探究高温超导电缆的研发现状和发展趋势 辛国骥
高温超导电机技术的研究现状与应用前景浅析
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高温超导电机技术的研究现状与应用前景浅析
高温超导电机技术的研究现状与应用前景浅析高温超导线材的性能和商业化水平自2000年以后取得重大进展，相对低温超导线材其超导转变温度和载流能力大幅提高，使高温超导应用技术取得突破，成为新世纪重大高新技术。
高温超导电机作为前沿技术已被列入我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，加快高温超导电机的研究具有十分重要的战略意义。
高温超导电机中用高温超导线圈取代常规铜线圈，低温下具有零电阻特性，载流能力远大于铜导线，在给定空间内能产生很强的磁场，通过先进的设计可以使大容量高温超导电机体积和质量为常规电机的约1/2和1/3，具有高功率密度、高效率、低振动噪声、过载能力强、无周期热负载等优点。
在船舶电力推进、直驱风力发电、大功率电气传动、工业发电、航天发射等许多大中型电机应用领域，特别是对电机体积、质量有严格要求的船舶电力推进和直驱风力发电领域有着十分诱人的应用前景。
一、高温超导电机技术国内外研究现状1.国外研究现状国外对高温超导电机的研究十分重视，美、德、日、韩等国采取一系列措施，完善体制，增加研究经费，制定研发计划，并取得了重大的突破。
美国早在1987年就开始研究高温超导材料在电机领域应用的可能性，主要单位有美国超导公司（AMSC）、Rockwell Automation 公司、Reliance Electric公司、电力研究所（EPRI）等，美国高温超导电机研发的历程如图1所示。
2000年7月，1 000hp、3 600r/min高温超导电机研制成功。
该电机被认为是高温超导电机商业化应用的里程碑，其获得的设计经验预示着已掌握了进入大功率高温超导电机设计大门的金钥匙。
2004年，5MW、230r/min的高温超导电机的满负荷试验顺利完成。
该电机是为了建造全尺寸船用推进电机，摸索技术工艺而进行中间认证的环节。
2009年，美国超导公司36.5MW、120r/min高温超导电机（如图2所示）通过海军验收试验，该电机作为美国海军新一代电力战舰DDG1000推进电机侯选电机之一，标志着高温超导电机的发展已接近工程应用阶段。
高温超导材料研究现状与未来发展趋势
高温超导材料研究现状与未来发展趋势引言高温超导材料是指能在较高温度下表现出超导特性的物质。
自从1986年首次发现铜氧化物系统具有高温超导特性以来，高温超导材料的研究引起了全球科学界的广泛关注。
高温超导材料具有低电阻、大电流传输能力和巨大的应用潜力，对能源传输、医疗诊断、电子设备和磁学研究等领域具有重要意义。
本文将详细探讨高温超导材料研究的现状以及未来发展趋势。
一、高温超导材料的研究现状迄今为止，高温超导材料的研究已取得了许多重要的成果。
铜氧化物超导体是高温超导材料的先驱，如YBa2Cu3O7和Bi2Sr2Ca2Cu3O10等化合物，具有较高的临界温度（Tc）。
它们的发现打破了人们对超导材料只能在极低温度下才能发挥作用的传统认知。
然而，铜氧化物超导体存在一些限制性问题。
首先，它们的合成方法复杂且昂贵，限制了规模化生产的可能性。
其次，这些材料的晶体结构和化学成分对其超导性能具有较大影响，难以找到一种通用的方法来设计和合成高温超导材料。
此外，这种类型的超导体通常在液氮温度下才能发挥较好的超导性能，这仍然对实际应用造成了一定局限性。
为了克服上述问题，研究人员正在积极寻找新的高温超导材料。
在过去的二十多年里，许多新的高温超导材料相继被发现，如铁基超导体、碲化铜等。
这些新型材料具有更高的临界温度和更好的超导性能，给高温超导材料研究带来了新的希望。
二、高温超导材料的未来发展趋势在未来的发展中，高温超导材料研究将朝着以下几个方向发展：1. 理论研究的深入：深入理解高温超导机制是推动材料研究和设计的关键。
理论模型的发展将帮助揭示超导过程中的物理现象，并推动新材料的发现。
2. 新材料的发现与设计：通过理论指导和高通量实验技术，研究人员将继续探索新型高温超导材料。
此外，将开发新的材料设计策略，如人工智能和机器学习，以加快新型材料的发现和合成。
3. 优化材料性能：通过改变材料的晶体结构、控制材料的缺陷结构和化学配比，提高高温超导材料的超导性能。
高温超导技术的研究现状与应用展望
高温超导技术的研究现状与应用展望在当今科技迅猛发展的时代，高温超导技术是一个备受关注的热门话题。
在科学界和工业界中，高温超导技术作为一种新型的电学材料，已经取得了极其重要的成就，并且还有着广阔的应用前景。
本文将会介绍高温超导技术的研究现状和应用展望。
一、研究现状1.1 高温超导技术的定义高温超导技术是一种特殊的超导技术，在该技术中，所谓“高温”是指超导材料的临界温度在液氮沸点以上，通常为77 Kelvin 左右。
因此，相对于常温超导技术，高温超导技术使用的冷却介质温度高出很多。
1.2 高温超导技术的发现高温超导技术是在1986年被突然发现的。
当时，密歇根大学的一组科学家发现了铜基氧化物中的一些氧化物可以表现出超导的奇异性能。
这一发现引起了全球科学界的极大关注，并引发了一系列的研究工作。
1.3 高温超导技术的优点相对于常温超导技术，高温超导技术具有很多优点。
例如：（1）高温超导材料的临界温度高，便于制备和应用；（2）高温超导材料的制备工艺相对简单；（3）高温超导材料的基底可以选用广泛的常见材料，被制备成薄膜后，与许多其他材料可以实现良好的匹配，这样可以使高温超导材料的应用范围更加广泛。
1.4 高温超导技术的研究进展自1986年高温超导技术被发现以来，科学家们一直在对高温超导材料进行研究和实验。
他们使用各种不同的实验手段来探索高温超导材料的性质和应用等方面的问题。
随着研究的深入，越来越多的高温超导材料被研制出来，并被应用在许多领域中。
例如，高温超导材料被用于磁共振成像、电子器件、能源传输和存储等领域。
此外，高温超导技术还被用于研究一些基础物理问题和天体物理学中的问题。
二、应用展望2.1 高温超导材料在电力领域的应用高温超导技术在电力领域中有着广泛的应用前景。
研究人员们已经开始着手研究高温超导材料在电力输送和存储方面的应用。
在能源传输过程中，超导材料不仅可以提高能量传输的效率，还可以降低电能损耗。
因此，高温超导技术被认为是电力传输和储存过程中的一项革新技术。
高温超导体的研究现状及展望
高温超导体的研究现状及展望一、引言高温超导体是一类在相对较高温度下呈现超导状态的特殊材料。
由于其零电阻和完全抗磁性等独特性质，高温超导体在能源传输、电子器件、磁悬浮列车等领域具有广泛应用前景。
本文将重点探讨高温超导体的研究现状，展望未来的研究方向与技术发展预测。
二、高温超导材料的制备与特性研究近年来，随着科研技术的不断进步，高温超导材料的制备方法得到了显著提升。
目前，常用的制备方法包括化学合成法、物理气相沉积法、溶胶凝胶法等。
这些方法在制备具有优异性能的高温超导材料方面取得了显著成果。
同时，高温超导材料的特性研究也取得了重要进展，包括材料的磁通动力学特性、能隙结构等方面。
三、高温超导材料的物理性质研究高温超导材料的物理性质研究是理解其超导机制的关键。
目前，科研人员已经对高温超导材料的能隙结构、自旋涨落、电荷涨落等方面进行了深入研究。
这些研究有助于揭示高温超导材料的微观机制，为进一步优化材料性能提供理论支持。
四、高温超导材料的应用场景与前景高温超导体在能源传输、电子器件、磁悬浮列车等领域具有广泛应用前景。
例如，高温超导电缆可用于长距离无损耗传输电能；高温超导滤波器可用于无线通信；高温超导磁悬浮列车则可以实现高速、安全、环保的交通方式。
随着技术的不断进步，高温超导材料的应用场景将进一步拓展。
五、高温超导材料面临的挑战与问题尽管高温超导体在理论和实验上都取得了重要进展，但仍面临许多挑战和问题。
例如，提高高温超导体的临界温度和降低其能隙是当前研究的重点；此外，高温超导体的稳定性、可加工性以及应用过程中的热管理等问题也需要进一步解决。
六、未来研究方向与技术发展预测未来高温超导体的研究方向主要包括以下几个方面：1. 探索新的高温超导材料：通过深入研究现有材料和开发新型材料，寻找具有更高临界温度和优异性能的高温超导体。
2. 深入研究高温超导机制：通过深入研究高温超导材料的微观机制，揭示其能隙结构和磁通动力学特性等方面的规律，为优化材料性能提供理论依据。
高温超导体材料的研究现状和应用前景
高温超导体材料的研究现状和应用前景高温超导体是指在较高温度下出现超导现象的材料。
相比于低温超导体需要极低的温度（液氦温度以下）才能表现出超导现象，高温超导体以其较高的超导温度而备受关注。
高温超导体的发现和研究，被认为是当代物理研究领域的一大突破，也是吸引科学家潜心研究的大热门。
一、高温超导体的发现历程1986年，苏黎世大学的Muller与Bednorz研究发现一种由氧、铜、及一些其他元素组成的复杂氧化物样品，其在液氮温度下表现出超导现象。
这种材料远高于之前已知的低温超导材料的临界温度，被称为高温超导体。
二、高温超导体的性质高温超导体的主要特性是在较高温度下出现超导现象。
具体的，它需要在其临界温度(Tc)以下，发生零电阻和磁场排除。
它的超导临界温度可能高达-140摄氏度，是低温钚的两倍还多。
此外，高温超导体材料还表现出一些独特的电学、磁学和热学性质，如自旋干涉、量子振荡等。
三、高温超导体的应用由于高温超导体材料的超导特性，其应用前景非常广泛。
以下列举几个目前存在或正在研究的应用领域：1. 新能源领域高温超导材料的零电阻性质和良好的电流承载能力使得其成为变频器、电动车充电器和能源储存装置等新能源设备的重要元件材料。
2. 超导电缆领域高温超导材料有利于缩小电压等级、减少传输损耗，从而提高用电品质和经济效益。
超导电缆技术可以大大提高电力传输的效率，节约建设成本。
3. 磁悬浮列车领域高温超导材料的良好的磁特性，使得磁悬浮列车技术的发展得到了极大地发展。
4. 材料科学领域高温超导材料的特殊物理性质和磁学特性，有助于研究磁场对材料表面性质的调控成效。
因此，在材料科学领域，高温超导材料被作为具有广阔应用前景的材料之一。
四、高温超导体研究发展现状及问题尽管高温超导材料有着很多优异的特性和应用前景，但是在它的合成、结构及物理机理方面还有很多问题需要解决。
一方面，许多高温超导材料都含有亚稳元素化学元素，综合难度很高。
高温超导材料的研究现状与发展趋势
高温超导材料的研究现状与发展趋势高温超导材料是指在零下196度以上的温度下能够表现出超导现象的一类材料。
相比低温超导材料，高温超导材料不需要使用极低的温度，从而更加容易使用和操作。
同时，由于高温超导材料的电阻极低，因此也具有广泛的实际应用前景。
本文将介绍高温超导材料的研究现状和发展趋势。
一、高温超导材料的发现和研究历史高温超导材料的历史可以追溯到20世纪80年代。
1986年，首次发现了第一种高温超导材料——YBa2Cu3O7，其超导转变温度达到了92K，足以比低温超导材料更加实用。
之后，又陆续发现了其他高温超导材料，如Bi2Sr2CaCu2O8、Tl2Ba2CuO6等，这些材料的超导转变温度更高，甚至达到了135K。
这些高温超导材料的发现引起了人们的广泛关注。
研究者们探究了这些材料的化学结构和物理特性，以期能够深入理解其超导机理。
他们发现，在这些材料中，超导是由一种称为“库珀对”（Cooper pair）的电子对束缚而成的。
另外，高温超导材料还表现出了一种称为“假体邦”（pseudogap）的现象，即在临界温度以下却无法完全形成超导状态。
这些研究为高温超导材料的进一步理解和实际应用奠定了基础。
二、高温超导材料的物理特性和实际应用高温超导材料的一个重要特性是它们的电阻极低，能够带来很多实际应用。
例如，高温超导材料可以用于制造高度敏感的磁传感器，这些传感器可以检测很小的磁场变化，从而有助于地球物理和医学研究。
此外，高温超导材料还可用于制造高速、高效的电缆和传输线路，提高了电力传输的效率。
另外，高温超导材料的磁性具有很多实际应用。
例如，高温超导材料可以用于制造超导磁体，这些磁体可以产生极强的磁场，用于磁共振成像（MRI）和核聚变等研究。
此外，高温超导材料的磁性还可用于制造磁悬浮列车等高速交通工具，提高交通效率。
三、高温超导材料的研究进展自1986年发现第一种高温超导材料以来，研究者们一直在探究如何提高高温超导材料的超导转变温度，以推动其更广泛地应用。
高温超导现状与前景的研究
高温超导现状与前景的研究1. 引言自1986年被发现以来，高温超导材料就一直受到广泛的关注和研究。
高温超导材料具有零电阻和高载流能力等优良性质，有望应用于电力输配、磁悬浮列车等领域。
然而，高温超导材料的制备和理论研究仍然面临着诸多挑战，本文将介绍目前高温超导领域的研究进展和未来的发展前景。
2. 高温超导材料的研究现状不同于传统的低温超导材料，高温超导材料具有较为复杂的晶体结构和多种杂质掺杂情况。
到目前为止，已经发现了多种高温超导材料，包括铜氧化物、铁基超导材料和铁硒化物等。
其中，铜氧化物是最早被发现的高温超导材料之一，其关键铜氧平面结构也被认为是高温超导的基础。
关于高温超导材料的制备，主要有两种方法，一种是固态化学反应，另一种是物理化学合成。
固态化学反应是将各种原料混合并在高温下进行热处理。
物理化学合成则是将所需原料溶解在有机溶剂中，通过化学作用形成晶体。
这两种方法各有优缺点，不同的方法也适用于不同的材料。
铜氧化物高温超导材料的制备最早采用的是氧化物法，常用气相淀积、固相反应、氢热合成等手段进行制备。
随着研究深入，化学沉淀法、水热法、共沉淀法、凝胶烧结法、微波炉法等方法不断涌现，使得高温超导材料的制备更加精细，但其价格仍然较高，需要更多的研究提高其制备效率和制备成本。
除了制备方式以外，高温超导材料的掺杂也是其性质研究的重要方面之一。
通过不同的掺杂方式，可以改变高温超导材料的磁、电、热等性质，从而实现对其性能的优化。
研究人员已经发现了许多不同的掺杂方式，包括氧空位掺杂、元素置换掺杂、杂质离子掺杂等方式，并取得了显著的成果。
3. 高温超导理论的研究现状高温超导是一项具有挑战性的任务，有望应用于磁悬浮列车等领域。
高温超导理论的研究是实现高温超导应用的关键，也是研究现状之一。
目前，关于高温超导理论的研究主要集中在铜氧化物、铁基超导材料和铁硒化物方面。
在铜氧化物的研究中，理论学家提出了一种被称为“强关联电子理论”的模型，该模型通过考虑电子之间的相互作用来解释材料的高温超导机制。
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探究高温超导电缆的研发现状和发展趋势辛国骥
发表时间：2018-08-13T17:09:51.327Z 来源：《电力设备》2018年第12期作者：辛国骥
[导读] 摘要：在我国快速发展的过程中，高温超导技术的发展，高温超导电缆已经在输电系统中有了实际应用。
（国网大同供电公司检修公司山西大同 037008）
摘要：在我国快速发展的过程中，高温超导技术的发展，高温超导电缆已经在输电系统中有了实际应用。
与传统电缆相比，高温超导电缆具有传输容量大、损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、节约资源、环境友好等优势，有望在未来电网发展中发挥重要作用。
本文介绍了高温超导电缆的结构及特点、基本设计原理、传输电流与导体层电流分布及交流损耗等技术问题，并对高温超导电缆在交流和直流输电系统中的应用以及目前世界各国对高温超导电缆的研究及成果做了介绍。
关键词：高温超导电缆；现状；发展
引言
随着我国经济的快速发展，用电量在不断增长，对电网传输容量需求也日益增长。
高温超导材料在液氮温度的传输电流密度比铜导体高至少两个量级，且采用无污染和火灾隐患的液氮作为冷却介质，因此高温超导电缆在提升电网输电能力，在现有电力系统升级和新电力系统建设中都具有重要应用前景。
目前，国际上对高温超导交流电缆的研究已取得了很大的进展，技术较成熟，相继建成多条超导电缆示范工程。
高温超导直流电缆起步较晚，所以目前国内外的直流电缆工程不多，但由于新能源的大量引入，高温超导直流电缆得到了越来越多的重视，各国也纷纷开展了对高温超导直流电缆的研究。
本文简要介绍近十几年来国内外有关高温超导电缆研究和开发的进展情况，并对其未来发展趋势和关键技术进行简单介绍。
1高温超导电缆的原理结构
高温超导电缆与传统的普通电缆相比有比较大的差异，其主要结构包括：内支撑芯、电缆导体、绝热层、电气绝缘层、电缆屏蔽层和保护层。
1）内支撑芯：通常为罩有密致金属网的金属波纹管，或一束铜绞线。
内支撑芯的功能是作为超导带材排绕的基准支撑物。
2）电缆导体：由高温超导带材绕制而成，一般为多层。
3）绝热层：通常由同轴双层金属波纹管套制，两层波纹管间抽成真空并嵌有多层防辐射金属箔。
绝热层的主要功能是实现电缆超导导体与外部环境的绝热，保证超导导体在低温环境下能够安全运行。
4）电气绝缘层：高温超导电缆按绝缘层类型的不同可以分成热绝缘和冷绝缘两种，热绝缘超导电缆的电气绝缘层的结构和材料与常规电缆的电气绝缘层相同，位于绝热层外部；冷绝缘超导电缆的电气绝缘层浸泡在液氮的低温环境下。
5）电缆屏蔽层和保护层：电缆屏蔽层和保护层的功能是电磁屏蔽、短路保护及物理、化学、环境保护等。
2发展现状
目前国内开展的直流超导电缆工程相对较少，只在河南中孚电解铝厂建有一条示范工程。
2009年起，中国科学院电工所与河南中孚电解铝厂股份有限公司合作研制直流超导电缆，该电缆380m长、单相、电压/电流为1.3kV/10kA。
电缆一端连接变电站的整流器，另一端连接电解铝厂的母线。
2015年开始进行中低压、大电流直流高温超导电缆关键技术的研究。
提出了一种新型的自磁屏蔽型高温超导直流电缆结构，旨在消除各层超导带材临界电流的衰减，进而提高直流电缆的电流容量。
第一种自屏蔽电缆结构如图24所示，在此种结构的直流电缆中，相邻层的电流方向相反，能有效降低各层带材的磁场。
例如，由于第1层与第2层的电流方向相反，它们产生的磁场在第3层处将相互抵消，这样，第3层带材的临界电流将不会受到第1、2层的影响。
应用此结构，电缆各层无磁场影响，临界电流几乎等于自场临界电流，超导线利用率高，临界电流几乎无退化，且可以获得任意大的运行电流结构，无电磁泄露。
另外，为减少电缆端部带材与电流引线的各层连接数目，降低接触电阻，按照相同思路，同时提出了另外一种结构。
两种自屏蔽型结构电缆将有效地提高电缆的载流容量，无电磁辐射、无信息泄露的自磁屏蔽型低压大电流高温超导直流电缆在高保密要求、高稳定性要求的互联网数据中心、军用舰船上等低压大电流输电场合有着重要的应用。
3发展趋势
经过近20年发展，国际上对高温超导交流电缆的研究已取得了很大的进展，技术相对较为成熟，相继建成多条示范工程，国际上几组典型实验运行的高温超导电缆参数情况如图所示），交流高温超导电缆和常规电缆输送容量和电压等级的比较如图所示。
对于交流高温超导电缆，冷绝缘结构是其实用结构。
但是，电压等级不宜超过340kV，原因之一是电压等级太高，绝缘占据空间大，不能充分体现超导电缆高载流密度特性；原因之二是介质损耗太高，冷却费用大幅度增加，运行不经济。
未来交流高温超导电缆技术主要是在220kV及以下电压等级，其传输容量比常规345kV交联聚乙烯电缆还高。
此外，虽然国内也有几组超导电缆试验运行，但是长度都在100m及以下，且未见开发具有中间连接装置的超导电缆研发报道。
电缆终端、套管、中间连接装置等附件也是未来超导电缆实用化研发的重要部件。
4主要关键技术
虽然超导电缆原理简单、技术比较成熟，但是无论是交流还是直流超导电缆，在千米级长度、高电压等级超导电缆规模应用方面以下关键技术有待解决和进一步优化：（1）超导电缆中间连接关键技术：超导电缆连接技术、连接处绝缘应力锥技术，实现长距离超导电缆连接、满足电气性能要求。
（2）低漏热超导电缆低温容器（电缆杜瓦管）及其连接技术，实现长距离超导电缆应用。
（3）电缆终端连接技术：电缆导体与电流引线的连接、应力锥设计及制造工艺，达到结构紧凑、可拆卸、易维护目的。
（4）套管技术：110kV电压等级及以上，具有高温度梯度的高压套管关键技术。
（5）低漏热直流电流引线技术：采用帕尔帖电流引线，大幅度降低直流漏热的电流引线技术。
（6）低温绝缘技术：高压低温绝缘设计及绝缘配合。
（7）超导电缆与电力系统中现有电力装置的匹配协调运行问题。
（8）高压110kV及以上绝缘试验测量系统。
（9）低温制冷技术：高效率、长时间免维护低温制冷系统。
结语
本文介绍国内外有关高温超导交流电缆和直流电缆的研发现状。
经过近20年的发展，冷绝缘高温超导电缆技术是高压电力电缆的主流技术。
对于交流高温超导电缆，技术比较成熟，国内超导电缆技术水平处于国际先进行列。
但是，国内示范运行的交流超导电缆电压等级均在35kV及以下、长度在百米以下、无中间连接，有待于进行110kV及以上电压等级和带有中间接头的长度超过百米的高温超导电缆技术的研发。
高温超导直流电缆起步较晚，但是发展很快。
近年国际上相继开展高温超导直流电缆的研发，不久将示范运行。
国内低电压等级直流超导电缆方面虽有示范运行，缺乏高电压等级直流电缆示范工程。
由于新能源的大量引入，高温超导直流电缆得到了越来越多的重视，各国也纷纷开展了对高温超导直流电缆的研究。
国内在直流高电压等级高温超导电力电缆方面也应进行研发工作。
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