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超導(dǎo)電纜<百科>
發(fā)布時間:2024-08-16 11:51:01 人氣:1497
超導(dǎo)電纜簡介
超導(dǎo)電纜用超導(dǎo)體傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線,超導(dǎo)電纜是指利用超導(dǎo)體制成的一類電纜。超導(dǎo)電纜是利用超導(dǎo)在其臨界溫度下成為超導(dǎo)態(tài)、電阻消失、損耗極微、電流密度高、能承載大電流的特點而設(shè)計制造的。其傳輸容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過充油電纜,亦大于低溫電纜,可達(dá)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(dǎo)體的臨界溫度一般在20K以下,故超導(dǎo)電纜一般在4.2K的液氦中運(yùn)行。
超導(dǎo)電纜是解決大容量、低損耗輸電的一個重要途徑,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(dǎo)電纜技術(shù)的基礎(chǔ)是超導(dǎo)現(xiàn)象。簡單來說,超導(dǎo)體在達(dá)到臨界溫度以下后,會表現(xiàn)出零電阻和完美的磁場屏蔽效應(yīng)。這意味著,當(dāng)電流通過超導(dǎo)體時,將不會產(chǎn)生電阻、熱量和電磁波。而且,超導(dǎo)體還能夠把外部磁場排除出其內(nèi)部,實現(xiàn)完美的磁場屏蔽。
結(jié)構(gòu)
超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)有剛性和可撓性兩種形式,纜芯分單芯和三芯。設(shè)計時須充分考慮其組成材料的膨脹系數(shù),以免電纜因熱脹冷縮產(chǎn)生過大內(nèi)應(yīng)力而受損。
優(yōu)勢
與常規(guī)電纜相比,超導(dǎo)電纜具有明顯的優(yōu)勢,主要表現(xiàn)如下幾點。
(1)超導(dǎo)電纜采用在液氮汽化溫度(約-196℃)下無電阻傳輸大電流,導(dǎo)體損耗不足常規(guī)電纜的十分之一,加上制冷的能量損耗,其運(yùn)行總損耗也僅為常規(guī)電纜的50%~60%,因此損耗低、節(jié)省能源。
(2)同樣截面超導(dǎo)電纜的電流輸送能力是常規(guī)電纜的3~5倍,所以使用超導(dǎo)電纜可以節(jié)約輸電系統(tǒng)的占地面積和空間,節(jié)省大量寶貴的土地資源。
(3)具有同樣傳輸能力的超導(dǎo)電纜所使用的金屬和絕緣材料較少。
(4)充油常規(guī)電纜存在漏油污染環(huán)境的危險,而超導(dǎo)電纜沒有造成環(huán)境污染的可能性。
(5)超導(dǎo)電纜具有低噪聲的特性。
超導(dǎo)輸電技術(shù)在原理上是最理想的一種輸電技術(shù),但由于其建造價格昂貴,且技術(shù)尚未成熟,它的廣泛應(yīng)用還需要較長的時間。
分類
一.超導(dǎo)電纜按采用超導(dǎo)材料不同分低溫超導(dǎo)電纜和高溫超導(dǎo)電纜。
低溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)電層是采用低溫超導(dǎo)線材,通常是NbTi/Cu或NbsSn/Cu復(fù)合超導(dǎo)線制成。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(dǎo)電纜都必需在液氦溫區(qū)下運(yùn)行。
高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)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(qū)下運(yùn)行,其低溫結(jié)構(gòu)相對低溫超導(dǎo)電纜要簡單。
二.超導(dǎo)電纜按其輸送電能形式不同有直流超導(dǎo)電纜和交流超導(dǎo)電纜。
直流超導(dǎo)電纜由于超導(dǎo)材料處在超導(dǎo)態(tài)時幾乎沒有電阻,輸電時只有電流引線和低溫制冷裝置有電能損耗。
交流超導(dǎo)輸電電纜由于超導(dǎo)體在通電運(yùn)行時會產(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(dǎo)電纜還可分為常溫絕緣超導(dǎo)電纜和低溫絕緣超導(dǎo)電纜。
常溫絕緣超導(dǎo)電纜的電絕緣層是處在電纜低溫容器外的常溫區(qū),它可以采用常規(guī)電纜的電絕緣材料和技術(shù),低溫絕緣超導(dǎo)電纜的電絕緣層是直接纏包在導(dǎo)體上,并與導(dǎo)體一起處在低溫區(qū),這樣電纜尺寸將更緊湊。為了防止電纜載流時產(chǎn)生磁場對周圍環(huán)境的影響,通常在絕緣層外還加有屏蔽層。
組成
超導(dǎo)電纜主要由電纜本體、終端以及低溫制冷裝置組成。
超導(dǎo)電纜本體包括電纜芯、電絕緣和低溫容器,電纜芯是由超導(dǎo)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(dǎo)帶在終端通過電流引線與外部電源或負(fù)載相聯(lián)接。對高溫超導(dǎo)電纜,電纜芯是由繞在骨架上的多層高溫超導(dǎo)帶材組成,超導(dǎo)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(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)保證了高溫超導(dǎo)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(dǎo)體層外側(cè),與導(dǎo)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(cè),在絕緣層外再加電纜保護(hù)層。
終端是超導(dǎo)電纜與外部電氣部件連接的端口,同時也是電纜低溫部分與外部室溫的過渡段,因此終端要求有很好的熱絕緣,以保證超導(dǎo)電纜整體熱損耗最小。同時,低溫冷卻裝置還要通過終端冷卻超導(dǎo)電纜芯的超導(dǎo)帶材,保證超導(dǎo)體能在設(shè)計的運(yùn)行溫度下運(yùn)行。另外,由于超導(dǎo)電纜導(dǎo)體層將通過電流引線與外部高電壓母線連接,因此要求終端有相應(yīng)的電絕緣水平。
應(yīng)用領(lǐng)域
1.電力輸送
超導(dǎo)電纜技術(shù)被廣泛應(yīng)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(dǎo)電纜的優(yōu)勢在于,在電纜長度不變的情況下,其容量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的線纜。而且,由于超導(dǎo)電纜不會有電阻,因此不會有電纜發(fā)熱的問題,電力傳輸效率高。此外,由于無需電力輸送時的電力轉(zhuǎn)換步驟,超導(dǎo)屯纜還可以提高系統(tǒng)的能源利用率,降低電力輸送的浪費(fèi)。
2.磁懸浮列車
磁懸浮列車需要在高速行駛中通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流,以維持車犧懸浮和運(yùn)行的動力。傳統(tǒng)的磁懸浮列車需要鋪設(shè)電流導(dǎo)軌,而超導(dǎo)電纜則可以直接將電流輸送至磁懸浮列車的懸浮系統(tǒng)中,使得電磁懸浮效果更好、能耗更低、噪音更小。此外,對于磁懸浮列車來說,超導(dǎo)電纜還以提高列車的運(yùn)行速度和行駛距離。
3.醫(yī)療領(lǐng)域
超導(dǎo)電纜技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。例如,MRI(磁共振成像)技術(shù)就是利用超導(dǎo)電纜傳輸超強(qiáng)的磁場來實現(xiàn)人體成像的。超導(dǎo)電纜在磁共振成像中起到承載超強(qiáng)磁場的作用,使得磁場強(qiáng)度可以達(dá)到兒個特斯拉,從而提高成像的分辨率。
未來發(fā)展
雖然超導(dǎo)電纜技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域,但是其自身的間題也需要我們關(guān)注。超導(dǎo)體的制備、絕緣材料的研發(fā)、電纜的制造都是超導(dǎo)電纜技術(shù)未來需要攻克的難題。此外,由于超導(dǎo)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(yīng)用于低重、中壓領(lǐng)域。
此外,當(dāng)前的超導(dǎo)電纜還存在溫度限制,需要維持在很低的臨界溫度以下,這給實際應(yīng)用帶來了一定的限制。因此,未來的研究方面應(yīng)該是尋找新的超導(dǎo)材料,降低臨界溫度,并且提高超導(dǎo)電纜的傳輸容量和可靠性。
總之,超導(dǎo)電纜技術(shù)的應(yīng)用將會是一種趨勢。它不僅可以提高電力傳輸?shù)哪苄Ш唾|(zhì)量,還能夠應(yīng)用于未來的綠色交通、醫(yī)療成像等領(lǐng)域。在未來,期特超導(dǎo)電纜技術(shù)的快速發(fā)展,為各個領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
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