電網 超導儲能 可再生能源
0 引言
智慧電網對於我國電網的發展具有重要的意義，智慧電網無論是在穩定性，經濟性還是對於可再生資源的包容性以及電能智慧上與傳統電網相比都有了顯著的提升;而超導電力技術對於智慧電網的開發具有關鍵的作用，為智慧電網的建設提供了有力的條件。但是，由於電力系統的執行具有自身的特殊性和複雜性的特點，因此，在超導電力技術應用的同時，肯定會給當前的電力系統帶來一定的挑戰，從目前的情況來看，我國無論是從理論上還是實踐上對於超導電力技術還缺乏一定的準備。本文基於我國電力系統的現狀，並考慮未來能源結構的重大變化以及超導技術的迅速發展，從系統角度出發，對超導電力技術在智慧電網的應用做出具有前瞻性的探討。
1 為什麼需要超導技術
電能的損耗由管理損耗和技術損耗兩部分組成，導線方面的損耗屬於技術損耗，導線是有電阻的，不同材料的導線電阻率是不同的，如果有一種材料的電阻率為零，那麼導線的電阻也會為零，電能的損耗將大幅下降，企業將會獲得更多的經濟效益。所以，尋找這麼一種材料是必要的，也就是超導技術的必要性。超導技術一但研發成功並投入到實際生產中，比如輸電網落，大容量發電機，磁懸浮列車，核能發電，將對人類社會的發展起巨大的推動作用。
2 超導技術的產生和發展
1911年荷蘭物理學家Onnes發現汞***水銀***在4.2k附近電阻突然下降為零，他把這種零電阻現象稱為超導電性。汞的電阻突然消失時的溫度稱為轉變溫度或臨界溫度，常用Tc表示。超導是指某些物體當溫度下降至一定溫度時，電阻突然趨近於零的現象。具有這種特性的材料稱為超導材料。超導體由正常態轉變為超導態的溫度稱為這種物質的轉變溫度***或臨界溫度***因為這個溫度很低，在絕對零度附近。因而目前為止，應用不是很廣泛，但是科學家在研究高溫超導，如果研究成功，用這種材料導電時不損耗電能，不產生熱量，可以節約能源。
在一定溫度下具有超導電性的物體稱為超導體。金屬汞是超導體。進一步研究發現元素週期表中共有26種金屬具有超導電性，單個金屬的超導轉變溫度都很低，沒有應用價值。因此，人們逐漸轉向研究金屬合金的超導電性。其中Nb3Ge的轉變溫度為23.2K，這在70年代算是最高轉變溫度超導體了。當超導體顯示導材料都是在極低溫下才能進入超導態，假如沒有低溫技術發展作為後盾，就發現不了超導電性，無法設想超導材料。這裡又一次看到材料發展與科學技術互相促進的關係。
低溫超導材料要用液氦做致冷劑才能呈現超導態，因此在應用上受到很大的限制。人們迫切希望找到高溫超導體，在徘徊了幾十年後，終於在1986年有了突破。瑞士Bednorz和Müller發現他們研製的La-Ba-CuO混合金屬氧化物具有超導電性，轉變溫度為35K。這是超導材料研究上的一次重大突破，打開了混合金屬氧化物超導體的研究方向。接著中、美科學家發現Y-Ba-CuO混合金屬氧化物在90K具有超導電性，這類超導氧化物的轉變溫度已高於液氮溫度***77K***，高溫超導材料研究獲得重大進展。一連串激動人心的發現在世界上掀起了“超導熱”。目前新的超導氧化物系列不斷湧現，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它們的超導轉變溫度超過了120K。高溫超導體的研究方興未艾，人們殷切地期待著室溫超導材料的出現。
人們發現C60與鹼金屬作用能形成AxC60***A代表鉀、銣、銫等***，它們都是超導體，大多數AxC60超導體的轉變溫度比金屬合金超導體高。金屬氧化物超導體是無機超導體，它們都是層狀結構，屬二維超導。而AxC60則是有機超導體，它們是球狀結構，屬三維超導。因此AxC60這類超導體是很有發展前途的超導材料。
20世紀末，科學家合成了在室溫下具有超導效能的複合材料，室溫超導材料的研製成功使超導的實際應用成為可能。超導研究引起各國的重視，一旦室溫超導體達到實用化、工業化，將對現代文明社會中的科學技術產生深刻的影響。
3 超導技術在智慧電網的應用
3.1 提高電力系統暫態穩定性 超導故障限流器是近年來發展起來的限制短路電流的新技術裝備，超導故障限流器，利用超導體的超導/常態轉變特性，由零電阻迅速轉變為高阻值，從而達到降低系統的短路電流的目的。超導故障限流器能滿足智慧電網對暫態穩定的快速性和準確性的要求。
3.2 提高電力系統小干擾穩定性 我國未來智慧電網雖然有可再生能源的加入，但仍然遵循著大電網、大機組的發展發向，遠距離大容量輸送電能不可避免，降低了系統執行的動態安全性。大規模互聯絡統小干擾穩定與否主要表現在區域聯絡線的功率振盪。如果在輸電系統中，能對功率越限部分進行實時補償，在功率過高時吸收功率，在功率過低時釋放功率，以平穩聯絡線功率，則能有效提高系統小干擾穩定性。超導儲能系統具有能快速充、放電的功能，並且可對系統提供瞬時有功功率與無功功率的支援，通過附加阻尼控制器，可以對線路功率進行實時補償，阻尼系統振盪。使用超導電纜進行輸電是基於超導技術的可行的解決方法。超導電纜具有傳輸容量大、損耗小、靈活性高、佔地空間小、無汙染等顯著優點，是解決電能傳輸瓶頸的較好選擇。採用超導電纜技術，由於其在超導狀態下阻抗很小，採用超導電纜技術可以大大加強互聯絡統之間的電氣聯絡，提高電網的小干擾安全性。
3.3 對可再生能源的包容性 可再生能源是未來電力能源的重要組成部分，要使這種能源得到充分有效的利用，必須採用新的技術措施改善其品質並使其能更為有效地與大電網聯結，能與其它能源系統互動，實現動態綜合優化平衡，提高能源系統的總體效率。智慧電網所具有的相容性是指電力系統能夠開放性地相容各種型別能源的能力，也正是契合了可再生能源的發展要求。 3.4 建立集約型電力系統 智慧電網所具有的高效性，是指電網提高裝置利用率、減少線損、降低運營成本的能力，通過新型技術和裝置的應用以提高網路的經濟性。超導電纜具有的大容量、低損耗、結構緊湊的特點滿足智慧電網高效性、經濟性的要求，具有重要的應用前景。超導變壓器和超導電機由於其容量有限，但是具有佔地面積小，能量密度高、損耗小等特點，適用於對自然環境要求特別高的場合。
4 超導技術在智慧電網的研究方向
和傳統的電力系統不同，超導技術具有很多自己的獨有特性，因此，在分析上也和傳統的電網有所不同，要對智慧電網研究，就必須從系統的角度出發，根據超導電力技術展開研究。研究的方向主要有以下幾點：首先，是針對超導電力技術的智慧電力系統的建模理論的研究;其次，研究超導電力技術智慧控制的策略。最後對快速可控裝置的智慧協調控制研究。
5 結語
作為一種高新技術，超導電力技術的發展具有劃時代的意義，是21世紀一項具有經濟戰略性的新技術。超導電力技術在智慧電網的有效應用，能夠改善我國傳統電網的很多以前的弊端，提升電網系統的安全穩定性和抗打擊的能力，在電能的質量和能源多元化上也有顯著的增強，可以這樣說，超導電力技術的應用，為智慧電網的開發和發展創造了新的思路和條件。目前，我國的超導技術在智慧電網的應用只是存在於初期階段，還需要進行更多的理論和實踐研究做鋪墊，才能夠真正地在我國的電力系統中發揮出其自身的作用，正是因為我國電力系統的發展特點，也為超導電力技術在智慧電網的重要性創造了條件。
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