超導(dǎo)BSCCY帶材應(yīng)用

高溫超導(dǎo)線材及其強(qiáng)電應(yīng)用研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r關(guān)鍵詞：高溫超導(dǎo)帶材強(qiáng)電應(yīng)用超導(dǎo)電纜超導(dǎo)限流器超導(dǎo)磁體超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)摘要：上世紀(jì)九十年代末，高溫超導(dǎo)材料的制備技術(shù)取得重大突破，高溫超導(dǎo)線材很快形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，極大地促進(jìn)了超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的研究。發(fā)達(dá)國家政府加大了對超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)的支持力度，國際跨國公司，如：SIMENS、ABB、牛津儀器、Pirelli、住友等，也加快了超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)，超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速。本文將對高溫超導(dǎo)線材及其幾個(gè)強(qiáng)電應(yīng)用的國內(nèi)外研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r作一介紹。一、BSCCO2223高溫超導(dǎo)帶材現(xiàn)在世界上主要有美國超導(dǎo)公司(ASC)、丹麥北歐超導(dǎo)技術(shù)公司(NST)、日本住友電氣公司等三家單位商業(yè)化供應(yīng)BSCCO2223帶材。當(dāng)前研究的重點(diǎn)集中在工程臨界電流密度的提高、機(jī)械性能的改善、交流損耗的降低和成本的降低等方面。美國超導(dǎo)公司(ASC)有雇員200多人，是獨(dú)立上市公司。該公司持有BSCCO短導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)室臨界電流密度的世界紀(jì)錄(70kA/cm2,77K，零外場)?，F(xiàn)在年產(chǎn)量為500千米。為大幅度降低成本，滿足美國國內(nèi)電力電纜和海軍超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目對超導(dǎo)帶材快速增長的需求，公司今年第一季度在麻省的Devens啟動(dòng)建設(shè)一條新的生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力達(dá)到10,000千米/年。生產(chǎn)線計(jì)劃在2002年下半年建成并達(dá)到生產(chǎn)能力。屆時(shí)，秘系帶材的價(jià)格將有望降至50$/kA?mo提供的典型帶材的性能：Ic大于115A(77K)；工程電流密度(Ie)大于13500A/cm2；標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)長度為200米；售價(jià)大約為250$/kA?mo日本住友電氣(SUMITOMO)是最早在世界上主導(dǎo)BSCCO導(dǎo)線發(fā)展的公司，與高溫超導(dǎo)線材有關(guān)的人員只有幾十人。日本高溫超導(dǎo)應(yīng)用開發(fā)使用的導(dǎo)線基本上由住友提供。提供的方式是以國家項(xiàng)目合作進(jìn)行，國家專門撥款從公司買線。提供的帶材性能：尺寸為3.8mmX0.24mm；臨界電流密度大于10000A/cm2；單線長度大于500米。丹麥北歐超導(dǎo)技術(shù)公司(NST)屬于丹麥的北歐電線電纜公司(NKT),是兩年前從NKT研究中心分離出來的一個(gè)專門生產(chǎn)高溫超導(dǎo)線材的公司，目前有員工29人，2000年的銷售收入為2200萬丹麥克郎。1千米以上的長導(dǎo)線世界紀(jì)錄由NST保持。今年，為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，將生產(chǎn)線搬到BirkerQd,生產(chǎn)能力擴(kuò)大到350千米/年；并與德國真空公司(VAC)建立合作聯(lián)盟關(guān)系，推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)盡快取得商業(yè)突破，具體目標(biāo)是將帶材的工程臨界電流密度提高到25000A/cm2以上，并進(jìn)一步降低價(jià)格。生產(chǎn)的帶材主要提供給英國牛津磁體技術(shù)公司用于制造大功率電動(dòng)機(jī)和MRI磁體，以及丹麥國家項(xiàng)目用于制造超導(dǎo)電纜。其提供的典型帶材性能為：截面尺寸：4.0X0.25m,工程電流：60A；工程臨界電流密度為6000A/cm2；標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)長度為700米，最長可達(dá)1200米以上。此外還有諸如德國真空冶煉公司有一定的工業(yè)化生產(chǎn)高溫超導(dǎo)線材的能力。國內(nèi)自1988年以來，一直在開展鉍系高溫超導(dǎo)材料的研究。目前從事BSCCO系超導(dǎo)帶材研究的主要有清華大學(xué)、北京有色金屬研究總院和西北有色金屬研究院。2001年4月，清華大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)研究中心研制出數(shù)根長度超過300米（最長503米），工程臨界電流為28A，工程臨界電流密度超過5000A/cm2的Bi系高溫超導(dǎo)線材。2000年9月，依托于韓征和博士的技術(shù)，北京科技風(fēng)險(xiǎn)投資有限公司等數(shù)家企業(yè)共同出資創(chuàng)立了北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司。公司經(jīng)過一年的建設(shè)，2001年12月正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為200千米/年。公司現(xiàn)己試產(chǎn)出單線長度超過1000米，單線可通過電流達(dá)43安培，工程電流密度超過6000A/cm2的秘系帶材，達(dá)到國際先進(jìn)水平。西北有色研究院在2001年初成功拉制出200米長的帶材，工程臨界電流超過至U20A。二、高溫超導(dǎo)的強(qiáng)電應(yīng)用1、超導(dǎo)電纜高溫超導(dǎo)電纜的使用將從根本上解決目前常規(guī)輸電電纜所無法解決的損耗大、容量小、土建費(fèi)用高、占地面積大及對環(huán)境的潛在污染等問題。目前，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等原因，只有美國、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在從事高溫超導(dǎo)電力電纜的研制開發(fā)，其中美國和丹麥已進(jìn)入實(shí)用化驗(yàn)證階段?？傮w來講，超導(dǎo)電纜的生產(chǎn)技術(shù)基本為工業(yè)界掌握，阻礙超導(dǎo)電纜推廣應(yīng)用的因素主要是帶材的價(jià)格和制冷技術(shù)。高溫超導(dǎo)電纜的總體發(fā)展趨勢是研制大容量、低損耗、超長電力電纜；在基本解決了電纜均流、冷縮、電纜結(jié)構(gòu)、制冷系統(tǒng)選配等技術(shù)問題后，現(xiàn)在研究的重點(diǎn)在于進(jìn)一步降低交流損耗、電纜結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制冷系統(tǒng)優(yōu)化和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面。高溫超導(dǎo)電纜從絕緣結(jié)構(gòu)上分類主要有冷絕緣結(jié)構(gòu)和熱絕緣結(jié)構(gòu)，從相數(shù)上分類有單相同軸和三相同軸。美國高溫超導(dǎo)電纜采用單相同軸冷絕緣和熱絕緣結(jié)構(gòu)，其認(rèn)為前者適用于新建的高電流密度的電網(wǎng)中，后者適用于已有電網(wǎng)的擴(kuò)容改造。丹麥高溫超導(dǎo)電纜采用單相同軸熱絕緣結(jié)構(gòu)，其開發(fā)的示范電纜交流損耗特性較好。日本高溫超導(dǎo)電纜致力于三相同軸冷絕緣結(jié)構(gòu)的研制，認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)的電纜在載流量、損耗性能相近的條件下，具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，特別適于在地下走廊空間缺乏的大城市應(yīng)用。美國于1999年12月完成一條三相單芯30m長、12.4kv/1250A秘系高溫超導(dǎo)交流電纜研制，并成功地進(jìn)行了掛網(wǎng)試驗(yàn)，通過它向南線公司所屬的三個(gè)工廠供電?，F(xiàn)在正在進(jìn)行一條三相單芯120m長、24kv/2.4kA高溫超導(dǎo)交流電纜的安裝，地點(diǎn)在美國密歇根州底特律的DetroitEdison變電站，計(jì)戈U2001年底前將實(shí)現(xiàn)對1400戶居民供電。2001年9月24日，美國能源部公布下一輪支持的7個(gè)超導(dǎo)應(yīng)用項(xiàng)目，其中包括兩個(gè)高溫超導(dǎo)電纜項(xiàng)目。一個(gè)項(xiàng)目由Pirelli電纜公司牽頭，計(jì)劃在紐約LongIsland擁擠的城市變電站安裝一條77MWA的準(zhǔn)商業(yè)化的高溫超導(dǎo)電纜，項(xiàng)目總投資為1790萬美元，其中能源部支持890萬美元；另一個(gè)項(xiàng)目由南線公司牽頭，計(jì)劃在Ohio的AEP變電站安裝一條1000英尺長的三相超導(dǎo)電纜，以替代已有的充油地下電纜，該項(xiàng)目總投資1800萬美元，其中能源部支持900萬美元。日本在1997至1999年間，研制了2根50米電纜導(dǎo)體和1根30米單相鉍系超導(dǎo)電纜系統(tǒng)，現(xiàn)在正在進(jìn)行一條三相同軸100米長、66kv/lkA交流電纜制冷系統(tǒng)、額定電流和電壓試驗(yàn)，2001年底進(jìn)行負(fù)載波動(dòng)試驗(yàn)，2002年至2003年將進(jìn)行過載試驗(yàn)。同時(shí)計(jì)劃在2003年投運(yùn)一條300米長三相同軸66kv,1000MVA的高溫超導(dǎo)電纜。2001年5月28日，由丹麥NKT牽頭研制的三相單芯30米長、36kv/2kA熱絕緣結(jié)構(gòu)實(shí)用化秘系高溫超導(dǎo)電纜在哥本哈根郊區(qū)的Amager變電站順利實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)運(yùn)行，向150,000個(gè)居民供電，成為世界上第一根安裝于公用電網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)電纜。我國863計(jì)劃對高溫超導(dǎo)電纜的研發(fā)給予了一定的支持，積累了一定的基礎(chǔ)。2000年12月，中國科學(xué)院電工研究所與西北有色院、北京有色院合作，成功地研制出6米長、2千安培級鉍系高溫超導(dǎo)直流電纜。2000年，電工所與長通電纜公司簽定合作協(xié)議，計(jì)劃在2003年9月，研制成功75米，8．7kv/1．5kA的三相同軸電纜。2001年4月，北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司與云南電力集團(tuán)合作，投資成立北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司。計(jì)劃在五年內(nèi)投資1．5億元人民幣，推進(jìn)高溫超導(dǎo)電纜的產(chǎn)業(yè)化。2、超導(dǎo)限流器超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)-常態(tài)轉(zhuǎn)變的物理特性來達(dá)到限流要求，它可同時(shí)集檢測、觸發(fā)和限流于一身，被認(rèn)為是當(dāng)前最好的而且也是唯一的行之有效的短路故障限流裝置。1989年以來，美國、德國、法國、瑞士和日本等都相繼開展了高溫超導(dǎo)限流器的研究。當(dāng)前，國際上適應(yīng)配電系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)限流器的技術(shù)性能已經(jīng)接近應(yīng)用的水平，但大體上仍處在示范試驗(yàn)階段。1995年美國LockheedMartin公司研制出一臺額定值為2.4kv/80A的橋路型高溫超導(dǎo)限流器，它可將最大短路電流從2.2kA限制到1.11kA。該限流器在南加州愛迪生電站進(jìn)行了6周的試驗(yàn)運(yùn)行。在美國能源部支持下，通用原子能公司(Genera^Atomics)、磁通用公司(IntermagneticGeneralCooperation)、LANL與南加州愛迪生公司(SCE)合作研制額定值為15kv/1200A的商用超導(dǎo)故障限流器。根據(jù)設(shè)計(jì)，它可將最大短路電流從20kA限制到4kA,即將短路電流減少到20%。整個(gè)項(xiàng)目投資為980萬美元。研究工作在1999年已基本完成，整個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)可望在2001年完成。日本三菱電氣公司自1990年開始就開展電阻型高溫超導(dǎo)限流器研究，首先用在SrTi03基礎(chǔ)上生長的YBCO薄膜制成電阻限流器。日本中央電力試驗(yàn)研究所從1995年開始研究用Bi系材料研制磁屏蔽型限流器。日本電力公司與東芝合作計(jì)劃研究500kv/8kA超導(dǎo)限流器，作為第一步，首先研制了6.6kv/2kA限流器。ABB瑞士研究中心一直從事磁屏蔽型高溫超導(dǎo)限流器的研究，1996年成功地研制出一臺10.5kv/70A三相高溫超導(dǎo)限流器，該限流器成功地將短路電流從60kA限制到700A。1997年它被安裝在洛桑一家變電站進(jìn)行長時(shí)間試驗(yàn)運(yùn)行。今年ABB公司又成功研制出單相6.4MVA的電阻型超導(dǎo)限流器原型樣機(jī)。德國西門子與加拿大Hydro-Quebec合作，1999年完成利用YBCO薄膜研制0.77kv/135A電阻型限流器。在此基礎(chǔ)上，2000年完成了1MVA限流器的研制，現(xiàn)正在研制12MVA電阻型限流器原型樣機(jī)。我國中科院電工研究所自1995年以來，開展了超導(dǎo)限流器的研究，1998年研制成功一臺lkv/100A的橋路型超導(dǎo)限流器樣機(jī)。1998年以來，在探索低造價(jià)、高性能的新型高溫超導(dǎo)限流器方面和高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面作了大量的工作，提出了一種新型高溫超導(dǎo)限流器的原理——零序阻斷型高溫超導(dǎo)限流器。這一新型的高溫超導(dǎo)限流器能克服目前國際上流行的橋路型、磁屏蔽型和飽和電抗器型超導(dǎo)限流器的缺點(diǎn)，而同時(shí)又具備橋路型反應(yīng)速度和恢復(fù)速度快的優(yōu)點(diǎn)。2001年6月，成功研制出一臺400V/25A的新型混合型三相高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)。目前正與北京紫微星實(shí)業(yè)有限公司等單位合作開展7.2kv/400A高溫超導(dǎo)限流器研究，最終目標(biāo)是研制出20kV/1.5kA實(shí)用高溫超導(dǎo)限流器。為加快超導(dǎo)限流器的工程化和產(chǎn)業(yè)化，電工所正在積極融資，準(zhǔn)備籌建專門的公司。此外，東北大學(xué)物理系和西北有色院合作開展了屏蔽型高溫超導(dǎo)限流器研究，完成了一臺實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，并準(zhǔn)備開展飽和電抗型限流器的研究。3、MRI超導(dǎo)磁體在30K以下，秘系帶材的臨界電流密度在高場下幾乎不隨外磁場的增加而衰減。因此，它很適合用于制造高場超導(dǎo)磁體。1995年以來，美國國家高磁場實(shí)驗(yàn)室(NHMFL)、日本金屬材料研究所筑波磁體實(shí)驗(yàn)室(TML)、牛津大學(xué)Clarendon實(shí)驗(yàn)室和德國Karlsluhe研究中心技術(shù)物理研究所相繼開展了1.0—1.1GHz核磁共振(NMR)譜儀的研制工作，它的基本結(jié)構(gòu)是由外NbTi-Nb3Sn線圈和內(nèi)秘系超導(dǎo)線圈組成。TML的1.0GHzNMR計(jì)劃預(yù)計(jì)2001年完成。IGC公司采用2400米的Bi-2223/Ag帶研制的餅式線圈在4.2K和零背場下可產(chǎn)生3.2T的磁場；ASC研制出酌線圈在77K和零背場下可產(chǎn)生0.6T的磁場。SEI在HTS線圈的研制方面創(chuàng)造了世界記錄：他們利用G-M制冷機(jī)冷卻的HTS線圈在20K可產(chǎn)生7T的磁場。高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)的成熟，為進(jìn)一步發(fā)展高溫超導(dǎo)MRI奠定了基礎(chǔ)。1998年，Oxford磁體技術(shù)公司、Oxford儀器公司和西門子公司合作研制了一個(gè)用于人體MRI的HTS磁體。該磁體由一個(gè)C型鐵軛和兩個(gè)HTS餅式線圈組成，能在有效的孔徑范圍內(nèi)產(chǎn)生0.2T的磁場。該系統(tǒng)已經(jīng)正式投入使用。1998年10月，以薛敏、倪成博士為首的留學(xué)生團(tuán)隊(duì)回國，在深圳高新區(qū)創(chuàng)辦了邁迪特儀器有限公司，致力于超導(dǎo)MRI系統(tǒng)的開發(fā)與生產(chǎn)。2000年4月14日，由邁迪特公司開發(fā)的NOVUS1.5T低溫超導(dǎo)MR/系統(tǒng)獲得了國家藥品監(jiān)督管理局的試產(chǎn)注冊。該系統(tǒng)的功能與圖像質(zhì)量與國外同期水平相當(dāng)?，F(xiàn)在，該公司正在與北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司、西北有色金屬研究院合作開展高溫超導(dǎo)MRI系統(tǒng)的研發(fā)工作。北京科健超導(dǎo)技術(shù)有限公司早在1990年8月就研制成功我國首臺低溫超導(dǎo)MRI磁體系統(tǒng)?？平」疽恢贝韲猱a(chǎn)品的銷售和國內(nèi)維修，對國外產(chǎn)品有比較深入的了解。近期欲開展高溫超導(dǎo)MRI磁體系統(tǒng)的研制。中國科學(xué)院電工研究所在低溫超導(dǎo)磁體技術(shù)、高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)方面有一定的技術(shù)積累。4、超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)變壓器由于體積只有常規(guī)變壓器的40％~50％，同時(shí)效率有很大提高，由92%提高到98%及以上，因此特別有望用于鐵路牽引系統(tǒng)。例如5?10MVA變壓器可用于高速列車，1~2MVA地下配電變壓器可用于城市輕軌列車。高溫超導(dǎo)變壓器對于在配電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和提高發(fā)電站電壓等級(典型的功率是大于30MVA)方面同樣具有很大的應(yīng)用前景。其主要優(yōu)勢在于體積減小和損耗較低，常規(guī)變壓器存在的油保存、污染和回收等問題也隨即得到解決。美、歐、日的研究人員進(jìn)行了各種高溫超導(dǎo)變壓器的概念設(shè)計(jì)，并研制出不同容量的工業(yè)級樣機(jī)。美國電力公司、IGC公司、橡樹國家實(shí)驗(yàn)室、RochesterGasandElectric公司合作，于1998年初研制成功單相1MVA高溫超導(dǎo)變壓器樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。目前正在合作研究容量為30MVA、變比為138kv/13.8kv、60Hz的三相高溫超導(dǎo)變壓器樣機(jī)，因?yàn)檫@種容量和電壓等級的變壓器約占美國今后20年中等容量變壓器銷量的50%。計(jì)劃預(yù)計(jì)于2001年完成。ABB、ASC和EDF(ElectricitedeFrance)合作，在1997年開發(fā)成功一臺容量為630kVA、變比為18.7kv(11.2A)/0.42"(866人)的三相高溫超導(dǎo)變壓器，并成功地并入日內(nèi)瓦電網(wǎng)。1998年，ABB、ASC及EDF再次達(dá)成進(jìn)一步開發(fā)三相10MVA高溫超導(dǎo)變壓器樣機(jī)的合作協(xié)議，計(jì)劃于2001年完成。德國西門子公司于1999年研制出一臺5.6kv/1.1kv、100kvA高溫超導(dǎo)變壓器樣機(jī)。目前西門子公司正致力開發(fā)鐵路交通用1MVA超導(dǎo)變壓器。日本九州大學(xué)在1996年研制出一臺單相6.6kv/3.3kA、500kvA的高溫超導(dǎo)變壓器，運(yùn)行于77K下，效率為99.1%。我國中科院電工所開展了一定的工作。株洲電力機(jī)車廠和北京英納公司合作在開展機(jī)車用超