1、超导与超导材料

　　超导是指在一定温度条件下物质电阻突然消失的现象，超导体是指能够产生超导现象的物质。1911年荷兰低温物理学家卡麦林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)在低温下测量汞的电阻时发现了超导现象并在其后的几年里又发现了铟、锡和铅等金属超导体。

　　超导体同时具有零电阻、完全抗磁两个独特的性质。它可以无电阻地传输电流的特性，使人们在发现超导现象后立即想到利用超导体来传输电流。但是不久人们就发现用这些金属超导体制作的导线只在传输很小的电流时才具有零电阻特性，当电流增大时又恢复了一般的导体电阻特性。1953年至1973年间，发现了以NbsSn，NbTi，NisGa为代表的铌合金超导体。一些铌合金超导体可以传输较大电流而仍能保持零电阻特性，人们利用超导体无电阻地传输电流的愿望在发现这些铌合金超导体后才成为可能。

　　超导体只有在处于其超导转变温度以下时才具有超导特性。1986年以前，超导材料的临界转变温度都很低，一般需在昂贵的液氦(气化温度为4.2K，-269.3℃)环境中工作，故称为低温超导体。由于液氦制冷的费用昂贵且不方便，低温超导体的应用长期以来得不到大规模发展。1986年，铜基氧化物超导体的发现引起了一场革命性的变化，其原因是这种新型超导材料的临界转变温度有了很大的提高，大大高于液氮的气化温度(77.8K，-195.7℃)。由于液氮的价格和液氦相比是很低的(液氦价格为人民币50～80元／L，而液氮为0.6～1.0元／L)，能为工业用户所接受，这样就为超导技术的大规模应用提供了不可缺少的前提。现在人们把这些铜基氧化物超导体称为高温超导体。

　　铜基氧化物超导体是一种陶瓷材料，其机械性能比较脆硬，本身是无法制成导线的。目前使用的高温超导导线是将一种Bi系铜基氧化物超导体的粉末放在银或银合金管里经多次拉伸和挤压，再经过热处理所得到的。Bi系超导导线通过电流的能力是铜导线的100倍以上。现在人们把这种Bi系超导导线叫做第l代高温超导导线。第2代高温超导导线正处于研制阶段，是把稀土l23系铜基氧化物超导体涂在镍或镍合金的基带上，要实现工业化生产，还有很多工艺问题尚待解决。第2代高温超导导线载流能力更强，在磁场下的性能也比第1代高温超导导线优越，若进入实用阶段，将大大推动超导技术的工业应用。

　　2、超导电力设备

　　超导技术是21世纪具有战略意义的高新技术。超导技术可广泛用于能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军二r等诸多领域。超导技术的广泛应用将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大的推动作用。

　　电力设备是超导技术应用的一个重要领域，主要利用超导体可以无电阻传输大电流的特点。目前世界各国开发的乇要超导电力设备包括超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导电机和超导储能装置等。

　　2.1超导电缆

　　超导电缆是利用超导材料零电阻特性的新一代电力输电电缆。与常规电缆相比，超导电缆具有损耗低、容量大、材料省、无污染等优势。超导电缆的广泛应用，将降低输电损耗，改进和提高电网的稳定性和安全性，节省土地资源，保护生态环境。

　　2.2超导隰流器

　　超导限流器是利用超导体的基本特性，有效限制电力系统故障短路电流，提高电网安全性和稳定性的一种新型电力设备。超导限流器主要用于输变电系统，能有效地抑制事故扩散，解决由于短路电流过大而无法联网的问题，为降低高压电网的脆弱性提供新的技术手段。特别是用于人口密度高、经济发展速度快、对电能质量需求较高的地区，将会带来很大的经济效益和社会效益。

　　2.3超导电枧

　　超导电机包括发电机和电动机。由于采用了超导绕组，与常规电机相比，能够承载更大的电流从而产生更强的磁场，所以在与常规电机功率相同的情况下，其体积和重量可以减小到常规电机的l／5左右。

　　2.4超导变压器

　　使用超导绕组制成的超导变压器可以大大地减小变压器的体积和重量，并杜绝了传统变压器可能造成的油污染。由于超导绕组具有较低的损耗，所以运行时也可减少能量损失。

　　2.5超导储能装置

　　超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存国际电力第9卷2005年第1期起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷或解决电网瞬间断电对用电设备的影响，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因数的调节以改善电力系统的稳定性。

　　3、超导电力设备的市场及各国的发展状况

　　超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发、输、配电带来革命性的改变，同时将会滋生一个具有巨大潜力的超导设备市场。根据1999年世界银行组织的世界超导工业峰会预测：2010年，全球各种超导相关产业的产值将达到260亿美元；到2020年，将达到2400亿美元以上。正是基于未来超导电力产品的巨大市场潜力，世界各主要工业国都对超导电力技术的发展给予高度重视和大力支持。

　　3.1美国

　　美国能源部从20世纪90年代初开始实施超导项目启动计划，通过政府和企业共同出资，进一步加快超导应用研究。世界上第l组超导电缆系统2000年在美国并网试运行。2003年7月，美国能源部在公布的《电网2030，国家关于电力第2个100年的设想》报告中，把超导电力技术作为美围电网未来30年发展的关键技术之～。报告中展望在2010年实现几个数10km以上的超导电缆并刚运行，2030年建立基于超导技术的主干输电网络，其中包括超导电缆、超导限流器和超导变压器。表l是美国能源部200()年对超导电力产品的市场预测。

　　3.2欧洲

　　欧洲各国政府和各大公司也一直对超导技术的应用研发进行投资，Siemens公司重点开发的是车载变压器和故障限流器。ABB公司在2001年研制成功6.4MVA的电阻型超导限流器。2001年5月，丹麦NKT公刮将三相30m长、30kV／2kA热绝缘结构超导电缆在哥本哈根郊区的Amager变电站并网运行，成为世界上第2组并网试运行的超导电缆。

　　3.3亚洲

　　日本一直积极开展在超导电缆、变压器、飞轮储能、发电机、限流器等方面的研究开发工作，特别是东京电力公司(TEPCO)和超导线材制造商联合开发高温超导电缆。1999年，TEPCO和Sumitom0ElectricIndustries开始联合研发3芯、100m长的超导电缆，2002年完成制造并在东京电力实验场进行了一系列试验。投入电网试验的还有1kW·h／lMW超导储能和70MW发电机样机。日本政府每年在超导电力方面的投入以20％生右的速度增加。

　　韩国政府2001年制定了超导技术电力应用的l0年规划，投资2亿美元进行超导电缆、变压器、限流器、电机等应用产品的研发。LG电缆公司2004年生产出长30m，三相，22.9kV／1.25kA超导电缆系统并投入测试。

　　我国在“十五”期间，国家“863”计划设立“超导材料与技术专项”，加强了对超导应用技术的研究，在电力应用、强磁体应用以及弱电应用等方面全面开展研发。与世界先进水平之间的差距正日益缩小。目前我国在超导电力设备方面的主要应用研究项目还包括超导限流器、超导变压器和超导储能系统。

　　由国产超导线材制造的我国第1组、世界上第3组并网试运行的超导电缆于2004年4月19日在昆明普吉变电站投入运行，该组三相交流33.5m35kV／2kA超导电缆系统运行状态良好，其部分性能指标优于目前已经_并网运行的美国和丹麦的超导电缆。该组超导电缆系统由超导电缆本体、终端、制冷及其监控系统、超导电缆监控与保护系统等4部分组成。二相超导电缆本体在变电站场地上平行布置，以转角90度敷设，B相转弯半径5m。终端是连接超导电缆、高压母线、液氮制冷系统三者的接口，每根电缆两端各有一套。制冷及其监控系统安装于电缆附近的热工房内，通过真空液氮输送管连接到终端上，对电缆和终端进行冷却。超导电缆监控与保护系统安装于主控室内，可实现对超导电缆系统的远程监控与保护。

　　4、我国面临的机遇与挑战

　　随着世界经济的快速发展，能源供应越来越紧张。而在另一方面电能又大量浪费在传输过程中。如果使用超导设备，不仅可以减少电力损失，而且可以节约大量的金属材料，这也意味着减少了冶炼金属附带的污染。超导电力设备不但可以满足不断增长的电力需求，而且可以增强大容量电网的安全性和稳定性，最终减少电力运行成本。图2为未来城市超导输电系统设想结构。

　　我国目前是仅次于美国的世界第2个电力大国，电力建设从2003年起已进入了历史上发展最快的时期。我国电力工业市场的存量和增量都十分庞大，给电力设备提供了巨大的发展空间，有望成为世界上超导电力设备的最大市场。为了在米来的超导电力设备市场占据一个做为世界主要设备制造同应有的地位，我国应大力加强超导电力技术的发展，开发出性能先进、市场竞争力强、有自主知识产权的超导电力设备。

　　超导电力技术是一项先进的高新技术，但同时义依赖于许多传统工业技术，是超导材料、机械制造、低温制冷、真空绝热、电气工程、自动控制等多学科的集成。我国发展超导电力技术目前在制冷设备制造及电气绝缘材料方面还需要一个较大的技术提升。