YBCO超導(dǎo)體的電工學(xué)應(yīng)用進(jìn)展探討

付陽

摘 要：YBCO自問世以來，具有比其他電工磁性材料更加優(yōu)越的電工學(xué)應(yīng)用性能，在電工學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用價(jià)值極大。本文首先介紹了YBCO超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)性能，在YBCO超導(dǎo)體的理論基礎(chǔ)上，闡述了YBCO塊材和帶材在電工學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，以對(duì)高溫超導(dǎo)體材料有一個(gè)更加準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)高溫超導(dǎo)體材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：YBCO超導(dǎo)體;帶材;塊材;電工學(xué)

中圖分類號(hào)：TM26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）17-0036-03

Abstract： Since its inception， YBCO has been superior to other electrical materials in electrical engineering， and has great application value in the field of electrical engineering. Firstly， the structural properties of YBCO superconductors were introduced. Based on the theory of YBCO superconductors， the research progress of YBCO bulk materials and strips in the field of electrical engineering was expounded， in order to have a more accurate understanding of high temperature superconductor materials and promote the application and development of high temperature superconductor materials in various fields.

Keywords： YBCO superconductor;strip;block;electrical engineering

自19世紀(jì)超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)至今，學(xué)者們對(duì)超導(dǎo)材料的研究已有上百年。隨著科學(xué)家們不斷探索，超導(dǎo)體在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)超導(dǎo)體的研究也成為科學(xué)家們一直以來較為關(guān)注的重點(diǎn)問題。在漫長(zhǎng)的歲月里，科學(xué)家研究的超導(dǎo)體大多都屬于低溫超導(dǎo)體，也有些超導(dǎo)材料的臨界溫度較高，但僅是小部分。超導(dǎo)材料具有零電阻、低耗能的特點(diǎn)，相信在未來的研究中，高溫超導(dǎo)材料定會(huì)掀起一陣工業(yè)改革風(fēng)。本文以YBCO高溫超導(dǎo)體為研究對(duì)象，對(duì)YBCO高溫超導(dǎo)體的電工學(xué)應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行研究，以挖掘超導(dǎo)體在電工學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。

1 YBCO高溫超導(dǎo)材料的性能研究

超導(dǎo)材料是指具有超導(dǎo)性的材料，該材料在室溫下是有電阻的良好導(dǎo)體，但隨著溫度的不斷降低，其電阻降低，當(dāng)溫度達(dá)到臨界溫度以下，其電阻會(huì)突然消失[1]。高溫超導(dǎo)材料中，釔鋇銅氧（YBCO）用于制備超導(dǎo)薄膜，在電子通信領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。YBCO高溫超導(dǎo)體除了具有零電阻、低能耗等傳統(tǒng)導(dǎo)體的基本性能外，還具有90K以上的超高臨界溫度，屬于畸變的層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，是氧化物超導(dǎo)體的一種[2]。

正交相的Y1Ba2Cu3O7-r晶體結(jié)構(gòu)是一種嚴(yán)重畸變的鷹鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為：[a=3.82A，b=3.89A，][c=11.6A]，其晶格常數(shù)的特點(diǎn)為：[a-b-c3]，這一特點(diǎn)對(duì)YBCO薄膜的結(jié)晶取向產(chǎn)生一定影響[3]。YBCO結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 YBCO超導(dǎo)體的電工學(xué)應(yīng)用進(jìn)展研究

超導(dǎo)體具有零電阻、高密度載流能力、完全抗磁性、超導(dǎo)態(tài)—正常態(tài)轉(zhuǎn)變等電磁特性，這些特性使其完全區(qū)別于傳統(tǒng)電工導(dǎo)體和電工磁性材料，因而在電工學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[4]。超導(dǎo)電工學(xué)主要研究方向如圖2所示。

2.1 YBCO在超導(dǎo)電力技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展研究

2.1.1 超導(dǎo)限流器。超導(dǎo)限流器（SFCL）分為電阻型限流器與電感型限流器兩種。兩種類型的限流器都是利用超導(dǎo)帶材進(jìn)行限流，區(qū)別是前者利用超導(dǎo)帶材在過流時(shí)失超產(chǎn)生的電阻進(jìn)行限流，后者則利用超導(dǎo)帶材高密度無阻載流能力進(jìn)行限流。電阻型限流器的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

注：Ks為主斷路器;Kfs為快速斷路器;L為電抗器;R為電阻器。

當(dāng)限流器處于正常工作狀態(tài)時(shí)，電流會(huì)通過Ks、Kfs和SFCL;發(fā)生短路后，電流會(huì)超出設(shè)定的臨界電流;L、R會(huì)分擔(dān)部分電流，KfsUI快速斷開電路，避免SFCL溫度過高燒壞線路。

超導(dǎo)限流器的研究進(jìn)展如表1所示。

2.1.2 超導(dǎo)變壓器。超導(dǎo)變壓器的工作原理與常規(guī)變壓器的工作原理相同，使用超導(dǎo)線代替銅導(dǎo)線，在低溫運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行超導(dǎo)繞組運(yùn)行。近年來，YBCO超導(dǎo)帶材的性能不斷完善，以YBCO帶材為主要材料的超導(dǎo)變壓器的研究也在逐漸增加，如表2所示。

2.1.3 超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)。超導(dǎo)儲(chǔ)能（SMES）原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)利用超導(dǎo)電感線圈存儲(chǔ)電能，與電力電子換流器完成功率交換。利用超導(dǎo)帶材零電阻、密度高的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)高功率快速響應(yīng)的特性，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

儲(chǔ)能線圈是超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心，螺管線圈以矩陣截面結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但利用率不高，因此對(duì)改變線圈結(jié)構(gòu)的研究較多。例如，與矩形截面結(jié)構(gòu)相比，階梯形截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，但可以減小帶材的磁場(chǎng)分量，提高臨界電流與儲(chǔ)能量。中國(guó)科學(xué)院電工研究所于2016年研制出一款超導(dǎo)限流儲(chǔ)能系統(tǒng)（1MJ），采用的線圈方式是組合線圈結(jié)構(gòu)，投入運(yùn)行后其性能良好;日本完成了基于YBCO超導(dǎo)體2GJ儲(chǔ)能線圈設(shè)計(jì);韓國(guó)、德國(guó)等國(guó)家也相繼對(duì)2.5MJ、3.8MJ和4.8MJ等超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.2 YBCO在超導(dǎo)磁體技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展研究

YBCO在超導(dǎo)磁體技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展如表3所示。高磁場(chǎng)有助于幫助科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和新規(guī)律，因此，科學(xué)家們一直努力研究更高磁場(chǎng)的磁體。當(dāng)前，最強(qiáng)的磁場(chǎng)為45T，但在運(yùn)行過程中仍然存在一些問題，如水冷線圈需要有龐大的水冷系統(tǒng)作為支撐，當(dāng)功耗超過設(shè)定閾值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)維護(hù)困難的問題。高溫超導(dǎo)體在低溫環(huán)境下具有較高的不可逆的特點(diǎn)，采用高溫與低溫相結(jié)合的方式則成為目前高場(chǎng)磁體發(fā)展的研究重點(diǎn)。

3 結(jié)語

YBCO超導(dǎo)體自發(fā)現(xiàn)以來，為社會(huì)所作出了巨大貢獻(xiàn)，在超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電感儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁體等電工學(xué)方面的應(yīng)用廣泛。超導(dǎo)體雖然易受市場(chǎng)價(jià)格、低溫制冷等條件的制約，但在特殊的應(yīng)用場(chǎng)合下，超導(dǎo)體技術(shù)是傳統(tǒng)技術(shù)無法替代的。因此，重點(diǎn)探索YBCO超導(dǎo)體在電工學(xué)方面的應(yīng)用，將會(huì)為新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出巨大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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