超導電纜簡(jiǎn)介

超導電纜用超導體傳導電流的導線(xiàn)，超導電纜是指利用超導體制成的一類(lèi)電纜。超導電纜是利用超導在其臨界溫度下成為超導態(tài)、電阻消失、損耗極微、電流密度高、能承載大電流的特點(diǎn)而設計制造的。其傳輸容量遠遠超過(guò)充油電纜，亦大于低溫電纜，可達10000MVA以上，是正在大力研究發(fā)展中的一種新型電纜。由于超導體的臨界溫度一般在20K以下，故超導電纜一般在4.2K的液氦中運行。

超導電纜是解決大容量、低損耗輸電的一個(gè)重要途徑，由于它的潛在優(yōu)勢如此誘人，所以各國科技工作者為此正在進(jìn)行大量的研制工作。

原理

超導電纜技術(shù)的基礎是超導現象。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，超導體在達到臨界溫度以下后，會(huì )表現出零電阻和完美的磁場(chǎng)屏蔽效應。這意味著(zhù)，當電流通過(guò)超導體時(shí)，將不會(huì )產(chǎn)生電阻、熱量和電磁波。而且，超導體還能夠把外部磁場(chǎng)排除出其內部，實(shí)現完美的磁場(chǎng)屏蔽。

結構

超導電纜的結構有剛性和可撓性?xún)煞N形式，纜芯分單芯和三芯。設計時(shí)須充分考慮其組成材料的膨脹系數，以免電纜因熱脹冷縮產(chǎn)生過(guò)大內應力而受損。

優(yōu)勢

與常規電纜相比，超導電纜具有明顯的優(yōu)勢，主要表現如下幾點(diǎn)。

(1)超導電纜采用在液氮汽化溫度（約-196℃）下無(wú)電阻傳輸大電流，導體損耗不足常規電纜的十分之一，加上制冷的能量損耗，其運行總損耗也僅為常規電纜的50%～60%，因此損耗低、節省能源。

(2)同樣截面超導電纜的電流輸送能力是常規電纜的3～5倍，所以使用超導電纜可以節約輸電系統的占地面積和空間，節省大量寶貴的土地資源。

(3)具有同樣傳輸能力的超導電纜所使用的金屬和絕緣材料較少。

(4)充油常規電纜存在漏油污染環(huán)境的危險，而超導電纜沒(méi)有造成環(huán)境污染的可能性。

(5)超導電纜具有低噪聲的特性。

超導輸電技術(shù)在原理上是最理想的一種輸電技術(shù)，但由于其建造價(jià)格昂貴，且技術(shù)尚未成熟，它的廣泛應用還需要較長(cháng)的時(shí)間。

分類(lèi)

一.超導電纜按采用超導材料不同分低溫超導電纜和高溫超導電纜。

低溫超導電纜的導電層是采用低溫超導線(xiàn)材，通常是NbTi/Cu或NbsSn/Cu復合超導線(xiàn)制成。由于NbTi的臨界溫度是9.5 K，的臨界溫度是18.1 K，因此低溫超導電纜都必需在液氦溫區下運行。

高溫超導電纜的導電層主要采用Bi2223帶材，它的臨界溫度約為110 K，因此可以在液氮溫區下運行，其低溫結構相對低溫超導電纜要簡(jiǎn)單。

二.超導電纜按其輸送電能形式不同有直流超導電纜和交流超導電纜。

直流超導電纜由于超導材料處在超導態(tài)時(shí)幾乎沒(méi)有電阻，輸電時(shí)只有電流引線(xiàn)和低溫制冷裝置有電能損耗。

交流超導輸電電纜由于超導體在通電運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生交流損耗以及絕緣層介質(zhì)損耗等，因此其熱損耗要比直流電纜大。

三.按絕緣方式不同，超導電纜還可分為常溫絕緣超導電纜和低溫絕緣超導電纜。

常溫絕緣超導電纜的電絕緣層是處在電纜低溫容器外的常溫區，它可以采用常規電纜的電絕緣材料和技術(shù)，低溫絕緣超導電纜的電絕緣層是直接纏包在導體上，并與導體一起處在低溫區，這樣電纜尺寸將更緊湊。為了防止電纜載流時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)對周?chē)h(huán)境的影響，通常在絕緣層外還加有屏蔽層。

組成

超導電纜主要由電纜本體、終端以及低溫制冷裝置組成。

超導電纜本體包括電纜芯、電絕緣和低溫容器，電纜芯是由超導體組成，它裝在維持電纜芯所需低溫的低溫容器管中，低溫容器管兩端與終端相連。電纜芯的超導帶在終端通過(guò)電流引線(xiàn)與外部電源或負載相聯(lián)接。對高溫超導電纜，電纜芯是由繞在骨架上的多層高溫超導帶材組成，超導帶層間纏繞絕緣帶，以降低電纜因電磁耦合引起的交流損耗。電纜的低溫容器管采用具有高真空和超級絕熱的雙不銹鋼波紋管結構，這種結構保證了高溫超導電纜的柔性和保持夾層高真空度。對低溫絕緣電纜，電絕緣包在導體層外側，與導體層同處低溫環(huán)境中。對常溫絕緣電纜，電絕緣處在低溫容器外側，在絕緣層外再加電纜保護層。

終端是超導電纜與外部電氣部件連接的端口，同時(shí)也是電纜低溫部分與外部室溫的過(guò)渡段，因此終端要求有很好的熱絕緣，以保證超導電纜整體熱損耗最小。同時(shí)，低溫冷卻裝置還要通過(guò)終端冷卻超導電纜芯的超導帶材，保證超導體能在設計的運行溫度下運行。另外，由于超導電纜導體層將通過(guò)電流引線(xiàn)與外部高電壓母線(xiàn)連接，因此要求終端有相應的電絕緣水平。

應用領(lǐng)域

1.電力輸送

超導電纜技術(shù)被廣泛應用于電力輸送領(lǐng)域，可以用于傳輸高壓、大功率的電力。超導電纜的優(yōu)勢在于，在電纜長(cháng)度不變的情況下，其容量將遠遠超過(guò)傳統的線(xiàn)纜。而且，由于超導電纜不會(huì )有電阻，因此不會(huì )有電纜發(fā)熱的問(wèn)題，電力傳輸效率高。此外，由于無(wú)需電力輸送時(shí)的電力轉換步驟，超導屯纜還可以提高系統的能源利用率，降低電力輸送的浪費。

2.磁懸浮列車(chē)

磁懸浮列車(chē)需要在高速行駛中通過(guò)電磁感應產(chǎn)生電流，以維持車(chē)犧懸浮和運行的動(dòng)力。傳統的磁懸浮列車(chē)需要鋪設電流導軌，而超導電纜則可以直接將電流輸送至磁懸浮列車(chē)的懸浮系統中，使得電磁懸浮效果更好、能耗更低、噪音更小。此外，對于磁懸浮列車(chē)來(lái)說(shuō)，超導電纜還以提高列車(chē)的運行速度和行駛距離。

3.醫療領(lǐng)域

超導電纜技術(shù)在醫療領(lǐng)域的應用也越來(lái)越廣泛。例如，MRI(磁共振成像)技術(shù)就是利用超導電纜傳輸超強的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現人體成像的。超導電纜在磁共振成像中起到承載超強磁場(chǎng)的作用，使得磁場(chǎng)強度可以達到兒個(gè)特斯拉，從而提高成像的分辨率。

未來(lái)發(fā)展

雖然超導電纜技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用于多個(gè)領(lǐng)域，但是其自身的間題也需要我們關(guān)注。超導體的制備、絕緣材料的研發(fā)、電纜的制造都是超導電纜技術(shù)未來(lái)需要攻克的難題。此外，由于超導電纜的成本還比較高，需要進(jìn)一步降低成本，才能其更廣泛地應用于低重、中壓領(lǐng)域。

此外，當前的超導電纜還存在溫度限制，需要維持在很低的臨界溫度以下，這給實(shí)際應用帶來(lái)了一定的限制。因此，未來(lái)的研究方面應該是尋找新的超導材料，降低臨界溫度，并且提高超導電纜的傳輸容量和可靠性。

總之，超導電纜技術(shù)的應用將會(huì )是一種趨勢。它不僅可以提高電力傳輸的能效和質(zhì)量，還能夠應用于未來(lái)的綠色交通、醫療成像等領(lǐng)域。在未來(lái)，期特超導電纜技術(shù)的快速發(fā)展，為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻。