超导电缆<百科>

超导电缆简介

超导电缆用超导体传导电流的导线，超导电缆是指利用超导体制成的一类电缆。超导电缆是利用超导在其临界温度下成为超导态、电阻消失、损耗极微、电流密度高、能承载大电流的特点而设计制造的。其传输容量远远超过充油电缆，亦大于低温电缆，可达10000MVA以上，是正在大力研究发展中的一种新型电缆。由于超导体的临界温度一般在20K以下，故超导电缆一般在4.2K的液氦中运行。

超导电缆是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径，由于它的潜在优势如此诱人，所以各国科技工作者为此正在进行大量的研制工作。

原理

超导电缆技术的基础是超导现象。简单来说，超导体在达到临界温度以下后，会表现出零电阻和完美的磁场屏蔽效应。这意味着，当电流通过超导体时，将不会产生电阻、热量和电磁波。而且，超导体还能够把外部磁场排除出其内部，实现完美的磁场屏蔽。

结构

超导电缆的结构有刚性和可挠性两种形式，缆芯分单芯和三芯。设计时须充分考虑其组成材料的膨胀系数，以免电缆因热胀冷缩产生过大内应力而受损。

优势

与常规电缆相比，超导电缆具有明显的优势，主要表现如下几点。

(1)超导电缆采用在液氮汽化温度（约-196℃）下无电阻传输大电流，导体损耗不足常规电缆的十分之一，加上制冷的能量损耗，其运行总损耗也仅为常规电缆的50%～60%，因此损耗低、节省能源。

(2)同样截面超导电缆的电流输送能力是常规电缆的3～5倍，所以使用超导电缆可以节约输电系统的占地面积和空间，节省大量宝贵的土地资源。

(3)具有同样传输能力的超导电缆所使用的金属和绝缘材料较少。

(4)充油常规电缆存在漏油污染环境的危险，而超导电缆没有造成环境污染的可能性。

(5)超导电缆具有低噪声的特性。

超导输电技术在原理上是最理想的一种输电技术，但由于其建造价格昂贵，且技术尚未成熟，它的广泛应用还需要较长的时间。

分类

一.超导电缆按采用超导材料不同分低温超导电缆和高温超导电缆。

低温超导电缆的导电层是采用低温超导线材，通常是NbTi/Cu或NbsSn/Cu复合超导线制成。由于NbTi的临界温度是9.5 K，的临界温度是18.1 K，因此低温超导电缆都必需在液氦温区下运行。

高温超导电缆的导电层主要采用Bi2223带材，它的临界温度约为110 K，因此可以在液氮温区下运行，其低温结构相对低温超导电缆要简单。

二.超导电缆按其输送电能形式不同有直流超导电缆和交流超导电缆。

直流超导电缆由于超导材料处在超导态时几乎没有电阻，输电时只有电流引线和低温制冷装置有电能损耗。

交流超导输电电缆由于超导体在通电运行时会产生交流损耗以及绝缘层介质损耗等，因此其热损耗要比直流电缆大。

三.按绝缘方式不同，超导电缆还可分为常温绝缘超导电缆和低温绝缘超导电缆。

常温绝缘超导电缆的电绝缘层是处在电缆低温容器外的常温区，它可以采用常规电缆的电绝缘材料和技术，低温绝缘超导电缆的电绝缘层是直接缠包在导体上，并与导体一起处在低温区，这样电缆尺寸将更紧凑。为了防止电缆载流时产生磁场对周围环境的影响，通常在绝缘层外还加有屏蔽层。

组成

超导电缆主要由电缆本体、终端以及低温制冷装置组成。

超导电缆本体包括电缆芯、电绝缘和低温容器，电缆芯是由超导体组成，它装在维持电缆芯所需低温的低温容器管中，低温容器管两端与终端相连。电缆芯的超导带在终端通过电流引线与外部电源或负载相联接。对高温超导电缆，电缆芯是由绕在骨架上的多层高温超导带材组成，超导带层间缠绕绝缘带，以降低电缆因电磁耦合引起的交流损耗。电缆的低温容器管采用具有高真空和超级绝热的双不锈钢波纹管结构，这种结构保证了高温超导电缆的柔性和保持夹层高真空度。对低温绝缘电缆，电绝缘包在导体层外侧，与导体层同处低温环境中。对常温绝缘电缆，电绝缘处在低温容器外侧，在绝缘层外再加电缆保护层。

终端是超导电缆与外部电气部件连接的端口，同时也是电缆低温部分与外部室温的过渡段，因此终端要求有很好的热绝缘，以保证超导电缆整体热损耗最小。同时，低温冷却装置还要通过终端冷却超导电缆芯的超导带材，保证超导体能在设计的运行温度下运行。另外，由于超导电缆导体层将通过电流引线与外部高电压母线连接，因此要求终端有相应的电绝缘水平。

应用领域

1.电力输送

超导电缆技术被广泛应用于电力输送领域，可以用于传输高压、大功率的电力。超导电缆的优势在于，在电缆长度不变的情况下，其容量将远远超过传统的线缆。而且，由于超导电缆不会有电阻，因此不会有电缆发热的问题，电力传输效率高。此外，由于无需电力输送时的电力转换步骤，超导屯缆还可以提高系统的能源利用率，降低电力输送的浪费。

2.磁悬浮列车

磁悬浮列车需要在高速行驶中通过电磁感应产生电流，以维持车牺悬浮和运行的动力。传统的磁悬浮列车需要铺设电流导轨，而超导电缆则可以直接将电流输送至磁悬浮列车的悬浮系统中，使得电磁悬浮效果更好、能耗更低、噪音更小。此外，对于磁悬浮列车来说，超导电缆还以提高列车的运行速度和行驶距离。

3.医疗领域

超导电缆技术在医疗领域的应用也越来越广泛。例如，MRI(磁共振成像)技术就是利用超导电缆传输超强的磁场来实现人体成像的。超导电缆在磁共振成像中起到承载超强磁场的作用，使得磁场强度可以达到儿个特斯拉，从而提高成像的分辨率。

未来发展

虽然超导电缆技术已经被广泛应用于多个领域，但是其自身的间题也需要我们关注。超导体的制备、绝缘材料的研发、电缆的制造都是超导电缆技术未来需要攻克的难题。此外，由于超导电缆的成本还比较高，需要进一步降低成本，才能其更广泛地应用于低重、中压领域。

此外，当前的超导电缆还存在温度限制，需要维持在很低的临界温度以下，这给实际应用带来了一定的限制。因此，未来的研究方面应该是寻找新的超导材料，降低临界温度，并且提高超导电缆的传输容量和可靠性。

总之，超导电缆技术的应用将会是一种趋势。它不仅可以提高电力传输的能效和质量，还能够应用于未来的绿色交通、医疗成像等领域。在未来，期特超导电缆技术的快速发展，为各个领域的发展做出贡献。