高溫超導(dǎo)電纜通電導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其研究進展

朱志辰

摘要：高溫超導(dǎo)電纜與傳統(tǒng)的銅電纜相比，具有損耗低、容量大和體積較小等特點。利用高溫超導(dǎo)電纜輸電，是解決大功率輸電的有效途徑。超導(dǎo)電纜由支撐體、超導(dǎo)導(dǎo)體層、電氣絕緣層、超導(dǎo)屏蔽層、常導(dǎo)屏蔽層、低溫杜瓦、外護套組成。超導(dǎo)導(dǎo)體分為CORC導(dǎo)體、Roebel導(dǎo)體、堆疊式導(dǎo)體。本文對高溫超導(dǎo)電纜通電導(dǎo)體結(jié)構(gòu)作出了分析，并對高溫超導(dǎo)電纜通電導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：高溫超導(dǎo);電纜;制作原理;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1、引言

高溫超導(dǎo)電纜采用無阻的、高電流密度的超導(dǎo)材料作為導(dǎo)體，具有體積小、重量輕的優(yōu)點，可以實現(xiàn)低損耗、高效率、大容量輸電。但是，由于超導(dǎo)導(dǎo)線的超導(dǎo)體部分是由脆性陶瓷材料制成，抗彎曲性能較低[1]如果電纜的彎曲直徑較小，則在電纜的彎曲過程中會使超導(dǎo)導(dǎo)線產(chǎn)生較大的應(yīng)變，如該應(yīng)變超過導(dǎo)線的臨界彎曲應(yīng)變值，會導(dǎo)致導(dǎo)線的臨界電流急劇下降，從而嚴重影響整個電纜的超導(dǎo)性能。因此，有必要優(yōu)化超導(dǎo)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)、減小超導(dǎo)電纜體積。目前，除了常見的CORC導(dǎo)體和RACC導(dǎo)體，堆疊式導(dǎo)體成為研究熱點[2]。

2、常規(guī)超導(dǎo)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)簡介

如圖1所示，高溫超導(dǎo)電纜由支撐體、超導(dǎo)導(dǎo)體層、電氣絕緣層、超導(dǎo)屏蔽層、常導(dǎo)屏蔽層、低溫杜瓦管、外護套組成。高溫超導(dǎo)電纜的傳輸損耗僅為傳輸功率的0.5%，比常規(guī)電纜5-8%的損耗要低得多。在重量、尺寸相同的情況下，與常規(guī)電力電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜的容量可提高3-5倍、損耗下降60%，可以明顯地節(jié)約占地面積和空間，節(jié)省寶貴的土地資源。

高溫超導(dǎo)導(dǎo)體層是超導(dǎo)電纜傳輸?shù)暮诵墓δ軐印Ｄ壳巴ǔ２捎玫氖荂ORC導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，另外還有RACC導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，近年來，堆疊式導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由于其機械強度大、穩(wěn)定性好、載流量更高的優(yōu)點，引起了廣泛關(guān)注。

2.1 CORC導(dǎo)體

如圖2所示，CORC導(dǎo)體，是一種研究設(shè)計的新型超導(dǎo)導(dǎo)體，主要由三部分組成，中心骨架、高溫超導(dǎo)帶材、耐高低溫絕緣膠帶。中心骨架：截面積較小的銅棒或銅絞線;高溫超導(dǎo)帶材：以螺旋的形式纏繞在中心骨架上;耐高低溫絕緣膠帶：包裹纏繞好的超導(dǎo)帶材。CORC導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的特點：高載流、低電感、低交流損耗、高工程電流密度。CORC導(dǎo)體中心骨架外徑較超導(dǎo)電纜小很多，所以其臨界載流密度很高。

2.2 RACC導(dǎo)體

RACC導(dǎo)體最顯著的特點在于其與眾不同的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)載流均勻、可以減小交流損耗，使得RACC導(dǎo)體具有低交流損耗和高載流能力的特點。研究發(fā)現(xiàn)寬度較小的高溫超導(dǎo)導(dǎo)體和位置交換的超導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以減少交流損耗，因為磁場的磁力線可以進入超導(dǎo)帶材的內(nèi)部間隙，但是在生產(chǎn)上細絲狀的高溫超導(dǎo)導(dǎo)體并不能實現(xiàn)，并且簡單的切割不利于實際生產(chǎn)[4]。RACC導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由特定形狀的涂層導(dǎo)體相互換位組裝而成，結(jié)構(gòu)如圖3所示所示。

RAAC導(dǎo)體/電纜的優(yōu)點是實現(xiàn)了完全換位，電流均勻分布;缺點是垂直帶面磁場高，對臨界電流影響大。臨界電流衰減大，浪費帶材、成本高、力學(xué)性能差、不緊湊，需要環(huán)氧浸澤固化。因此作為輸電系統(tǒng)，RACC導(dǎo)體/電纜的應(yīng)用值得商榷，在高場磁體應(yīng)用方面應(yīng)更具有優(yōu)勢。

3、高溫超導(dǎo)電纜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本節(jié)主要介紹高溫超導(dǎo)電纜的股線結(jié)構(gòu)特點，目前主流的研究方向上，高溫超導(dǎo)股線主要兩種結(jié)構(gòu)：方形截面和圓形截面。本節(jié)會詳細介紹幾種前沿股線結(jié)構(gòu)的排列方式和套管方式，同時將實驗結(jié)果對比分析個中優(yōu)勢。

3.1 TSTC結(jié)構(gòu)

TSTC（Twisted Stacked-Tapes Cable）導(dǎo)體/電纜是由麻省理工學(xué)院（MIT）Takayasu T等人提出的一種新型超導(dǎo)導(dǎo)體，由超導(dǎo)帶材直接堆疊在一起，形成矩形截面超導(dǎo)導(dǎo)體，然后扭絞形成平行排列的高溫超導(dǎo)導(dǎo)體。由于TSTC導(dǎo)體/電纜將超導(dǎo)帶材平行堆疊，帶材能夠相互支撐，可以防止帶材受到的應(yīng)力過于集中，并且多根帶材扭絞可以減輕帶材側(cè)向彎曲程度，在彎曲半徑為140mm時，由24根帶材組成的TSTC導(dǎo)體/電纜臨界電流退化僅為6%，因此TSTC導(dǎo)體/電纜可用于制作超導(dǎo)線圈。在實際使用過程中，一般會為了對超導(dǎo)帶材進行保護，將超導(dǎo)堆疊導(dǎo)體嵌入有螺旋溝槽的金屬芯導(dǎo)體，外加金屬護套的方式構(gòu)成超導(dǎo)導(dǎo)體。

3.2扭絞圓股線（RS）

2013年，Uglietti D等人提出一種高載流容量超導(dǎo)圓截面結(jié)構(gòu)導(dǎo)體，其結(jié)構(gòu)中心部分類似TSTC導(dǎo)體的布局結(jié)構(gòu)，采用平行的REBCO帶材堆疊扭絞而成，然后使用2根擠有方形溝槽的半圓形截面銅棒將其夾緊，堆疊帶材和銅棒進行鍍錫焊接后扭絞制作成圓截面股線（Round Strand，RS）[23-25]。在77K液氮溫度下每根股線的臨界電流大約為1.15kA。

4、結(jié)論

本文介紹了超導(dǎo)電纜性能特點及其結(jié)構(gòu)組成，重點分析了超導(dǎo)導(dǎo)體的CORC、Roebel和堆疊式結(jié)構(gòu)。其中，堆疊式超導(dǎo)導(dǎo)體/電纜具有力學(xué)性能高、排列緊湊，機械強度大，節(jié)省空間，載流能力強等結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，目前在自場條件下，計算模型得到的結(jié)果是2380.6A;在有外磁場的條件下，在較低的外磁場下具有各項同性并在較高的外磁場下有較弱的各項異性，通過多種數(shù)據(jù)分析可以找出最佳的載流性能點，在今后的超導(dǎo)電纜研制中，有望通過采用堆疊式超導(dǎo)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進一步優(yōu)化超導(dǎo)電纜性能。

參考文獻

[1]田祥，張大義. 高溫超導(dǎo)電纜絕緣生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電線電纜，2018（3）：65-66.

[2]宗曦華，魏東. 高溫超導(dǎo)電纜研究與應(yīng)用新進展[J]. 電線電纜，2013（5）：1-3.

[3]時晨杰. 第二代高溫超導(dǎo)體超導(dǎo)股線交直流特性研究[D]. 華北電力大學(xué)（北京），2016.

[4]宗曦華. 高溫超導(dǎo)電纜研究及前景分析[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2017（7）：23-27.