超导电缆是一种新型电缆,能高密度、大容量地输送电能。早在1965 ~ 1975年的时候,人们就已对它传输1000万千瓦负荷的必要性有了充分的认识,随之而起的就是世界规模的开发。但是,由于第一次石油危机后的世界能源转入了一个较稳定的增长期,电力需求减缓,因此这种高密度、大容量输送电能技术的开发热潮便一度冷了下来。

然而,随着大城市中心向着智能化、建筑高层化方向的蓬勃发展,以及用电的与日俱增和高度密集,于是这种高密度、大容量输送电能技术的开发在今天又开始转热。我们知道,在城市敷设电缆,受到的客观环境限制总是很多,如今向一条街道输送大容量的,如300万千瓦的电力,若采用以往的常规电缆就明显有困难,而采用超导电缆,乃至输送500 ~ 1000万千瓦级的电力都不在话下。当然,采用超导电缆也必须是很经济的,否则就会使它优越的性能黯然失色,从而失去用武之地。为了实现超导电缆大容量化的设计,当前急需开发的项目,是围绕100 ~ 300万千瓦级超导电缆经济性的一些技术课题。具体说来,也就是导体性能的改进,以及电缆本体、终端及其附件结构的简化。

超导电缆的基本组成部分,主要有担负电能输送的电缆芯和用以降温的绝热冷却管。

开发经济性很好的超导电缆,不但要使之在制造、运输上容易,而且要使之在现场施工、安装上方便。在保证电缆芯接头电抗极小、电绝缘特别可靠的前提下,为不致使生产成本偏高,每周转线盘的电缆制造长度应不低于200米,以利于电缆接头数量的减少。

此外,还要使超导电缆具有良好的挠性。目前研制的超导电缆,采用的是这样的构造形式:使带状导体卷绕在圆管形的成型器上,然后再在导体外面加绝缘(如图所示)。导体卷成螺旋状后,电流通过会产生沿轴线方向的磁场,且电感增大,为了消除这一倾向,现正在考虑采用导体正、反两次重合卷绕的构造形式。但这样做肯定会使电缆成本提高,所以仍然不妨采用导体单层卷绕的形式。

10.1

在当前的超导电缆开发中,还有一个亟待解决的问题,就是如何使电缆芯各部分材料具有相等的收缩率。一般说来,作为电绝缘的有机材料的热膨胀系数要比导体和其他金属材料大很多(1 ~ 10倍不等),当处于低温冷却状态时,这种收缩率的差异会引起过大的内应力而使电缆的性能变坏。为使这种不利因素减小到最低限,目前也在从电缆构造上想办法。

关于超导电缆的电绝缘,已经有了这样的设想,即把超临界低温的液氦利用起来作为绝缘,这无疑会使超导电缆的结构大为简化。但,随之出现的支撑导体圆管的表面放电也就成了一个需加以解决的新问题。

表面放电问题的解决在超导电缆的终端设计中一样不例外,而且还是一个至关重要的研究课题,为了弄清其性质,当前正通过小型终端试样进行耐压试验。

为使超导电缆运行高效率化,不能没有交流损耗低、临界温度高的超导导体。在这方面,目前正在对超导材料铌三锗Nb3Ge(Tc=23.2 k)的带材化进行研究。不过单就临界温度而言,去年发现的氧化物超导材料具有明显的优势。但是其电流密度以至交流特性迄今还是一个未知量,所以,这些特性在未得出答案之前,它的应用就是一句空话。

超导材料铌三锗Nb3Ge的制造,用的是化学蒸镀法(CVD法),也就是在耐盐酸镍基合金通电加热时由流过的氯化铌和氯化锗蒸汽沉积而成。现在,铌三锗Nb3Ge的线材已经问世,预计下一步将用表面处理的办法(机械的或化学的研磨法)来改进其交流特性。

电能输送技术是能源建设中的一项基础技术。超导电缆的研制成功,将大大有利于能源的节省。超导电缆本身凝聚着一定的新技术、高技术,为了加快超导电缆的开发进程,应迅速使一些和其相关的新技术、高技术转化到实用上来。氧化物超导材料的发现,很有可能使超导电缆的经济性发生巨大的飞跃,而且它对超导电缆的作用远远胜过对其他电力设备、装置的影响。从现在的研制情况看,氧化物超导材料有望在200年左右投入应用。因此,当前在积极进行超导电缆构造、电绝缘等方面开发的同时,还得要加快对超导材料及其应用的研究。

[《工业技术》(日)1987年8期]