探讨超导材料在电工领域中的应用

2020-02-07 427 上传者：管理员

摘要：超导材料理论在20 世纪之初被发现，因其在增强能源系统稳定性、安全性以及环境保护、提高能效方面具有很大的潜力，得到了物理学领域和工程学领域的密切关注。为了对超导材料的未来进行更好的探索，文章基于超导材料的基本概念，对两种实用的超导材料进行介绍，对超导材料的优缺点进行分析，进而提高和加深对超导材料在电工领域中应用的了解。

关键词：
理论
电工领域
约瑟夫森效应
超导材料
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电阻为零、完全的抗磁和约瑟夫森效应是超导材料的独特性质，它与传统导体和磁性材料不同。在许多的领域，超导材料技术优势都在于它具有非常广泛的应用价值，其他材料很难替代它，这对人类社会的生产和生活都有很大的影响。因此，对于超导材料的研究也应该被重视，应被提上日程。

一、超导材料以及超导材料的特点

1. 超导材料的概念。

在某种低温下，一种有零电阻特点和排斥磁场线特点的新型材料称超导材料。此时，超导体具有非常好的导电性，并能产生十分强的磁场。当材料低于一个固定的温度时，电阻成为零的这种现象是超导现象，温度是临界温度。超导体具有零电阻、高密度载流能力、完全抗磁性（迈斯纳效应）、超导态-正常态转变等电磁特性。尤其是它的完全抗磁性，当超导体进入超导状态时会将磁感线排斥在体外，其体内的磁感应强度则为零。

2. 与低温超导材料有关的内容。

超导体可分为低温超导体和高温超导体以超导体的临界温度为划分界限的话。在超导体物理学中，临界温度在液氦温度范围内的超导体称为常规超导体或低温超导体。现如今被广泛使用的低温超导体主要包括Nb-Ti（铌钛）、Nb3Sn（铌锡）、Nb3Al（铌铝）等。铌表现出高临界元件温度的特质，使其不能承受高电流并且不能保持高磁场。钛合金降低了临界的温度，使其磁性变得凝固，这样便能够承受大电流和强磁场。尽管Nb3Sn也是实用的超导材料，但是Nb_3Sn的实际应用受到长期的限制，因为Nb3Sn是相对脆性的复合材料。它通常只作为高场强的内线圈使用，并用于高场。其特点是线材生产成本低。冷却技术在不断发展，使得低温超导装置对液氦的依赖性逐渐降低。所以低温超导材料将长期成为将继续超导工业中的关键材料。

3. 与高温超导材有关的内容。

与低温超导体相对，在超导体物理学中，临界温度在液氦温度范围之外的超导体称为高温超导体。现在具有实际应用价值和广阔发展前景的高温超导材料有铋系（BSCCO，第一代高温超导材料）、钇系（YBCO第二代高温超导材料）和二硼酸镁（MgB2）。自上世纪末用粉末涂料成功制造长条以来，Bi-2223超导材料的制造技术越来越成熟。而基于BSCCO的高温重叠带（主要包括BSCCO-2223和BSCCO-2212），慢慢开始具有了小批次生产的特质，造成超导技术迅速发展，它一般用在高场的超导磁体技术方面研究和开发。高温钇系元素超导体的磁场性质要胜过铋，故而具有良好的发展前景。限制其大规模实施的原因是其制备技术尚不成熟。如果涂层导体技术通过，那么"第二代"高温超导材料将被转移到大规模的商业应用中。

二、超导材料在实践中的应用

1. 超导储能与强磁场导体方面。

使用一种特有的技术将能量储存并根据是否需要来释放能量的这一过程称为储能。储能被分为物理储能、化学储能和电磁储能这三种，如果按照储存方式来进行分类的话。电磁储能的主要应用便是超导储存。超导储能有着有效提高能量转移效率和经济性的优点。缺点是维护成本高。超导材料的另一个应用就是强磁场导体，它具有消耗能力低、稳定性良好、密质十分均匀等特点，因此被大量运用在一些高能的粒子加速器和磁性颗粒分离技术来开采矿山，还能用作发电机。

2. 变压器方面。

高温超导线材制造技术的进步以及工业的生产能力的逐步提高，为超导电力设备的发展以及应用提供了必要条件。传统变压器很大很重，但最重要的是，他们消耗更多的电力，造成资源的损失。而使用超导变压器虽不能完全解决传统变压器的缺陷，但却能有效降低其缺陷，同时还具有一定的限流作用。在发生瞬时过载的情况时，也不会发出噪声。但技术人员目前仍无法攻破交流损耗过高和磁场下临界的电流值下降明显这两个难题。然而，世界主要的工业国家都在投入大量的人力、物力和资源来开发超导设备，这一问题将一个接一个地得到解决，并取得越来越多的成果。

3. 限流器方面。

超导限流器又称超导（电阻抗性）电阻器，主要与电路串联，依靠电感（线圈电阻）来限制短路电流。其最主要的应用是来提高供电系统的安全性和可靠性。在正常运行时，限流器处于超导态，只有极小的阻抗（基本为零，可以忽略）。可闪电轰击会使电厂的高压输电、低压输电等电力设备故障，引起短路。当线内电流超过临界的电流时，超导材料便由超导状态转变为正常状态，超导现象就会在一定条件下消失。限流器可以在极小电阻甚至零电阻条件下进行高电位运行，对电流几乎没有损耗；当电路发生故障时，限流器几毫秒之内就可以感应失超，在线路中表现为电阻或感抗，瞬间电阻增加，限制电路电流的损失，最终与超导体串联的断路器断路而消除故障。故障消除后，超导限流器就会自动复位。超导限流器有响应速度较快、自动复位较快、提高网络稳定性快、有效降低电厂损耗等优点。其缺点是在正常运行过程中功耗比较高。

三、结语

电力和能源设备直接关系到人们的生产和生活，超导技术可以提高现有电力和能源设备的性能，能够制作传统技术无法实现的新电力能源设备，对人类的生活具有极大的好处。目前，我国的超导材料和它的应用领域已经基本掌握了制备一些实用的超导材料方面的技术，在许多领域取得了良好的发展，并普遍具有国际先进水平。

杨勇.电工领域中超导材料的应用[J].经济技术协作信息,2019(26):104-104.