哈工大《电工技术I》专题报告

多学时电工技术报告时间：2015秋季学期（电工技术I）学号：姓名：锋1关于超导技术摘要：超导技术在20世纪初被发现后，由于其优越的性能，就一直受到全世界的关注，并且发展迅速，一共经历了低温超导和高温超导两个发展阶段。超导体具有临界温度、临界磁场和临界电流密度三个临界值，统称为临界条件。超导体具有的零电阻性、完全抗磁性和Josephson效应这三种基本特性使得超导体在许多领域的得到广泛应用。超导技术的大量应用，如超导电缆、超导变压器、超导电机和磁悬浮列车等，都将带来巨大的经济效益。但是超导体临界转化温度始终没有达到室温，这限制着超导体的发展，提高超导材料的临界转化温度是科学家未来需要突破的主要问题。如果超导技术能够广泛应用，一场新技术革命一定会到来，并改变我们的生活和生产方式。关键词：超导技术;高温超导;临界条件;超导电缆一、超导技术的发展历史1908年，卡莫林.昂内斯首次成功液化了氦，获得了4.2K的低温。这之后，他便开始研究的在该温度范围内汞的电阻率的变化。1911年，卡莫林.昂内斯在实验时发现了一个奇怪的现象：汞在温度4.2K左右时电阻突然降到了零，出现超导电性，这是人类历史上首次发现了超导现象。但是这一现象所需要的低温很难获得，这就极大地限制了当时超导技术的应用。1933年至1985年期间，属于超导发展的低温超导阶段，尽管超导电性的研究出现很多新的成果，但是临界转变温度还是没有突破Tc=23.3K的记录。因此，在这期间，不少人甚至认为常规超导体的超导转化温度不可能超过30K。但是在1986年，德国科学家伯诺滋和穆勒发现La-BaCu-O化合物的超导转变温度可以达到35K[1]。这是一重大发现引起了世界的震动。两位科学家也因此获得了1987年的物理学诺贝尔奖。1986年至今，超导发展进入了高温超导阶段[2]。1987年2月中旬华裔科学家朱经武和吴茂昆获得转变温度为98K的超导体，之后，我国科学家赵忠贤研究组宣布获得临界转变温度为100K的超导体。超导体临界转变温度首次进入液氮温区。此后很多国家在超导研究都取得重要的成果，在常压下，超导材料的转化温度已可提升到133K。超导物质还在不断地被发现，目前，一半的金属元素和上千种合金和化合物具有超导电性，但是，它们的临界转变温度都较低，离室温还有很大一段差距，这也阻碍着超导材料的应用。因此，提高超导材料的临界转化温度，一直都是科学家研究超导的主要目标。二、超导的基本知识在低温下，随着电阻的消失，材料已出现了一种新的状态，这种状态被称作超导态，这种材料被称为超导体。多学时电工技术报告时间：2015秋季学期（电工技术I）学号：姓名：锋22.1超导体的三个临界值超导体具有三个临界值，分别是临界温度、临界磁场和临界电流密度。这三个临界值统称为超导体的临界条件，只有在临界条件下，材料才会呈现超导态。2.1.1临界温度物质降低到一定温度后，电阻消失，呈现为超导态，而这个转化温度，就被称为超导体得临界温度。不同的超导体有不同的临界温度。根据临界温度，还可以将超导体分为低温超导体和高温超导体两类。临界温度在77K以下的超导体被称为低温超导体。临界温度达到液氮温区，也就是77K以上的超导体被称为高温超导体。临界温度是超导体十分重要的概念，临界温度的高低则直接限制着超导体能否被广泛运用，所以现在科学家也正致力于提高超导体的临界温度。2.1.2临界磁场当超导体承受的磁场达到一定强度时，超导电性会消失，这就是超导体的临界磁场。所以超导体的使用要在临界磁场以下使用才可以。超导体的临界磁场与超导体所处的温度有关，是温度T的函数。不同的超导体其临界磁场值也不同。超导体的临界磁场值均不高，如Hg为0.04T，Al的为0.01T。临界磁场过低也是阻碍超导体实际应用的一个重要因素。2.1.3临界电流密度由于电流会产生磁场，所以当通过超导体的电流达到一定程度时，也会使超导体失去超导电性，即超导体存在临界的电流密度。在实际应用中，超导体的截面积是一定的，为了方便，工程上也常用临界电流值表示临界电流密度。临界电流值，是与超导材料的制备过程有关的[3]，因此，临界电流值具有一定的范围，随着工艺过程的改进还会有变化。综上所述，超导体必须运行于临界温度以下，所承受的磁场和通过的电流必须小于临界磁场和临界电流，即超导体只在图1所示的阴影区域内为超导态，呈现超导电性，阴影以外的区域称为常态。图一超导体的超导态和常态分界面图二超导体与一般导体的电阻—温度特性比较2.2超导体三个基本特性随着多年来人们对超导现象的不断探索,发现超导体具有以下三种基本性质：零电阻性、完全抗磁性和Josephson效应。多学时电工技术报告时间：2015秋季学期（电工技术I）学号：姓名：锋32.2.1零电阻性一般导体中存在的自由电子在晶格中自由运动，会和晶格或导体中的杂质原子相碰撞，而损失能量，这就是导体有电阻的原因[3]。一般导体电阻随温度的下降而减少。这是因为晶格的热振动减弱，电子碰撞也因此而减少的缘故。但是，由于晶格振动不会绝对静止，一般说来，无论温度多低,导体仍会存在一定的残余电阻。然而，超导体中的传导电流的超导电子是结合成对的，叫Cooper对。Cooper对不能互相独立地运动，而只能以关联的形式作集体运动。当某一电子对受到扰动，就要涉及到这个电子对所在空间范围内的所有其它电子对[4]。这个范围内的所有Cooper对，在动量上彼此关联成为有序的集体，因此超导电子对在运动时，就不像其它正常电子那样，被晶体振动散射产生电阻，从而呈现零电阻现象。图2为超导体和一般导体的温度—电阻特性示意图。一般导体总存在一定的残余电，超导体的电阻在超导态则完全消失。2.2.2完全抗磁性对于超导体，无论是先加磁场再将之冷却到临界温度以下，还是冷却到临界温度以下后再加磁场，超导体内部的磁场感应强度都是零。就是说，磁通线不能通过超导体，处于超导态的超导体是完全抗磁性的。这一特性使得超导体可以应用于磁悬浮以及磁屏蔽。在理论上，可以解释为由于超导电子Cooper对的关联效应，使外磁场很难进入，从而导致了超导体的完全抗磁效应。2.2.3Josephson效应Josephson效应也被称为Cooper对的隧道效应。这一效应产生于超导体-绝缘薄-超导体形成的超导结上[3]。这种超导结有着和一般导体或半导体形成的结完全不同的电子隧道效应。对于超导体-绝缘层-超导体互相接触的结构，超导体内的电子对就有可能穿透绝缘层势垒形成电流，而隧道结两端没有电压，即绝缘层也成了超导体。这就是Cooper对的隧道效应。正是由于超导体具有这些特殊效应，超导技术才能引起如此多的关注，在多个领域具有非常重要的作用。2.3超导微观理论自从超导电性被发现以来，人们一直尝试从微观理论来解释超导现象。具有代表性的是BCS超导理论，但是这个理论没有办法解释高温超导现象，而目前由于高温超导的复杂性，还没有一个成熟的理论可以阐明高温超导电性机制。2.3.1BCS超导理论BCS超导理论由美国科学家巴丁、库柏提出，很好解释了大多数超导体的超导现象。BCS超导理论以自由电子模型为基础建立起来的理论[5]。在BCS理论中，认为电子之间存在通过交换声子产生相互吸引力，由于相互吸引，电子就会两两配对，形成所谓的库柏（Cooper）对。当温度低于超导转变温度时，库柏对就会在超导体内形成，这时库柏对可以在晶格当中无能量损耗地运动，形成超导电性。多学时电工技术报告时间：2015秋季学期（电工技术I）学号：姓名：锋42.3.2高温超导理论高温超导体临界转变温度在液氮温度（77K）以上。BCS理论在解释常规超导体超导电性获得了巨大的成功，但是随着高温超导体被发现，这一理论受到了挑战。科学家通过大量的实验和观测数据分析得到[5]：高温超导体的超导态仍是库柏对的相干凝聚态。高温超导体的超导电流仍然是以库柏对为载体在超导体里面传播。在BCS理论中，库柏对的形成和相位相干是同时产生的，高温超导体在低于临界温度时，库柏对间形成相位相干，并发生超导凝聚，但是配对和相干凝聚不是同时发生的，这与BCS理论完全不同。实际上由于高温超导体的配对很复杂，其电子配对机制至今仍未解决。三、超导技术的广泛应用超导体的电阻为零，超导体可通电电流密度高，比铜导线高出2个数量级以上。这是电力系统中应用超导技术优越性的根本原因。电阻为零，不会因电阻而产生损耗。电流密度高使得超导电力装置普遍具有体积小、重量轻的特点，这就使得应用超导技术有巨大应用价值。3.1超导电缆超导电缆具有电能损耗极小，输电容量大，重量轻等特点。在人口稠密的城市，要扩大电力输送容量，满足大量的电力需要，用超导电缆替代常规的铜芯电缆就是非常好的方案。超导电缆的结构如图三所示，超导体带成环状在中间位置，外层覆盖有保温材料，最外层是绝缘介质和保护外套，环状超导体带中心是则是流动的也太氮制冷剂，可以将超导体冷却至转化温度以下。世界上首条传输电流最大、载流能力达10千安的高温超导电缆在我国成功研制，这也是世界首条实现并网示范运行的高温超导直流电缆。世界各国也都在抓紧时间研制超导电缆。图三超导电缆截面图图四超导变压器结构示意图3.2超导变压器如果用超导材料替代铜来作变压器绕组，可以大大减少变压器中的铜损。即使发生泄漏，液态氮蒸发到空气中对环境也无害，并且变压器工作在低温下其使用寿命要长得多。正因为超导变压器具有效率高、体积小、无环境污染隐患等优点，它被公认为最有可能取代常规变压器的高新技术。多学时电工技术报告时间：2015秋季学期（电工技术I）学号：姓名：锋5[6]超导变压器结构如图四所示。采用超导材料绕制线圈，高低压绕组均置于液态氮中，液氮冷却温度为77K，而铁芯则于处常温下。中国科学院电工研究所日前成功研制出我国首台三相高温超导变压器样机，并通过了检测。该成果的输出电流位于世界第一。3.3超导发电机超导发电机具有发电效率高、重量小、尺寸小等特点。由于发电机超导转子的磁场强度约为同容量普通发电机的5倍左右，从而可大大减少定子铁芯的尺寸，提高发电机的端电压，甚至可取消升压变直接并入超高压电网运行。而效率可进一步提高到99.5%以上[7]。超导发电机的另一个突出特点是有利于改善系统的稳定性,一般来说,发电机的电抗越小，系统就越稳定。超导发电机的电抗大约只有普通发电机的1/4左右，因此在系统电抗相对较小时，系统的稳定极限增加了约4倍。3.4超导限流器超导限流器具有十分优越的功能。在正常状态下，超导限流器处于超导状态，损耗极小，而在系统发生故障时立即转为非超导状态，限制短路电流，维持系统稳定，当故障电流消失后又能立即恢复正常状态。电力系统采用超导限流器后,系统中设备的短路容量值可大为减少，并可扩大电网的输送容量与规模。图5是一种磁屏蔽式的超导限流器的基本结构。这种限流器实质上是一个次级绕组短路的变压器[8]，系统电流通过初级绕组，次级绕组是一个超导环，它所产生的磁通几乎完全抵消了初级绕组产生的磁通，因此正常工作情况下的阻抗极小。系统故障时的短路电流将使次级的电流密度超过临界而不再超导，不能再抵消初级绕组产生的磁通，初级绕组阻抗变大而限制了短路电流。系统故障消失后又可恢复正常。图五超导限流器基本结构3.5超导储能器超导储能是利用超导体制成的线圈，通过流过超导线圈中的直流电建立磁场，并将能量储存于多学时电工技术报告时间：2015秋季学期（电工技术I）学号：姓名：锋6磁场中，在需要时再将此能量送回电网或用作其他用途。因为超导的直流电阻几乎为零，所以这种能量的储存不会有损耗，而能量的释放速度却非常快。由于超导储能所储存的是电磁能，因此它与其他形式的储能，如蓄电池储能、抽水储能和飞轮储能等相比有许多明显的优点。首先，由于超导储能可长期无损耗地储存电能，其转换效率高达95%，其次，采用超导储能可使电网电压、频率、有功和无功功率容易调节[9]。因此，超导储能在电力工业中有广泛的应用前景。3.6超导磁悬浮列车随着国民经济的发展,社会对交通运输的要求越来越高。磁悬浮列车具有高速安全、噪音低等优点，是未来理想的交通工具。磁悬浮列车是利