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浅谈高温超导材料在电力系统中的应用

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张蕴施

摘要：随着经济和科技的不断发展，超导技术的应用越来越广泛，逐渐成为电力科技领域的潜力股。自21世纪以来，超导技术迅速发展，高温超导材料也迅速由实验阶段进入到实际的工程应用阶段，这样的发展更是将电力科技带进了一个新的阶段。本文主要介绍了高温超导技术的发展历程以及高温超导材料在电力系统中的应用，分析各种超导材料在电力系统中的作用。

关键词：高温超导材料；电力系统；应用

高温超导材料就是普通超导材料在更高温度下出现超导效应的材料，最早的超导材料是在23k（摄氏零下250℃）以下的温度范围内出现超导效应的，后来超导材料的抗温能力越来越强，目前的超导材料最高的温度范围是130多k（摄氏零下130多℃），在这样的温度下还可以出现超导效应。

一、高温超导技术的发展

自从2008年出现第一个高温超导材料以来，人们纷纷踏进高温超导材料的研究大军中，世界上许多国家上百位科学家相继研究高温超导材料的应用状况。而一旦高温超导材料取得突破，有所进展，实现高温超导的普遍应用，人们的生活也会发生巨大的变化。

1911年，荷兰物理学家Onnes在经过不断的研究和探索下，终于首先发现了金属汞在温度接近绝对零度即液态氦温度时（4K=-269.2℃），电阻就会完全消失超导现象。在这之后，人们开始研究和寻找更高温度下的超导材料，但一直没有收获，直到62年后，即1973年科学家们才发现了更高温度下的超导材料——临界温度在23.2k铌锗合金（Nb3Ge）超导材料，从4k到23.2k，虽然历时62年，但终是有所突破。

自1973年科学家们发现临界温度在23.2k铌锗合金（Nb3Ge）超导材料后，15年后又有了更加重大的进展。1988年，著名科学家Mueller和Bednorz发现了一些在温度达到130 K（摄氏零下143℃）时就出现超导效应的多元素合金化合物，而要达到这一高温特性不再需要液态氦来实现，而使用液态氮便能实现。这一发现打破了高温特性必须使用液态氦来实现的这一认识，因此成为了诺贝尔获奖作品。Mueller和Bednorz的这一发现标志着超导材料的快速发展，从1911年4k到1973年的23.2k，再到1988年的130k，超导材料的发展历程可谓是突飞猛进。历时虽久，但是人们还在不断的挖掘和探索更高温度的超导材料，因此，更为意想不到的突破和进展都有可能。

目前高温超导材料正在不断的发展和进步，逐渐应用到实际生活当中，电力系统市场将会向高温超导材料市场发展，并且逐步发展形成具有巨大潜力的超导技术，在市场上占有重要地位。各个国家也相继将人力、物力投入到超导技术中，争相竞争。美国能源部认为：超导电力技术是在21世纪电力工业上唯一的高技术储备。而日本的新能源开发机构则认为：发展高温超导电力技术是在21世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。国际超导科技界和相关产业部门预测：2010年，全球超导产业将达到260亿美元，到2020年，将达到2400亿美元以上。据2003年美国高温超导材料市场分析与预测报告，全世界高温超导元器件将会由2010年的5亿美元的市场规模激增到2020年的100亿美元。由此可见，高温超导电力技术在国际上的地位越来越重要，各国都将投入更多的精力到高温超导电力技术中，高温超导技术具有广阔的市场前景。

二、高温超导材料的应用

超导材料的性能从根本上决定了超导技术的实际应用，与普通的超导材料相比，高温超导材料具有巨大优势，主要是它可以应用于液氮温区，这是高温超导材料与普通超导材料的本质区别。在电力系统中，高温超导材料占据突出地位，具有不可替代的作用。随着高温超导材料的快速发展，低温制冷技术也随之不断进步，超导技术广泛应用到大众生活中。

1、磁悬浮列车

现代生活中的磁悬浮列车就是利用高温超导材料制成的，主要材料是超导磁体，其主要特点是重量轻、磁场强和体积小，主要原理是物理学中磁铁的“同性相斥，异性相吸”的性质，主要运行过程是利用磁铁“同性相斥”的性质抗拒地心引力，实现“磁性悬浮”。这种“磁性悬浮”被发现后便运用到交通道路上，使列车不同于普通铁路运输系统中的其他列车完全脱离轨道而悬浮行使，从而变成“无轨”列车，时速迅速增加至几百公里以上，便形成传说中的“磁悬浮列车”。“磁悬浮列车”上带有超导材料，这种超导材料即超导磁体由于悬浮而在线圈上急速前进，这些线圈被固定在铁路的底部，感应到电磁的引力，在线圈里产生电流，这样在地面上的线圈产生磁场的极性和列车上的电磁体极性相同，这样就会出现排斥现象，列车在这种排斥下就会悬浮起来。

2、超导电缆

在電力系统中，超导电缆的应用越来越广泛，逐渐成为电力系统中占据重要地位的应用。超导电缆不同于普通的电缆，它的横截面的载流量大约是普通电缆的3～5倍，主要特点是重量轻、电能损耗小、环境污染小、使用方式灵活、电力运行成本小等，这样的优势使得超导电缆具有不断满足城市生活中不断增长的电力需求的功能。

超导电缆里面的导体既不铝丝，更不是铜丝，而是铋系高温线材生产线。1996年经过我国高温超导电线研究组的认真研究和辛苦探索，终于制成了第一条地下输电电缆。2001年，清华大学应用超导研究中心研制成功340米铋系高温超导线，同时，在年末，我国第一条铋系高温线材生产线也成功建成。2009年，美国科学家合成物质（TI4Ba）Ba2Ca2Cu7O13+，进一步将超导材料的温度提高到254k，成功实现了突破。

3、超导变压器

超导变压器的基本原理是运用高温超导来提高能效，以此来减少传输过程中的损失。超导变压器使用超导材料代替普通的铜丝来作变压器绕组，这样就使得变压器具有噪声小、重量轻、不用变压器油、环境污染小、寿命长、损耗小、过载能力强、对系统过流有限制作用等特点，大大的超越了普通变压器的功效。我国第一台高温超导变压器是由中国科学院电工研究所成功研制的三相高温超导变压器样机，这项成果的二次输出电流位居世界第一，是我国跻身于高温超导变压器研发国际先进行列的标志。

三、总结

综上所述，在电力系统中采用超导技术可以增加电网的输送容量、降低损耗、提高系统运行的稳定性和可靠性、改善电能质量，有利于保护环境，具有非常广阔的应用前景。现在超导电缆、超导限流器、超导储能器和超导变压器等高温超导材料已发展到工程实用阶段，超导发电机和超导电动机的研制也取得了重大进展，超导技术在电力系统中大规模应用的现实离我们并不遥远。

我国的电力科技发展必须紧跟世界电力科技发展的步伐，随着三峡工程的建设，一个全国统一联网的格局即将出现。因此建议加强对超导限流器、超导储能器等超导材料的应用，可改善电网运行参数，有利于系统稳定且结构相对简单的超导电力设备的研制开发工作，争取在超导材料的研究开发、超导设备的结构设计、降低成本、经济运行等方面取得突破。这需要超导研究、电工制造和电力等相关部门的共同努力来实现。

参考文献

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