铋系高温超导直流电缆的研发

研究快讯铋系高温超导直流电缆的研制，电缆芯的外径为48mm，它安装在低温容器内，并与两个终端相连。电缆的直流耐压大于2 5kV.在液氮下的实验表明，电缆的临界电流为2480A（PV/cm判据）n值为7.7，接头总电阻为0均超过设计指标。在止传输2kA电流的运行中，电缆的传输特性稳定。经4次热循环，电缆的临界电流没有降低。
高温超导电缆使用具有高临界电流密度的高温超导带材作导体，能够传输比同尺寸的常规电缆大3―5倍的功率，其功率损耗仅为传输功率的0.5%（常规铜电缆为5%―8%）因此它具有体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点。利用高温超导电缆可以大大提高电网的总效率，实现低损耗、大容量输电，是解决大功率输电的有效途径。它还具有不污染环境、无火灾危险、安装过程中占地少、对外无电磁干扰、不易受意外灾害影响等*优点。高温超导电缆在改造大城市现有配电网方面有广阔的应用前景。对于人口密集的城市地区，在电网需要扩容时，若采用高温超导电缆，则可使用现有的地下电缆沟，从而免去昂贵的破坏性的挖掘和建设，其总费用可降低约20%.利用高温超导电缆可以改变传统输电方式，采用低电压大电流输电方式，能把发电机直接连到用户电网，可省去电力变压器，甚至可以采用直流输电方式；还可以用配电电压水平输送同样的功率，而不需建设新的变电站。在要求采用大电流直流输电的情况下，如铝电解工业，高温超导直流电缆将明显优于金属线路。在风景优美的旅游区，为不破坏景观，可以考虑用高温超导输电电缆来代替现有的架空线。高温超导输电电缆在现有电力系统升级和建设新电力系统中也将得到应用。高温超导电缆在国家超导技术联合研宄与开发中心资助项目2⑴1―01―04收到初稿，2001―02-05修回短距离输电的应用可望在短期内实现。
和其他电力装置相比，超导电缆的磁场很低（通常为百高斯级）粉末装管法制备的Bi―2223Ag带材在该磁场和液氮下仍具有很高的电流密度，且能加工成千米以上的长带，因此高温超导输电电缆可能是zui早实现超导电力应用的项目。目前，高温超导输电电缆的应用受制于Bi―2223/Ag带材的价格，然而近年来其价格一直在下降，预计在今后2―3年内，它可望降到50美元/Am以下的水平，不远的将来，有可能降到与铜一样的“载流性能价格比”。因此高温超导输电电缆己成为当今世界各国在高温超导技术强电应用研究领域的项目。
在国家超导技术联合研究与开发中心的支持下，1997年底我国开始进行铋系高温超导直流电缆的开发研究，这是我国“八六三”超导技术专项中的重要课题，是一项综合性很强的应用研究工作。该课题的目标是研制出6m长2000A的高温超导直流电缆。中国科学院电工研究所承担了高温超导电缆的研制任务。该电缆所需的超导带材由西北有色金属研究院和北京有色金属研究总院研制。
中国科学院电工研究所在高温超导直流电缆的研制过程中，首先建立了一套包括数据采集系统在内的测试装置；其次对Bi―2223Ag带材的输运特性、机械性能（拉应变和弯曲应变特性）、自由热收缩率和热循环特性进行了测试和研究；接着又进行了电缆导体层中电流分布及其输运特性仿真研究以及电缆的超导到常态的过渡接头电阻的实验研究和焊料的优选实验研究工作。为掌握高温超导电缆的设计方法和制造工艺，首先研制并试验了一根1m长1000A的高温超导模型电缆11.在此基础上，采用了有特色的优化设计和经改进的合理的制造工艺，建成了6m长2000A高温超导电缆系统。超导电缆的电缆芯由不锈钢波纹管骨架、导体和低温电绝缘组成。电缆的导体共8层，由总长达1678m的238根国产铋系带材组成。这些带材以约27的螺旋角和小缝隙一根接一根地绕在骨架上，以防止从室温到液氮温度因冷收缩产生的应力损坏带材。高温超导体层中相邻共轭层的带材绕向相反，螺距相等，以消除电缆的轴向磁场，减小自场效应引起超导带材临界电流的退化。骨架上及导体层间缠绕绝缘带，以降低电缆因变流产生电磁耦合引起能量损耗。电缆芯的外径为48，它安装在液氮低温容器内并通过两个2kA终端与电源及冷却系统相连。低温容器采用高真空和超级绝热技术，它是外径108mm，长6m的双管结构，为补偿从室温到液氮温区下的冷收缩，容器的内管采用不锈钢波纹管，外管则用刚性的不锈钢管。高温超导电缆有两个终端，它们设计成能耐直流2.5kV，并能载流2kA，电流引线设计成冷氮气强迫冷却，从而大大降低了从终端进入电缆低温区的热流。在低温区，电流引线用液氮作电绝缘、而在常温区和温度过渡区，用玻璃纤维环氧套管作电绝缘。为2000A高温超导电缆的结构。是该高温超导电缆和终端的外貌。
在液氮温度下的测试表明，6m长、2000A高温超导电缆的直流耐压大于25kV，电缆的临界电流为2480A（1W/cm判据）达到电缆单带材在自场下的临界电流总和的69%n值为7.7，电缆的总接头电阻为0.1W，均超过该课题所确定的指标。为该电缆在77K下试验的E―I特性曲线，在1h传输2000A电流的运行中，电缆性能稳定。经4次热循环，电缆的临界电流没有退化。
6m长、2000A高温超导电缆的研制具有自己的特色并体现了创新性：（1）在铋系带材特性研究中，我们发现，与临界电流Ic相比，带材n值随热循环、机械应变和外磁场的变化更为敏感，能及早地反映高温超导体晶界的损伤和电性能的退化程度23.这对判断带材性能的变化有着极其重要的意义，至今国外尚无相关研究成果的报道；（2）首先采用/.及n值双重标准选用铋系带材，其先进性和正确性在随后的电缆研制中得到了充分的验证；（3）采用优化的设计和计算及合理的绕制工艺，避免了带材性能在液氮中因冷收缩引起的拉应变和因弯曲引起的弯曲应变而退化，有效地消除了轴向磁场，合理地布置不同性能的超导带材，使导体层内电流分布趋于均匀，提高了电缆的整体性能；⑷采用低熔点（14C）的In―Ag合金作焊料，借助温控把温度维持在155C左右进行电缆终端铜接头与带材间的焊接，从而在不破坏带材超导性能的条件下获得0.lKi的电缆接头电阻，达到先进水平。
6m长、2000A高温超导直流电缆的研制成功表明，我国已掌握了研制高温超导输电电缆的关键技术，向高温超导技术的实用化迈出了关键的一步，使我国跻身于该项技术的先进行列，继美、日、德之后成为世界上少数几个掌握这一关键技术的国家。该研究成果*，达到*水平。