超导材料和电缆技术的进展

自从发现超导体以来，超导体的临界温度在很长时间没有明显提高。直至1986年4月瑞士的J.G.Beth和K.A.Miiller宣布两种La、Ba、Cu三元氧化物的超导体的临界温度为35K。1987年2月16日休斯顿大学美籍华裔教授朱经武报告Y-Ba-Cu-O系统在80～93K温度区可获得稳定的超导转变，首次实现了在液氮沸点（77K）以上的超导转变。我国科学家赵忠贤在1987年2月19日也获得了Y-Ba-Cu-O超导体。这使超导材料应用进入了一个新的阶段。通常，将临界温度高于液氮沸点（77K）的超导体称为高温超导体。超导材料临界温度见表2-1。目前关于高温超导体的研究有以下四个方向：

1）更高T_c体系的探索；

2）高T_c超导机理研究；

3）高T_c超导体物理性能的测定和研究；

4）高T_c超导体的制备与成材加工工艺研究。

表2-1 几种超导材料的临界温度

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采用高温超导体作导电线芯的高温超导电缆（High-TemperatureSuperconductingPower Cable，HTS）能够传输比同尺寸的常规电缆大3～5倍的功率，其损耗只有不到1%，比常规电缆8%损耗小得多。但高温超导电缆（HTS）比传统电缆多了绝热套和相应的制冷系统，以确保导体的低温环境。因此，高温超导电缆具有载流能力大、损耗低、体积小和重量轻等优点，且有无火灾隐患、无电磁辐射污染等常规电缆无法比拟的诸多优点。高温超导电缆明显地节约占地面积和空间，节省宝贵的土地资源。用高温超导电缆改装现有地下电缆系统，不但能将传输容量提高3倍以上，而且能将总费用降低20%。利用高温超导电缆还可以改变传统输电方式，采用低电压大电流传输电能。因此，高温超导电缆可以大大降低电力系统的损耗，提高电力系统的总效率，具有可观的经济效益。高温超导电缆将首先应用于短距离传输电力的场合（如发电机到变压器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口）及电镀厂、发电厂和变电站等短距离传输大电流的场合，以及大型或超大型城市电力传输的场合。

目前世界上已有四条高温超导输电电缆连接到电网进行试验运行，如美国Southwire的30m长、12.5kV/1.25A（2000年）；丹麦的30m长、30kV/104MVA（2001年）和中国的30m长、35kV/2kA（2004年）及75m长、10.5kV/1.5kA（2004年）三相高温超导电缆。此外，日本住友电气工业株式会社与东京电力公司合作制造的100m长、3相66kV/1kA三芯平行轴电缆，已于2002年在东京电力实验场投入试运行。

我国从20世纪90年代中期开始从事高温超导电缆技术的研究，第一根高温超导电缆于2004年在昆明使用，这使我国成为第三个将高温超导电缆并入电网的国家。采用的超导体均是Bi-2223HTS。

由于高温超导电缆的上述优点，美国、日本、德国、韩国竞相投入大量人力、物力进行开发研究和工业应用研究，其目标是实现超导电缆商业运行。据2000年美国应用超导会议预测，预计到2020年，全世界超导体应用的总市场达到2440亿美元，高温超导电缆约占5%，美国已经计划于2030年前建立覆盖全国的超导电缆网络。根据我国电线电缆行业统计资料表明，10kV及以上交联聚乙烯绝缘电力电缆的年需求量约为10万km，假如其总量的5%被高温超导电缆所取代，则高温超导电缆在我国每年的需求总量将会达到5000km。

超导体的基本特征之一是直流运行条件下电阻为0，因此在直流状态下没有损耗。因而高温超导技术应用于直流输电将带来更大的经济效益。而且，超导输电的研究一开始是在直流输电领域，高温超导电缆应用于直流输电时没有导体损耗和无功损耗，被认为是最有效的应用领域。高温超导直流输电比交流输电的容量更大，效率更高。不过目前的主要输电方式是交流，所以相对而言，直流超导输电研究比较滞后，但目前直流输电的种种优势又激发人们的研究热情，超导直流输电的研究越来越多，如英国BICC电缆公司和意大利Ansaldo公司合作，研究高温超导直流输电电缆。他们认为，超导直流输电电缆几乎没有损耗，虽然电缆终端需要整流和逆变装置，但在传输一定功率下，输电电压可以比常规电压低，因此整流和逆变装置更为简单和价格低廉。该公司已经制成1.4m长样品，计划研制100km长，40kV，10kA超导直流电缆。

目前高温超导电缆已不存在大的技术障碍，并且已经走向实际应用。超导电缆特别适用于短距离传输大电流的场合，如电镀厂、发电厂、变电站以及大型城市电力传输场合。